SiOC基陶瓷改性碳纖維骨架復合材料及其抗氧化涂層研究.pdf

1、防隔熱一體化材料通常由低熱導率骨架材料、耐高溫增強相以及表面的高輻射涂層組成，主要目標是兼顧防熱和隔熱效果，最大程度減少飛行器內部承力結構的溫度負擔?，F有的防隔熱材料體系在耐高溫、抗氧化、輕質化以及長時間等方面都難以滿足未來飛行器的需求。本課題針對用于迎風面、機身等大面積區(qū)域的耐高溫、低密度、長時間非燒蝕型防隔熱材料的使用要求，以新型的碳連接碳纖維骨架材料（CBCF）為基體，以SiOC基先驅體陶瓷為增強相，以TaSi2基復合涂層為抗氧化

2、保護涂層，展開了超輕質防隔熱一體化材料的設計、制備和考核研究。首先，采用壓濾成型方法制備了CBCF基體，解決了傳統(tǒng)制備方法易引起的微觀結構團聚和分層的問題，并獲得了CBCF基體的力學和熱物理性能。其次，優(yōu)化增強相SiOC陶瓷的合成工藝，并引入B和Zr元素，采用多種表征手段研究了改性SiOC陶瓷的高溫結構演變規(guī)律，獲得了具有優(yōu)異高溫穩(wěn)定性的改性SiOC陶瓷。然后，通過先驅體浸漬裂解法制備了SiOC基陶瓷增強CBCF基體復合材料，并探討了四

3、種復合材料的力學和熱物理性能、高溫穩(wěn)定性以及抗氧化性能。最后，采用刷涂法制備了TaSi2基復合抗氧化涂層，并通過氧乙炔焰和等離子風洞考核了涂層的抗氧化燒蝕能力，探索了涂層的氧化燒蝕機理。
　　采用新型的壓濾成型方法制備剛性碳骨架CBCF材料。以聚丙烯酰胺為分散劑，將粘膠基短切碳纖維和酚醛樹脂顆粒分散于水中并倒入底部裝有濾布的模具，通過壓頭加壓將模具中的水濾出并置于烘箱中烘干，在1000℃下裂解得到CBCF材料。成型過程中通過調節(jié)壓

4、力的大小來控制材料的密度和氣孔率。與傳統(tǒng)的真空抽濾方法相比，該工藝獲得的材料微觀結構均勻，無團聚和分層問題，并且實現了材料密度的精確調控。CBCF材料在垂直于成型壓力（xy方向）和平行于成型壓力（z方向）方向上的微觀結構具有各向異性，在xy方向上纖維隨機取向，均勻分布；在z方向上纖維垂直于z向分布。對于密度為0.17～0.3g/cm3的 CBCF材料，xy和z方向的壓縮強度分別為0.5～1MPa和0.25～0.75MPa，壓縮模量分別為

5、11～31MPa和7～33MPa。從室溫至1300℃，密度為0.23g/cm3的CBCF材料在xy和z方向的熱導率分別為0.2～0.43W·m-1·K-1和0.11～0.35W·m-1·K-1。從室溫至350℃，密度為0.3g/cm3的 CBCF材料在xy和z方向的平均熱膨脹系數均為1.2×10-6K-1。
　　采用兩種路徑（催化劑分別為酸和堿）分別合成了增強相SiOC陶瓷，并研究了兩種先驅體的聚合機理和裂解機制。結果表明酸性條件

6、下合成的SiOC陶瓷結構堅硬致密，具有較好的高溫穩(wěn)定性。因此，在酸性條件下合成的SiOC先驅體中分別引入B和Zr元素對其進行改性，進一步提高其高溫穩(wěn)定性。影響高溫穩(wěn)定性的主要原因是高溫下的碳熱還原反應，而自由碳的高度石墨化和納米晶粒的析出均能抑制碳熱還原反應。B的引入增加了陶瓷中的sp3-C含量，提高了陶瓷的裂解產率（90％），促進了SiC晶粒的析出，并極大的促進了自由碳的石墨化。Zr的引入降低了陶瓷中的sp3-C的含量，在高溫下ZrO

7、2納米晶析出并均勻分散在無定型基體中。B和Zr同時引入SiOC陶瓷中，強烈的促進了自由碳的石墨化，高溫下從無定型基體中析出ZrO2和ZrSiO4晶粒。
　　采用先驅體浸漬裂解法（PIP）制備了SiOC基陶瓷增強CBCF復合材料。經兩次浸漬裂解后，SiOC/CBCF、SiBOC/CBCF、SiZrOC/CBCF和SiBZrOC/CBCF復合材料的密度分別為0.6g/cm3、0.88g/cm3、0.87g/cm3和0.87g/cm3。

8、SiBOC/CBCF復合材料具有最好的力學性能，在z和xy方向上的壓縮強度分別為4.5和5MPa。研究了復合材料的熱物理性能：四種復合材料的平均熱膨脹系數在1.2～2.9×10-6K-1范圍內；SiOC/CBCF和SiBOC/CBCF復合材料在z方向上的常溫熱導率分別為0.25和0.33W·m-1·K-1?？疾炝薙i(M)OC/CBCF復合材料在惰性和氧化氣氛下的高溫穩(wěn)定性，B或Zr改性SiOC陶瓷增強的CBCF復合材料具有更好的高溫穩(wěn)

9、定性。
　　在Si(M)OC/CBCF復合材料表面以刷涂法制備了TaSi2-MoSi2-SiO2·B2O3-SiCw/MoSi2-SiO2·B2O3-SiCw復合抗氧化涂層。TaSi2基涂層具有較理想的輻射率，在800℃以下8～25μm波段，輻射率為0.8～0.9。采用氧乙炔焰和等離子風洞考核了涂層的抗氧化燒蝕能力，材料通過了1550℃下等離子風洞環(huán)境考核，實現了復合材料的零燒蝕和結構完整性。燒蝕后涂層由致密層和多孔層兩部分組成。