碳纤维增强SiC陶瓷复合材料的研究进展（精）(2)

抗冲蚀层的功能是阻挡氧气进入材料内部，抵抗气流冲蚀。抗冲蚀层最常用的是致密的 CVD-SiC Ir Al涂层，另外、2O 3、Y 2O 3、Ta 2O 5、Si 2N 2O 、ZrO 2和莫来石（3Al 2O 3?2SiO 2）等也被用来作抗冲蚀层材料[18-21]。功能层的作用是形成玻璃态可流动物质封填涂层微裂纹，阻止氧的进入。最初用作功能层的材料是 P2O 5，B 2O 3，SiO 2 等玻璃态物质，目前常用的功能层材料是能氧化形成玻璃态物质的化合物 B4C 、TiB 2、Si-B 、Si-W 、Si- [22-27, 18]

Hf 、MoSi 2、Si-Zr 等。粘接层的功能粘接基体与涂层系统，减少涂层与基体间的热膨胀不匹

[28]配，粘接层材料最常用的是涂层 SiC。

Si C 900和在℃ 便有 SiC 生成，但是通常制备反应的温度在Si 的熔点1 414℃ 以上，Si 以液相或气相状态与 C 反应，最终材料中可能会有少量未与 C 反应的自由硅存在。如坂本昭（日）用SiC 、Si 、C 粉末与丙烯酸类树脂制成泥浆浸渍碳纤维，干燥成型后加压烧结，得到碳纤维增强

[6，15]

SiC 材料。Fischedick C 等以沥青或树脂等的先驱体浸渍碳纤维预制体后裂解制得多孔 C/C 材

[16]

料，在液相或气相条件下渗 Si，得到SiC 。也可通过小分子烃的 CVI C/C 工艺制备材料后渗Si ，但CVI C Si C的与的反应活性不如裂解。Vogli 等将橡木加工成所要的形状后在惰性气体保护下 800℃ 碳化，随后在 1 550℃ 以上真空渗 Si

或 SiO（Si/SiO 2），得到 C/SiC 复合材料，室温 280MPa 弯曲强度 330MPa，1 300℃ 弯曲强度

[14,17]

有许多比较有效的抗氧化涂层体系。如等开发的f /SiC 材料抗氧化保护体系由Goujard C

SiC/B4C/SiC 3 3 CVD 层组成，层均由工艺制备，内层 SiC120-140μm ，B 4C 10-15层μm ，外层 SiC40-60μm ，涂层总厚度约160-200μm [29]；Franc

SiC/AlN/Al等开发的2O 3 3 层体系，外层可以是 Al2O 3、H f O 2、ZrO 2 TiB等，中间层可以是2、

AlN 、HfN 、ZrC 、Pt 、Ir 等，用该涂层体系的空间飞行器部件使用温度达到 2 000℃；

近年来抗氧化涂层体系又有新的发展。

Kondo Y等以2O 3 CVD-SiC 粉末在内层上于1 500℃ 以上烧结，得到 SiC/Y2SiO 5-Y 2Si 2O 7-YxSiy 2 1 600层抗氧化保护体系，在℃ 以上仍有良好的抗氧化保护作用[20-22]。H.Fritze CO等通过高能2脉

7 [30] 。

３ 抗氧化研究进展

碳纤维增强 SiC 陶瓷复合材料拥有良好的高

温力学性能和热性能，但是在氧化性气氛中，高于 400℃ 碳纤维就会氧化，材料性能迅速降低，导致材料失效。这是影响其在氧化性气氛中长效应用的致命弱点，为此必须解决材料的抗氧化性问题。目前主要通过整体抗氧化涂层来对材料进行抗氧化保护。

抗氧化涂层要求。① 在所保护温度范围稳

冲激光（λ=10.6μm ，Δt =170μs ，j =3×10w ?cm ）定，涂层与基体不易剥落或者分离；② 低的氧和

在碳纤维增强陶瓷基复合材料表面制备莫来石涂碳的扩散系数；③ 良好的抗冲蚀性能；④裂纹自愈合功能；等等。

为满足这些要求，典型的涂层体系由粘接 抗冲蚀层活性功能层粘接层基底材料

层，基体温度的升高不超过 100℃，所得涂层均匀、致密，在空气中的抗氧化保护温度达 1 900K [31-32]。Naslain CVI 等以工艺制备了基体与涂层融为一体的碳纤维增强抗氧化保护陶瓷材料，基体为（PyC-SiC ）n BN-SiC或（）n ，每层的厚度为几十 nm，在氧化性气氛中，PyC-SiC 或 BN-SiC 既是基体又是涂层，有裂纹自愈合功能，有良好的抗氧化保护性能

[33-34] 。

图1 涂层体系的基本组成４ 近年来的应用

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高科技纤维与应用 燃烧室的发汗材料喷管。 第二十八卷

维增强 SiC 陶瓷的又一个用途是作为航天运载器

５ 展望

碳纤维增强 SiC 陶瓷复合材料的结构部件已 [39]

图2 X-33验证机上的Cf/SiC构件

经应用于一些领域，但是还没有广泛应用，还有许多工作要做。

⑴ 现有的制备工艺成本高、生产周期长、对纤维损伤严重、性能不稳定，需要发展更好制备工艺，降低制备成本，改善增强纤维与基体之间的界面，提高材料性能；

⑵ 在高温氧化性环境中材料会随使用时间的增加而性能下降，现有的抗氧化保护体系还不能保证材料能长期应用，增强抗氧化性研究将是以后研究的重点；

⑶ 性能评价体系与构件质量控制体系还需要进一步完善；

⑷ 加强应用研究和计算机辅助设计的研究，提高构件制造的成功率，加强和传统材料构件结合使用碳纤维增强 SiC 陶瓷复合材料研究，碳纤维增强 SiC 陶瓷复合材料将会得到非常广泛的应用。

碳纤维增强 SiC 陶瓷复合材料主要用于航空航天发动机结构部件、原子反应堆壁等领域。欧洲阿里安 4第三级液氢/液氧推力室喷管是 SEP 公司以

NOVOLTEX CVI 为预制增强体，采用致密工艺制造了 C/SiC 1 016 整体喷管。该喷管长

mm ，出口锥直径940mm ，质量仅为25kg 。它与 75kg 的合金喷管相比，其惰性质量大大降 质量为

低，为飞行器提供了大约 50kg 的有效载荷。法国 用碳纤维增强 SiC 制成的喷嘴阀已经用于M88 发动机上。1992 Ostertag R. 年等用碳纤维增强 SiC 制成的热气

喷嘴和夹芯砖在高性能发动机和航天飞机上进行了成功的飞行试验，同年，德国用 PIP SiC 法制备的碳纤维增强喷管在Do 1 000飞机上进行了飞行测试，在℃ 下可正常运行 10 000h。

日本试验空间飞机 HOPE-X 的第二代热结构材料使用了以 PIP SiC 工艺生产的碳纤维增强作为前部外板、上部及下部面板等；美国的航天试验验证机 X-33 的热保护系统使用的是碳纤维增 …… 此处隐藏：971字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……