CC复合材料烧蚀形貌测量及烧蚀机理分析

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]。

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。

CC复合材料烧蚀行为的数值模拟的开题报告题目：CC复合材料烧蚀行为的数值模拟一、研究背景CC复合材料是一种具有优异性能的高温结构材料，广泛应用于推进及航空航天领域。

然而，在高温环境下，CC复合材料受到烧蚀的影响，从而降低了其使用寿命。

针对这一问题，采用数值模拟方法研究CC复合材料的烧蚀行为是一种有效的手段。

通过模拟材料的热传导、质量传输和化学反应过程，可以分析并预测材料烧蚀的机理与规律，为材料设计与优化提供可靠的理论支持。

二、研究目的本研究旨在探究CC复合材料的烧蚀行为，通过数值模拟热传导、质量传输和化学反应过程，以获取以下信息：1. CC复合材料在高温环境下的烧蚀机理与规律。

2. 烧蚀速率与温度、压力、气体成分等因素的关系。

3. CC复合材料烧蚀过程中表面形貌、结构和力学性能的变化规律。

三、研究内容1. 对CC复合材料的基本性质和烧蚀机理进行深入了解，建立数学模型。

2. 利用COMSOL Multiphysics等数值模拟软件，模拟热传导、质量传输和化学反应过程。

3. 分析烧蚀速率与温度、压力、气体成分等因素的变化规律。

4. 分析烧蚀过程中CC复合材料表面形貌、结构和力学性能的变化规律。

5. 确定CC复合材料烧蚀过程中最优的防护措施。

四、研究方法本研究采用数值模拟方法，建立CC复合材料烧蚀实验模型，研究其热传导、质量传输和化学反应过程，利用COMSOL Multiphysics等数值模拟软件对烧蚀机理进行模拟并分析其变化规律。

五、研究意义1. 该研究有利于加深人们对CC复合材料烧蚀机理和规律的认识，为材料设计和应用提供可靠的理论基础。

2. 研究烧蚀速率与温度、压力、气体成分等因素的关系，有助于制定更为科学的材料应用和保护措施。

3. 通过研究烧蚀过程中CC复合材料表面形貌、结构和力学性能的变化规律，可为材料匹配和应用提供参考。

六、预期成果本研究预期得到CC复合材料烧蚀机理和规律的系统研究，并得到以下成果：1. 建立CC复合材料烧蚀模型，并确定其烧蚀速率。

改性C/C复合材料超高温氧化烧蚀机理研究的开题报告一、选题背景与意义改性C/C复合材料具有轻质、高强度、高温耐性、耐氧化等优点，广泛应用于航空、航天、能源等领域。

但是，在极高温度下，C/C复合材料会发生氧化烧蚀，降低其力学性能和使用寿命。

因此，针对C/C复合材料的氧化烧蚀问题进行研究，具有重要的现实意义。

二、研究目的本研究旨在通过实验和数值模拟，深入探究改性C/C复合材料在超高温条件下的氧化烧蚀机理和规律，为该材料的应用和改进提供理论和实践支持。

三、研究内容1.改性C/C复合材料的组成、结构和物理性质研究；2.超高温氧化烧蚀实验的设计和实施；3.通过扫描电镜（SEM）、能谱分析仪（EDS）、X射线衍射（XRD）等现代实验手段，研究氧化烧蚀过程中C/C复合材料的微观变化和结构特征；4.利用数值模拟方法，建立C/C复合材料高温氧化烧蚀数学模型，探究烧蚀机理和规律。

四、研究计划1. 第一年：(1)文献研究和材料试制；(2)研究C/C复合材料的组成、结构和物理性质；(3)设计超高温氧化烧蚀实验；(4)开展超高温氧化烧蚀实验，分析烧蚀程度、烧蚀速率等参数。

2. 第二年：(1)使用SEM、EDS、XRD等实验手段研究氧化烧蚀过程中C/C复合材料的微观变化和结构特征；(2)分析实验数据，总结分析烧蚀机理和规律；(3)建立C/C复合材料高温氧化烧蚀数学模型。

3. 第三年：(1)验证模型的可行性，进一步优化模型；(2)撰写研究报告；(3)发表学术论文。

五、预期成果1.对C/C复合材料的组成、结构和物理性质进行了深入研究；2.设计并实施了超高温氧化烧蚀实验；3.利用SEM、EDS、XRD等多种手段，研究了氧化烧蚀过程中C/C 复合材料的微观变化和结构特征；4.建立高温氧化烧蚀数学模型，揭示了烧蚀机理和规律；5.撰写研究报告，发表学术论文，提高C/C复合材料在超高温领域的应用水平。