碳纤维增强多层结构超高温陶瓷基复合材料的设计、制备和抗氧化机理研究

由于超高温陶瓷具有优异的高温抗氧化和耐烧蚀特性，使其在超高温极端环境下有良好的应用前景。利用超高温陶瓷优异性能的重要途径之一是将超高温陶瓷作为纤维增强陶瓷基复合材料的基体。基于化学气相渗透方法可对复合材料基体进行精确剪裁的特性，本项目拟采用化学气相渗透方法为主要的致密化方法，制备基体具有多层结构的C/HfB2-HfC-SiC超高温陶瓷基复合材料。为初步获取适于HfB2化学气相渗透的工艺条件，首先对HfB2的化学气相沉积动力学进行系统研究，并获得不同工艺条件下的沉积产物的物理和化学状态特征；化学气相沉积HfB2、HfC、SiC为组分的多层涂层，通过涂层显微结构和性能的表征，优选 C/HfB2-HfC-SiC的基体结构；在基体结构优化的基础上，主要利用化学气相渗透制备C/HfB2-HfC-SiC，得到具有多重抗氧化机制的复合材料；通过高温氧化和烧蚀试验，研究其显微结构演化规律和抗氧化机理。

由于超高温陶瓷具有高熔点和优异的高温抗氧化特性，使其成为应用于极端高温环境下的候选材料。利用超高温陶瓷优异性能的重要途径之一是将超高温陶瓷作为纤维增强陶瓷基复合材料的基体。化学气相沉积/渗透是制备高温抗氧化涂层和陶瓷基复合材料的重要方法，对涂层和复合材料基体可进行精确剪裁。本项目系统研究了HfC、HfB2的化学气相沉积热力学和沉积行为；获得了含有SiC、HfC、HfB2等组分的多种超高温陶瓷涂层结构，考察了其静态抗氧化性能和耐烧蚀性能；制备了多种超高温陶瓷基复合材料结构，初步获得了具有层状结构的碳纤维增强超高温陶瓷基复合材料；开展了原位形成一维结构微区强韧化超高温陶瓷涂层研究，并推广该思路至碳化硅基复合材料。研究发现：（1）HfC和HfB2的化学气相沉积行为具有极大的差异。相对于HfC，获得均一的HfB2涂层难度较大，对基材位置、温度、气流状态等因素非常敏感；相对于HfC，难于利用化学气相渗透获得均一的陶瓷基体。（2）SiC、HfC、HfB2的空间结构对于材料的抗氧化性能和抗烧蚀特性具有较大的影响。对于可快速升到超高温区域情形，含有HfC的材料结构具有较好的耐氧化和抗烧蚀特性；而HfB2的材料结构则具有较宽的抗氧化和耐烧蚀温度窗口。（3）涂层和基体的微区强韧化有助于提高材料的综合性能。