ZrCxOy陶瓷及其復(fù)合材料的制備與性能研究.pdf

1、本文以航天技術(shù)對(duì)新型高溫?zé)峤Y(jié)構(gòu)材料的需求為研究背景，采用液相轉(zhuǎn)化法制備了具有良好耐溫、抗氧化以及低熱導(dǎo)特性的ZrCxOy陶瓷及其復(fù)合材料，研究了 ZrCxOy陶瓷前驅(qū)體的交聯(lián)及無機(jī)化過程、ZrCxOy陶瓷的高溫特性、C/ZrCxOy復(fù)合材料的力學(xué)、熱物理、耐高溫性能及氧化燒蝕性能。為進(jìn)一步提高復(fù)合材料的抗氧化性能，對(duì)比研究了SiOC陶瓷摻雜改性的C/SiZrOC復(fù)合材料的制備及性能。
　　以鋯酸四丁酯（Zr(OBu)4）為鋯源，二

2、乙烯基苯（DVB）為碳源，設(shè)計(jì)了ZrCxOy陶瓷前驅(qū)體，研究了前驅(qū)體的交聯(lián)及無機(jī)化過程，探索了 ZrCxOy陶瓷的高溫特性。前驅(qū)體在110℃以上能發(fā)生交聯(lián)固化，在150℃具有最好的交聯(lián)特性，150℃交聯(lián)產(chǎn)率約46.3％；前驅(qū)體經(jīng)1200℃無機(jī)化，其陶瓷產(chǎn)率為23%，組成為ZrO2和C；裂解產(chǎn)物在高溫?zé)崽幚磉^程中，ZrO2與裂解碳在1400℃以上開始發(fā)生碳熱還原反應(yīng)生成ZrCxOy陶瓷，升高反應(yīng)溫度、延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間能促使碳熱還原反應(yīng)充分進(jìn)行

3、，碳熱還原產(chǎn)物為單相的 ZrC0.84O0.07，晶格參數(shù)為4.688nm，改變熱處理工藝改變了ZrC0.84O0.07在復(fù)相陶瓷中比例，沒有改變ZrCxOy單相陶瓷中的碳氧比。
　　采用 PIP工藝制備 C/ZrCxOy復(fù)合材料，研究了材料的致密化過程及力學(xué)性能。復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度及壓縮強(qiáng)度隨材料密度增加而升高，其中，密度為2.43g/cm3時(shí)材料具有較好的力學(xué)性能，三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度及壓縮強(qiáng)度分別為123MPa及164MPa，斷裂韌

4、性達(dá)到13.1MPa·m1/2。表征分析了C/ZrCxOy復(fù)合材料的熱物理性能：比熱容隨溫度的升高而增大，與密度無關(guān)，材料由室溫升至1200℃時(shí)，比熱容由0.56J·g-1·K-1升至1.18 J·g-1·K-1；材料的熱擴(kuò)散系數(shù)和熱導(dǎo)率均隨密度的升高而升高，當(dāng)材料密度達(dá)到2.43g/cm3時(shí)，其熱擴(kuò)散系數(shù)和熱導(dǎo)率僅為1.23mm2·s-1和2.99W/m·k，C/ZrCxOy復(fù)合材料表現(xiàn)出較好的隔熱性能。
　　研究了 C/ZrC

5、xOy復(fù)合材料的耐高溫性能。材料經(jīng)1400℃及以下溫度熱處理后，材料的強(qiáng)度基本保持不變；1500℃熱處理后材料強(qiáng)度開始下降；1600℃熱處理后材料熱損傷嚴(yán)重，其質(zhì)量和強(qiáng)度保留率僅為86.4%和21.6%。C/ZrCxOy復(fù)合材料的高溫?zé)釗p傷源自基體碳熱還原發(fā)生引起的材料基體疏松及碳纖維侵蝕。
　　研究了C/ZrCxOy復(fù)合材料短時(shí)抗氧化燒蝕性能。C/ZrCxOy復(fù)合材料經(jīng)1600℃空氣氧化150s，其質(zhì)量和強(qiáng)度保留率分別為92.4

6、%和23.1%。經(jīng)氧乙炔焰燒蝕考核30s后，復(fù)合材料燒蝕明顯，其質(zhì)量燒蝕率和線燒蝕率分別為0.016g·s-1和0.105mm·s-1。
　　為提高材料的氧化燒蝕性能，將含硅聚合物——聚硅氧烷(PSO）引入到ZrCxOy前驅(qū)體溶液中，制備了SiOC改性的C/SiZrOC復(fù)合材料。C/SiZrOC復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度及壓縮強(qiáng)度隨材料密度增加而升高，其中，密度為2.04g/cm3時(shí)材料其三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度及壓縮強(qiáng)度分別為197.1MPa及21

7、0.6MPa，斷裂韌性為23.56MPa·m1/2。C/SiZrOC的熱物理性能隨材料密度的變化規(guī)律與 C/ZrCxOy相同，材料密度為2.04g/cm3時(shí)，其熱擴(kuò)散系數(shù)、比熱容及熱導(dǎo)率分別為1.196mm2/s0.639J/(gk)和1.55W/m·k。
　　研究了 C/SiZrOC復(fù)合材料的耐高溫性能。材料經(jīng)1400℃及以下溫度熱處理后，材料的強(qiáng)度基本保持不變；1500℃熱處理后材料強(qiáng)度開始下降；1600℃熱處理后材料熱損傷嚴(yán)

8、重，其質(zhì)量和強(qiáng)度保留率僅為62.5%和13.1%。與 C/ZrCxOy相比，C/SiZrOC的耐高溫性能有所下降。
　　研究了 C/SiZrOC復(fù)合材料短時(shí)抗氧化燒蝕性能。C/ZrCxOy復(fù)合材料經(jīng)1600℃空氣氧化150s，其質(zhì)量和強(qiáng)度保留率分別為83.5%和43.2%。經(jīng)氧乙炔焰燒蝕考核30s后，復(fù)合材料燒蝕明顯，其質(zhì)量燒蝕率和線燒蝕率分別為0.025g·s-1和0.133mm·s-1，表明SiOC的引入沒有提高材料的燒蝕性能