C/SiC复合材料热辐射机制与性能研究

摘要

碳纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料（C/SiC）具有较低的密度，优异的高温性能，不发生灾难性破坏等一系列突出的优点，在航空航天等高温领域有着广阔的应用。C/SiC复合材料的高温应用环境，决定了辐射传热是其在服役过程中与外界进行热量传输的主要方式。国内外对C/SiC复合材料热辐射性能研究较少，对复合材料基本热辐射性能不清楚。因此，明确C/SiC基本组元热辐射性能，掌握热辐射在C/SiC复杂结构中的传输机制，获得复合材料热辐射性能在不同模拟环境下的演变规律，建立环境控制因素，复合材料显微结构以及热辐射性能三者之间的相互作用关系，掌握基体改性调控C/SiC复合材料热辐射性能的机制，对于完善高温环境下C/SiC复合材料使用效能评价具有十分重要的指导意义。
　　本文以化学气相渗透法制备的C/SiC复合材料为研究对象，以复合材料热辐射性能为主要研究目标，结合热辐射基础理论，系统研究了C/SiC复合材料基本组元材料热辐射性能，以及复合材料预制体结构，表面涂层以及致密度等显微结构演变对热辐射性能的影响机制。通过分析不同模拟环境条件下，复合材料微结构损伤和热辐射性能之间关系，获得了环境控制因素对复合材料热辐射性能演变的影响机制。通过基体改性实现了C/SiC复合材料热辐射性能调控，明确了改性物质对复合材料热辐射性能的调控规律。主要研究内容及结果如下：
　　1)研究了C/SiC复合材料中C相组元材料热辐射性能与显微结构之间的关系。结果表明：（1）石墨材料的热辐射性能随着试样表面层状石墨微晶的出现逐渐升高。（2）碳纤维总发射率在1000~1600℃范围内随温度线性增长，光谱发射率随波长的波动增强。（3）1600℃和1800℃热处理增强了碳纤维光谱发射率随波长的波动，降低了碳纤维的总发射率，1600℃下的降幅分别为2.71％（1600℃-HT）和9.94%（1800℃-HT）。（4）碳纤维表面沉积 PyC层后，试样光谱发射率随波长的波动减弱，热辐射性能下降30%左右。PyC层厚度从0.5μm增加到1.0μm对试样热辐射性能改变不大。（5）沉积CNTs层后，碳纤维的热辐射性能在1000~1600℃范围内出现明显增长，增幅约为35%。
　　2)研究了C/SiC复合材料中SiC相组元材料热辐射性能与显微结构之间的关系。结果表明：（1）采用单振子洛伦兹模型计算得到了SiC理论发射率，其在10~14μm波段范围出现突变，是SiC特有的剩余反射带特征。（2）CVD SiC相比于HP SiC表现出更加明显的SiC剩余反射带特征，在1300℃以下CVD SiC具有较高的热辐射性能，而在1300℃以上HP SiC的热辐射性能更优异。（3）当SiC涂层厚度有限时，随着石墨基底表面粗糙度增加，SiC涂层热辐射性能降低。（4）SiC粉体颗粒和SiC晶须制备的ZrB2-SiC陶瓷材料光谱发射率随波长的变化关系存在很大差别，其中SiC晶须制备的试样SiC剩余反射带特征比较明显，并且其热辐射性能略高于SiC粉体制备的试样。
　　3)研究了预制体结构、表面涂层、致密度等 C/SiC复合材料本征显微结构对热辐射性能的影响。结果表明：（1）相比于2D C/SiC，3DN C/SiC光谱发射率在10~14μm范围内表现出更加明显的SiC剩余反射带特征，在1200℃以上，3DN C/SiC热辐射性能优于2D C/SiC。（2）C/SiC复合材料沉积SiC涂层后，光谱发射率出现明显的SiC剩余反射带特征。SiC涂层对试样总发射率随温度的变化趋势影响不大，总发射率略有升高。（3）随着SiC涂层厚度从20μm增加到100μm，C/SiC热辐射性能总体呈现上升趋势，同时光谱发射率中SiC剩余反射带特征逐渐显著。（4）随着C/SiC复合材料表面粗糙度减小，试样热辐射性能降低，测试温度的升高增加了表面形貌对热辐射性能的影响。（5）伴随C/SiC复合材料致密度升高，热辐射性能持续升高，SiC含量超过50wt%时，试样热辐射性能增幅最大。
　　4)研究了C/SiC复合材料在高温热处理、空气氧化和水氧腐蚀环境考核后的热辐射性能演变规律。结果表明：（1）1600℃和1800℃热处理后，C/SiC热辐射性能在高温下的改变不大，2000℃热处理后，复合材料中β-SiC晶粒的长大和α-SiC含量的增多提高了试样热辐射性能。（2）700℃空氧对C/SiC光谱发射率随温度的变化关系影响不大，但提高了试样总发射率。1000℃空氧后C/SiC热辐射性能改变不明显，1300℃空氧升高了C/SiC热辐射性能，并且增幅随着氧化时间延长而增加。（3）700℃和1000℃水氧腐蚀对C/SiC光谱发射率的影响不大，但是降低了C/SiC热辐射性能，并且氧化时间的延长和测试温度的升高促进了这种降低。1300℃水氧腐蚀后C/SiC光谱发射率发生明显变化，总发射率的降幅超过前两种试样。
　　5)研究了基体改性及SiC涂层对C/SiC热辐射性能的调控机制。结果表明：（1） Si相和Si-B-C-N陶瓷均可以提升C/SiC热辐射性能，在1000℃时，增幅分别为50.00%和6.00%，1600℃时，增幅分别为60.00%和16.67%，Si相对复合材料热辐射性能的提升作用显著。（2）C相和Si-C-N陶瓷在低于1400℃时可以起到降低C/SiC热辐射性能的作用，在1000℃时，降幅分别为16.00%和12.00%，C相对复合材料热辐射性能的降低作用明显。（3）沉积SiC涂层后，改性试样光谱发射率均表现出比较明显的SiC剩余反射带特征，接近未改性试样。由于试样的热辐射性能仍由改性基底控制，因此改性物质仍能发挥应有的改性作用。

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论文的主要创新与贡献

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第1章 绪 论

1.1 C/SiC复合材料

1.2 C/SiC 复合材料应用

1.3 C/SiC 复合材料热辐射性能

1.4 本文的选题依据和研究目标

1.5 研究内容

第2章 材料制备与性能表征

2.1 前言

2.2 实验材料制备

2.3 环境性能实验

2.4热辐射性能表征

2.5微结构表征与分析

2.6本章小结

第3章 C/SiC复合材料组元热辐射性能

3.1 前言

3.2 C相热辐射性能

3.3 SiC相热辐射性能

3.4 本章小结

第4章 C/SiC复合材料本征热辐射性能

4.1前言

4.2 纤维预制体结构对C/SiC复合材料热辐射性能的影响

4.3 表面涂层对C/SiC复合材料热辐射性能的影响

4.4 致密度对C/SiC复合材料热辐射性能的影响

4.5 本章小结

第5章 C/SiC复合材料环境热辐射性能

5.1 前言

5.2 高温环境对C/SiC复合材料热辐射性能的影响

5.3 空氧环境对C/SiC复合材料热辐射性能的影响

5.4 水氧环境对C/SiC复合材料热辐射性能的影响

5.5 本章小结

第6章 C/SiC复合材料热辐射性能调控

6.1 前言

6.2 提高C/SiC复合材料热辐射性能研究

6.3 降低C/SiC复合材料热辐射性能研究

6.4 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

致谢

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