高超音速飛行器再入過程中,所承受的環(huán)境非常惡劣,特別是端頭和機翼前緣,需要在氧化性環(huán)境中耐受長時間超高溫和高速氣流沖刷作用,因此對其防熱材料提出了苛刻的要求。本文在分析國內(nèi)外耐超高溫材料研究的基礎(chǔ)上,開展了超高溫碳基復(fù)合材料的研究,采用泥漿涂刷法引入超高溫陶瓷組分(ZrB2、ZrC、TaC),采用先驅(qū)體浸漬裂解工藝引入基體碳,制備了新型的C/C-ZrB2(ZrC、TaC)超高溫復(fù)合材料,考察了超高溫材料先驅(qū)體種類、交聯(lián)、浸漬、穿刺等工藝參數(shù)對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和性能的影響。 

采用呋喃樹脂、酚醛樹脂、瀝青作為碳源,研究了交聯(lián)或浸漬工藝對C/C-ZrB2復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和性能的影響。選用呋喃樹脂作為碳源,采用浸漬-交聯(lián)-裂解工藝制備C/C-ZrB2復(fù)合材料時,樹脂交聯(lián)過程中體積膨脹,而裂解過程中體積收縮,導(dǎo)致層間結(jié)合較差,影響到復(fù)合材料的綜合性能;采用浸漬后直接裂解工藝制備的復(fù)合材料致密度高,力學(xué)性能和抗氧化性能較好。選用殘?zhí)悸矢叩姆尤渲鳛樘荚?經(jīng)浸漬-交聯(lián)-裂解工藝制備的C/C-ZrB2復(fù)合材料致密度高,從而可以大幅提高其力學(xué)、抗氧化及抗燒蝕性能;而采用浸漬后直接裂解工藝制備的復(fù)合材料密度低、開孔率高,相應(yīng)的力學(xué)、抗氧化、抗燒蝕性能均較差。分別浸漬瀝青溶液和熔融瀝青制備了C/C-ZrB2復(fù)合材料,采用瀝青溶液制備的復(fù)合材料密度較低,力學(xué)、超高溫材料抗氧化和抗燒蝕性能較差;熔融瀝青制備的復(fù)合材料綜合性能較好,但熔融浸漬工藝需要高溫高壓設(shè)備,成本較高,限制了瀝青的應(yīng)用。

綜上所述,酚醛樹脂是適宜PIP工藝的先驅(qū)體,且采用浸漬-交聯(lián)-裂解工藝制備的復(fù)合材料性能佳。 研究了耐超高溫陶瓷粉體含量對C/C-ZrB2、C/C-ZrC、C/C-TaC復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和性能的影響。隨ZrB2含量的增加,制備的C/C-ZrB2復(fù)合材料密度增加,線燒蝕率呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢,涂刷ZrB2體積含量為10%的泥漿制備的ZB10復(fù)合材料具有較為優(yōu)異的綜合性能,彎曲強度為250.37MPa,斷裂韌性為13.84MPa·m1/2;經(jīng)過1200℃氧化30min質(zhì)量保留率達到90.65%,強度保留率達到85.14%;經(jīng)60s氧乙炔焰燒蝕考核質(zhì)量燒蝕率為0.01802g/s,線燒蝕率為0.0122mm/s。隨著ZrC含量的增加,C/C-ZrC復(fù)合材料制備過程中膨脹現(xiàn)象愈加嚴重,開孔率逐漸增大,抗氧化、耐燒蝕性能顯著降低,涂刷ZrC體積含量為15%的泥漿制備的ZC15復(fù)合材料綜合性能較優(yōu),彎曲強度為217.54MPa,斷裂韌性為12.00MPa·m1/2;經(jīng)過1200℃氧化30min質(zhì)量保留率達到90.91%,強度保留率達到82.04%;質(zhì)量燒蝕率為0.01827g/s,線燒蝕率為0.0193mm/s。隨著TaC含量的增加,制備的C/C-TaC復(fù)合材料密度增加,致密度的變化使復(fù)合材料的力學(xué)性能和抗燒蝕性能均呈現(xiàn)先升后降的趨勢,涂刷TaC體積含量為15%的泥漿制備的TC15復(fù)合材料綜合性能較好,彎曲強度為260.99MPa,斷裂韌性為13.21MPa·m1/2;經(jīng)過1200℃氧化30min質(zhì)量保留率達到92.12%,強度保留率達到75.03%;質(zhì)量燒蝕率為0.02510g/s,線燒蝕率為0.0290mm/s。 超高溫材料研究了穿刺工藝對復(fù)合材料性能的影響。穿刺工藝可以提高C/C-ZrB2(TaC、ZrC)復(fù)合材料的致密度、降低開孔率;增強層間剪切強度;減輕高速氣流沖刷,提高抗燒蝕能力。與未穿刺樣品相比,C/C-ZrB2復(fù)合材料線燒蝕率從0.0135mm/s降低到0.0075mm/s。

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