化学液相浸渗法制备CC-TaC复合材料及其烧蚀性能研究

李家亮等：低温放电等离子烧结法制备氮化硅陶瓷· 251 ·第39卷第2期SiC改性C/C复合材料的制备及其烧蚀性能魏连锋，李克智，吴恒，李贺军，王永杰(西北工业大学，陕西省碳/碳复合材料工程技术研究中心，凝固技术国家重点实验室，西安 710072)摘要：采用超声波震荡法将SiC微粉添加到二维针刺碳毡预制体中，利用热梯度化学气相浸渗工艺沉积热解碳制备了SiC改性碳纤维增强碳基(carbon fiber reinforced carbon，C/C)复合材料。

借助X射线衍射与扫描电子显微镜检测和观察材料的微观结构，利用氧–乙炔烧蚀实验测试材料的抗烧蚀性能。

结果表明：SiC微粉弥散分布在C/C复合材料基体中，经氧–乙炔烧蚀30s后，线烧蚀率和质量烧蚀率分别为4.0×10–3 mm/s和3.19×10–3 g/s，分别相当于C/C复合材料的47.1%和70.6%，表明SiC的加入显著提高了C/C复合材料的抗烧蚀性能，其优良的抗烧蚀性主要是因为SiC颗粒相的加入在烧蚀过程中具有抑制氧化和弥补缺陷的作用，降低了C/C复合材料的热化学烧蚀。

关键词：碳化硅微粉改性；碳/碳复合材料；制备；超声浸渗；烧蚀中图分类号：TB332 文献标志码：A 文章编号：0454–5648(2011)02–0251–05Preparation and Ablation Properties of SiC Modified C/C CompositesWEI LianFeng，LI KeZhi，WU Heng，LI HeJun，WANG Yongjie(C/C Composites Technology Research Center, State Key Laboratory of Solidification Processing, NorthwesternPolytechnical University, Xi’an 710072, China)Abstract: SiC modified carbon fiber reinforced carbon (C/C) composites were prepared by adding SiC micropowder to the carbon fiber preform before thermal gradient chemical vapor infiltration densification by using an ultrasonic vibration infiltration. The mi-crostructure of composites was studied by X-ray diffraction and scanning electron microscopy. The ablation property of the compos-ites was investigated by using oxyacetylene ablation equipment. The results show that, SiC particles are mainly distributed among the pryocarbons. The linear ablation rate and mass ablation rate of the SiC modified C/C composite are 4.0×10–3 mm/s and 3.19×10–3 g/s while after ablated for 30s, which were 47.1% and 70.6% of the C/C composite, respectively. The introduction of SiC particles can obviously improve ablation property of the C/C composite, which is attributed to that the addition of SiC particles to C/C composite can effectively prevent oxidation and remedy defects which reduce thermochemical oxidation in the oxygen–acetylene.Key words: silicon carbide micropowder modification; carbon/carbon composites; preparation; ultrasonic vibration infiltration; ablation碳纤维增强碳基(carbon fiber reinforced carbon，C/C)复合材料由于具有优异的耐高温、抗热震和抗烧蚀性能，被广泛用于火箭发动机喉衬、飞行器鼻锥等高温结构部件[1–4]。

液相浸渍法制备C/C复合材料002-1-7 8:30[关键词]炭素技术材料分析1、前言C/C复合材料具有耐高温、抗腐蚀、热膨胀系数低、热冲击性能好、比强度高、耐疲劳性能好等一系列优点，是固体火箭和航天飞行器理想的热结构材料，其应用已逐渐扩展到汽车刹车片、发热体、人体器官等重要民用领域及飞机盘式制动装置，其总量的60%以上用作飞机刹车盘，C/C复合材料刹车片的热容是钢刹车片的2.5倍以上，同时重量减轻40%，使用寿命延长一倍以上。

在C/C复合材料制备的初级阶段或在后来的炭化阶段，容易在样品中产生孔隙，在制备时，主要产生开孔，而在炭化过程中出现的孔隙是开孔或闭孔，复合材料中所有这些结构缺陷对它的性能产生有害的影响，因此需要通过化学气相沉积(CVD)或用液相浸渍炭化的方法来增密。

这些过程的目标是填充浸渍剂能达到的孔隙，而且必须重复几次才能达到要求的密度、要求的机械性能。

CVD是一种填充小孔的非常有效的工艺，然而，在有大孔的材料中这种技术的缺点是能产生闭孔，液相浸渍使用热固性树脂或煤焦油沥青作浸渍剂，是一种经济、简单的工艺，而且可能避免在加工过程中形成闭孔。

2、浸渍剂目前主要有二类浸渍剂：沥青类和树脂类。

液相浸渍的先驱体应有较高的残炭率，这意味着炭化过程中低的失重。

用于焦炭浸渍的液相先驱体应有较低粘度，对炭基质有很好的润湿性，并需要在炭化前固化，以限制进一步加热过程中液态沥青的流出，浸渍过程的一个重要因素是先驱体能润湿孔壁，沥青有这种性质，就树脂而言，缺少很好的粘结引起在高温处理后，从树脂形成的碳相与孔壁不接触，仅仅填充孔中心，因此需要多次浸渍和炭化完全填充孔隙，而沥青与气孔壁有良好的润湿的粘结性，炭化后残留的炭沿孔壁收缩，有利于二次再浸渍和再炭化。

研究表明：缩短C/C复合材料的耗能过程达到要求的机械性能的方法之一是同时使用这两种浸渍方法。

如果把孔壁上良好的粘结归于沥青、不好的粘结归于树脂，就过于简化了问题，更重要的是纤维的表面活性，可以理解需要多次的浸渍/炭化把孔隙填充完全。

第51卷第2期表面技术2022年2月SURFACE TECHNOLOGY·249·W-SiC-C/C复合材料制备及等离子烧蚀性能王富强1，陈建1，张智2，谢栋2，崔红2（1.西安工业大学 材料与化工学院，西安 710021；2.西安航天复合材料研究所，西安 710025）摘要：目的提高C/C复合材料在超高温下的抗烧蚀性能。

方法采用化学气相沉积法，在C/C复合材料表面制备SiC过渡层，然后以惰性气体保护等离子喷涂工艺在带有SiC过渡层的C/C材料表面制备W涂层，研究所制备的W-SiC-C/C复合材料的微观形貌与结构特征。

以200 kW超大功率等离子焰流，考核W-SiC-C/C 材料的抗烧蚀性能，并与无涂层防护的C/C材料进行对比分析。

结果W涂层主要为层状的柱状晶结构。

W 涂层与SiC过渡层、过渡层与基体界面呈镶嵌结构，结合良好。

SiC过渡层阻止了W、C元素相互迁移与反应。

在驻点压力为4.5 MPa、温度约5000 K、热流密度为36 MW/m2的烧蚀条件下，当烧蚀时间小于10 s 时，涂层对C/C材料起到了较好的保护作用，W涂层发生氧化烧蚀，基体未发现烧蚀，平均线烧蚀率为0.0523 mm/s；当烧蚀时间超过15 s后，涂层防护作用基本失效，基体C/C材料发生烧蚀现象。

结论以W涂层、SiC过渡层为防护的C/C复合材料，能够适用于短时间超高温的烧蚀环境，如固体火箭发动机等。

W 涂层的熔融吸热、氧化耗氧以及SiC过渡层的氧化熔融缓解涂层热应力和氧扩散阻碍的联合作用，提高了C/C材料的抗烧蚀性能。

关键词：W涂层；SiC过渡层；C/C复合材料；等离子喷涂；烧蚀性能；等离子体中图分类号：TG174；TB332 文献标识码：A 文章编号：1001-3660(2022)02-0249-10DOI：10.16490/ki.issn.1001-3660.2022.02.024Preparation and Plasma Flame Ablation Resistance ofW-SiC-C/C CompositesWANG Fu-qiang1, CHEN Jian1, ZHANG Zhi2, XIE Dong2, CUI Hong2(1. School of Materials Sciense and Chemical Engineering, Xi'an Technological University, Xi'an 710021, China;2. Xi'an Aerospace Composites Institute, Xi'an 710025, China)ABSTRACT: This paper aims to improve the ablation resistance of C/C composites at ultra-high temperatures. SiC transition layer was prepared on the surface of C/C composite material by a chemical vapor deposition method, then Tungsten coating was prepared on SiC coated C/C composites by inert gas protecting atmospheric plasma spraying. In this paper, the morphology and composition of the W-SiC-C/C composites were studied, and the ablation resistance of the W-SiC-C/C materials was evaluated by a 200 kW ultra-high-power plasma flame, which was compared and analyzed with C/C materials for coating protection.收稿日期：2021-03-08；修订日期：2021-06-28Received：2021-03-08；Revised：2021-06-28基金项目：国家自然科学基金（51671150）Fund：The National Natural Science Foundation of China (51671150)作者简介：王富强（1981—），男，博士研究生，高级工程师，主要研究方向为C/C材料应用。

CC复合材料HfC抗烧蚀涂层的制备、结构及性能研究的开题报告一、研究背景及意义烧蚀是高温材料所面临的一个严峻问题，主要指材料在高温气体或等离子体环境下遭受氧化、剥离、熔化等热化学反应的损伤。

为了提高高温结构材料的耐烧蚀性能，已经发展了多种抗烧蚀涂层技术。

其中，CC复合材料（C/C复合材料）因其具有高强度、高温稳定性和良好的耐烧蚀性能等优点，已广泛应用于航空、航天、能源等领域。

但是，由于CC复合材料表面易于受到热化学反应的损伤，因此需要在CC复合材料表面设计制备耐烧蚀涂层，以提高其耐高温氧化烧蚀性能。

HfC是一种具有良好高温稳定性和高硬度的陶瓷材料，在高温氧化、烧蚀等恶劣环境下具有良好的抗损伤性能。

因此，将HfC作为抗烧蚀涂层的材料，可以有效提高CC复合材料的耐高温氧化烧蚀性能。

目前，采用热处理或等离子喷涂等方法在CC复合材料表面制备HfC涂层已成为研究热点之一。

本研究旨在采用等离子喷涂技术制备HfC涂层，并研究其制备过程中HfC涂层的结构与形貌，以及涂层与基材之间的界面结合情况及其对涂层的影响。

同时，将对涂层的烧蚀性能、氧化性能和机械性能进行测试，为设计制备温度更高、性能更好的抗烧蚀涂层提供理论基础和实验依据。

二、研究内容和技术路线1. HfC涂层的制备过程采用等离子喷涂技术制备HfC涂层，对不同制备工艺参数的影响进行研究，并选择最优制备参数进行大面积涂层制备。

2. 涂层结构及形貌分析利用扫描电子显微镜（SEM）、透射电镜（TEM）和X射线衍射（XRD）等手段，研究制备的HfC涂层在不同条件下的结构与形貌特征。

3. 界面结合情况分析通过剥离测试、横向切割等分析方法，研究涂层与基材之间的界面结合情况，并探讨不同制备参数对界面结合强度的影响。

4. 涂层性能测试对制备的HfC涂层进行烧蚀性能、氧化性能和机械性能测试，比较不同制备条件下的涂层抗烧蚀、氧化和机械性能，探究涂层性能与结构之间的关系。

三、预期成果及其意义1. 成功制备具有较高性能的HfC涂层通过对等离子喷涂技术制备过程中的参数调控，成功制备出具有良好抗烧蚀、抗氧化和机械性能的HfC涂层。

改性 C／C 复合材料快速制备与抗烧蚀性能考核张虹;白宏德;白书欣;叶益聪;朱利安【摘要】采用液相浸渍法结合反应熔渗法快速制备改性 C ／C 复合材料，研究其微观组织及在氧乙炔焰和高频等离子体风洞环境中的烧蚀行为。

结果表明：改性 C ／C 复合材料主要含有 HfC，ZrC，TaC 等高熔点陶瓷改性相，其密度为3．83 g ／cm3，开孔率仅为4．71％。

氧乙炔焰烧蚀360 s 后，改性 C ／C 复合材料表面形成一层主要由 HfO2，ZrO2，Ta2 O5组成的致密氧化物层，材料的线烧蚀率为0．00518 mm／s。

使用高频等离子体风洞考核改性 C ／C 复合材料球头模型，在热流量3．5 MW／m2、驻点温度2293℃的条件下考核180 s 后，模型表面生成致密光滑的氧化物保护层，与基体结合牢固，模型形状及尺寸无明显改变，去掉氧化物后测得其线烧蚀率为0．00172 mm／s。

%The modified C /C composite was quickly prepared by the approach of liquid impregnation combined with reactive melt infiltration. The microstructure was studied and the ablation behavior exposed under oxyacetylene flame and high-frequency plasma wind tunnel atmosphere was assessed.Results show that many high melting point refractory compounds such as HfC,ZrC,TaC are introduced into the modified C /C composite, the density and open porosity of which are 3.83 g/cm3 and 4.71%,respectively.A compact oxide film generates upon the modified C /C composite after oxyacetylene flame ablated 360 s,which is mainly composed of HfO2 ,ZrO2 and Ta2 O5 .The linear ablation rate of modified C /C composite is 0.005 18 mm /s.The ablation resistance of modified C /C composite bulb model is assessed by high-frequency plasma wind tunnel,the heat flux is 3.53 MW/m2 ,thestagnation temperature is 2293 ℃,and the test duration is 180s.After ablation,a dense oxide protective layer forms on the surface of the model,the shape and the dimension of the model are changed insignificantly,and the linear ablation rate is 0.001 72 mm /s after removing the oxide layer.【期刊名称】《国防科技大学学报》【年(卷),期】2016(000)001【总页数】6页(P20-25)【关键词】改性 C/C 复合材料;抗烧蚀;氧乙炔焰;高频等离子体风洞【作者】张虹;白宏德;白书欣;叶益聪;朱利安【作者单位】国防科技大学航天科学与工程学院，湖南长沙 410073;国防科技大学航天科学与工程学院，湖南长沙 410073;国防科技大学航天科学与工程学院，湖南长沙 410073;国防科技大学航天科学与工程学院，湖南长沙 410073;国防科技大学航天科学与工程学院，湖南长沙 410073【正文语种】中文【中图分类】TB35高超声速飞行器在进行长时间超高声速飞行时，由于气动加热使得飞行器的鼻锥、前缘等部位温度高达2000 ℃以上，对部件材料的抗氧化烧蚀性能和力学性能提出了苛刻要求，要求构件在高温有氧环境下能够保持完整的气动外形，不出现显著烧蚀。

反应熔体浸渗法制备(Zr,Ti)B_2-SiC和(Zr,Hf)B_2-SiC改性C/C复合材料及其抗烧蚀性能研究炭炭（C/C）复合材料具有优异的高温性能,然而C/C复合材料在高温有氧环境中易氧化、烧蚀,大大限制了其广泛应用,通过基体改性技术引入耐高温陶瓷是提高C/C复合材料抗烧蚀性能的有效途径。

本论文首先以锆粉、钛粉为原料,采用反应熔体浸渗法制得了（Zr,Ti）C改性C/C复合材料。

在此基础上,以硼粉和硅粉为包埋粉料,采用包埋法制得了（Zr,Ti）B₂-SiC改性C/C复合材料。

同时,采用反应熔体浸渍结合包埋法制备了（Zr,Hf）B₂-SiC改性C/C复合材料。

采用XRD、SEM、EDS等手段对所制试样的物相组成和微观形貌进行了分析表征,对试样进行了烧蚀性能测试。

研究结果及结论如下:（1）熔渗温度对（Zr,Ti）C改性C/C复合材料的抗烧蚀有显著影响。

随着熔渗温度的升高,所制试样的抗烧蚀性能呈现先上升后降低的趋势,当熔渗温度为2200oC时制备的试样具有相对较好的抗烧蚀性能,烧蚀30 s后的质量烧蚀率和线性烧蚀率分别为1.16 mg·s^-1和1.06μm·s^-1。

这主要与在烧蚀过程中生成较多的ZrTiO₄将ZrO₂紧密粘接在一起,在试样表面形成一层连续致密的氧化物保护层有关。

（2）同时引入B和Si制备的（Zr,Ti）B₂-SiC改性C/C复合材料具有相对较好的抗烧蚀性能,烧蚀120 s后,其质量烧蚀率和线性烧蚀率分别为0.74 mg·s^-1和1.18μm·s^-1;而单独引入B的试样在相同条件下烧蚀120 s后的质量烧蚀率和线性烧蚀率分别为2.61mg·s^-1和3.74μm·s^-1,单独引入Si的试样在烧蚀120 s后的质量烧蚀率和线性烧蚀率分别为2.29 mg·s^-1和4.55μm·s^-1。