碳/碳复合材料多重环境下的氧化机理研究

摘要

抗氧化涂层碳/碳(C/C)复合材料以其耐氧化性好、高比强、高温强度保持率高等一系列优点而在航空发动机热结构部件上极具应用潜力。但遗憾地是，目前国内外的研究报道主要局限于空气环境中的静态等温氧化性能研究，这并不能全面地反映或评价涂层C/C复合材料在发动机燃气环境中的动态氧化性能。为揭示涂层C/C的动态氧化行为及涂层失效原因，本文首先对C/C涂层前后的静态氧化行为、机理及性能变化进行了系统研究，然后在此基础上，结合动态氧化实验特点及对涂层性能的要求，提出和设计了单因素(温度梯度或弯曲载荷)及多因素耦合(温度梯度+弯曲载荷)氧化实验，并在各因素氧化实验研究的基础上探讨了涂层C/C的动态氧化性能及失效机制，最后采用动态氧化实验结果进行验证。全文主要研究内容及结果如下： 首先，通过对2D-C/C材料的微氧化(失重小于6﹪)动力学及组织结构演变研究，提出了C/C微氧化三段论及相应的微氧化物理模型，揭示了C/C的微氧化机制。并在此基础上，考察了微氧化对C/C材料力学性能的影响，从理论上合理地解释了C/C抗弯强度、模量在微氧化初期反常增大、而后期不断降低的原因。实验发现，在热震实验中C/C复合材料的强度指标也存在着反常增大现象。 采用包埋法和预涂-烧结法在C/C材料表面制备出了SiC/glass涂层，并在C/C微氧化研究的基础上，考察了涂层C/C在室温～1600℃范围内的静态等温氧化性能，结果证实SiC/glass涂层具有良好的抗氧化性和抗热震性。通过动力学研究，发现该涂层在全温度范围内具有三区段的氧化特征：氧化惰性区(室温～450℃)；缺陷氧化敏感区(450～1300℃)和涂层体扩散氧化区(1300～1600℃)，并具有缺陷氧化最敏感温度(800℃)。涂层制备缺陷在1300℃以下愈合不充分，为氧入侵C/C基体提供了短路通道，是造成涂层在中、低温下存在缺陷氧化敏感性的原因。通过氧化前后的力学性能对比研究，发现涂层C/C在缺陷氧化最敏感温度(800℃)下的氧化速率及失重量相对最大，强度指标下降最明显；并提出了涂层C/C氧化特征的剩余抗弯强度表征方法。 温度梯度氧化研究表明，该氧化实验能够全面考察涂层在全温度范围内的氧化性能，但温度梯度的存在导致涂层C/C试样发生非均匀氧化。通过SEM形貌分析、弯曲力学性能对比及氧化动力学研究发现，在缺陷愈合温度(1300℃)以下，温度梯度氧化试样上各等温点处的氧化过程与静态等温氧化具有良好的对应性，即表现为试样同样在缺陷氧化最敏感温度(800℃)处的氧化损耗最为严重，强度指标下降幅度最大，最终因800℃处发生局部严重氧化导致试样整体失效破坏。 弯曲载荷作用下的等温应力氧化研究表明，弯曲载荷对涂层C/C的氧化具有明显加速作用，结果造成缺陷氧化敏感温区宽化，缺陷氧化最敏感温度升高至900℃，涂层的防护寿命大大降低；但相比于静态等温氧化，应力氧化不会造成涂层C/C在各氧化特征温区内的宏观失重规律发生根本改变。通过材料力学理论分析和氧化动力学研究，发现弯曲载荷导致部分涂层微裂纹扩展、宽化是造成涂层C/C氧化加速的原因，且相比于恒定静载，循环动载具有进一步加速材料氧化、涂层失效的作用，这与循环动载作用时所产生的“呼吸”效应关系密切。 多因素耦合氧化研究表明，涂层C/C试样的宏观氧化失重规律主要受控于温度梯度因素，弯曲载荷因素则决定着试样的氧化速率，但耦合氧化试样的失效部位及其整体氧化寿命由温度梯度和弯曲载荷二因素共同决定，结果导致耦合氧化试样的失重速率明显大于温度梯度氧化试样，并优先在900℃微区处发生选择性失效。 对比研究发现，涂层C/C试样在动态环境和多因素耦合环境中的宏观氧化失重规律、涂层失效方式及部位基本相同，并能通过因素氧化研究成果合理地解释试样的动态氧化行为及涂层失效原因，证实了采用因素氧化实验来预测或评价涂层C/C动态氧化性能的可行性，同时也验证了各个因素氧化模型的设计合理性。

目录

文摘

英文文摘

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第1章绪论

1.1引言

1.2 C/C复合材料

1.2.1 C/C复合材料的诞生及发展概述

1.2.2 C/C复合材料的应用及存在的问题

1.3 C/C复合材料的氧化及防氧化

1.3.1 C/C复合材料的氧化

1.3.2 C/C复合材料的防氧化

1.4涂层C/C复合材料的氧化

1.4.1氧化实验的分类

1.4.2涂层C/C复合材料的静态氧化

1.4.3涂层C/C复合材料的动态氧化

1.5本文的选题依据及研究目标

1.6本文的主要研究内容及创新成果

1.6.1主要研究内容

1.6.2主要创新成果

参考文献

第2章碳/碳复合材料的微氧化研究

2.1引言

2.2实验方法及过程

2.2.1试样制备

2.2.2氧化实验

2.2.3热震实验

2.2.4测试分析方法

2.3 C/C复合材料的微氧化动力学研究

2.3.1低氧压环境中C/C复合材料的微氧化动力学研究

2.3.2空气中C/C复合材料的微氧化动力学研究

2.3.3氧分压对C/C复合材料的微氧化行为及机理的影响

2.4微氧化对C/C复合材料组织结构的影响

2.4.1 C/C复合材料的原始组织结构

2.4.2微氧化前后C/C复合材料组织结构的演变

2.4.3微氧化对C/C试样开口孔隙率的影响

2.4.4微氧化对C/C试样体积的影响

2.4.5 C/C复合材料的微氧化特征及其物理模型

2.5微氧化对C/C复合材料弯曲性能的影响

2.5.1微氧化对C/C复合材料断裂行为的影响

2.5.2抗弯强度和模量与失重率的关系

2.6热震对C/C复合材料弯曲性能的影响

2.6.1热震对C/C复合材料断裂行为的影响

2.6.2热震对C/C复合材料抗弯强度的影响

2.6.3影响机制分析

2.7本章小结

参考文献

第3章SiC/glass涂层C/C复合材料的静态等温氧化性能及机理研究

3.1引言

3.2 SiC/glass复合涂层的制备与性能测试

3.2.1复合涂层的制备

3.2.2涂层的表征及性能测试

3.3 SiC/glass涂层的组织结构分析

3.3.1涂层的相结构分析

3.3.2涂层的显微结构分析

3.4 SiC/glass涂层C/C复合材料的高温氧化性能研究

3.4.1涂层C/C复合材料高温氧化性能的测试分析

3.4.2涂层C/C复合材料的抗热震性能

3.4.3涂层C/C复合材料的高温氧化动力学及机理分析

3.4.4涂层失效分析

3.5 SiC/glass涂层C/C复合材料全温度范围内的氧化性能研究

3.5.1氧化动力学及机理研究

3.5.2氧化特征研究

3.6 SiC/glass涂层C/C复合材料的力学性能研究

3.6.1涂层对C/C复合材料力学性能的影响

3.6.2氧化对涂层C/C复合材料力学性能的影响

3.7本章小结

参考文献

第4章温度梯度、弯曲载荷对SiC/glass涂层C/C复合材料氧化性能的影响

4.1引言

4.2实验方法及过程

4.2.1试样的制备

4.2.2实验过程

4.2.3组织结构及力学性能测试

4.3温度梯度对涂层C/C复合材料氧化性能的影响

4.3.1温度梯度对涂层C/C复合材料氧化行为的影响

4.3.2涂层C/C复合材料的温度梯度氧化特征及机制

4.4弯曲载荷对涂层C/C复合材料氧化性能的影响

4.4.1单臂梁加载模型中的应力

4.4.2静载作用下的应力氧化

4.4.3动载作用下的应力氧化

4.4.4涂层失效分析

4.5涂层C/C复合材料的多因素耦合氧化研究

4.5.1耦合氧化行为研究

4.5.2耦合氧化特征研究

4.5.3涂层失效分析

4.6本章小结

参考文献

第5章涂层C/C复合材料的动态氧化性能研究

5.1引言

5.2实验方法

5.2.1涂层C/C试样的制备

5.2.2动态氧化实验

5.2.3组织结构及力学性能测试

5.3动态环境中的氧化影响因素分析

5.4动态氧化过程中涂层C/C试样的受力分析

5.5涂层C/C复合材料的动态氧化性能及涂层失效机制研究

5.6本章小结

参考文献

第6章结论

攻读博士学位期间发表的学术论文

致谢