化学气相沉积工艺制备抗氧化C/C-ZrC-SiC/ZrC-SiC复合材料研究

In order to improve the oxidation resistance of carbon/carbon (C/C) composites above 1700℃, a novel oxidation resistance C/C-ZrC-SiC/ZrC-SiC composite materials are proposed. Firstly, the pyrolytic carbon，ZrC and SiC ceramics are deposited among the carbon fabric perform,the C/C-ZrC-SiC composites with the controllable composition and distribution of pyrolytic carbon,ZrC and SiC cermaics can be obtained. To improve the oxidation reisitance of C/C-ZrC-SiC composites furtherly, the ZrC-SiC gradient multilayer coating are prepared on the surafce of the composites by contrlling the allowance of the precursor. The mismatch of the coefficient of thermal expansion between the ZrC and composites can effectively be relaxed and the cracking and spalling of the coating can be avioded. The preparation processing and formation mechanism of the designed C/C-ZrC-SiC composites and the ZrC-SiC gradient multilayer coating will be investigated.The effect of the ZrC and SiC in and on the surface of C/C composites and the physical and chemistry compatibility among these components are analyzed. The relationship between the microstructure,properties and the composition and distribution of ZrC,SiC ceramic and the pyrolytic carbon, the interfaces and the kind of the pyrolytic carbon will be established. The oxidation mechanism of the C/C-ZrC-SiC composites with ZrC-SiC gradient coating in several service environments will be investigated. The above research can lay a theoretical foundation for the application of this composites in the enviroment of high-speed air flow wasthout at ultrahigh temperature.

本项目针对炭/炭(C/C)复合材料1700℃以上高温氧化烧蚀难题，提出一种新型抗氧化C/C-ZrC-SiC/ZrC-SiC复合材料,即首先采用化学气相沉积工艺(CVD)在炭纤维预制体内沉积热解炭、ZrC及SiC，获得组元成分及分布可控的C/C-ZrC-SiC复合材料；为进一步提高复合材料的抗氧化烧蚀性能，再通过控制前驱体的供给量，同样采用CVD工艺在复合材料表面制备ZrC-SiC梯度涂层，旨在缓解ZrC与复合材料之间的热膨胀失配，避免涂层的开裂与剥落。研究复合材料及其表面涂层的制备工艺条件和形成机理，阐明ZrC和SiC在C/C内部及表面的作用机制和各组元之间的物理化学相容性规律，确立各组元分布及比例、界面状态及热解炭组织结构与复合材料微观结构及性能之间的关系，揭示复合材料在不同服役环境下的氧化烧蚀及损伤机理，为拓展该复合材料在超高温高速气流冲刷环境下的应用奠定理论基础。

本项目针对炭/炭(C/C)复合材料1700℃以上高温氧化烧蚀难题，提出了一种新型抗氧化C/C-ZrC-SiC/ZrC-SiC复合材料，即首先采用化学气相沉积工艺(CVD)在炭纤维预制体内沉积热解炭、ZrC及SiC，获得组元成分及分布可控的C/C-ZrC-SiC复合材料；为进一步提高复合材料的抗氧化烧蚀性能，再通过控制前驱体的供给量，同样采用CVD工艺在复合材料表面制备ZrC-SiC梯度涂层，旨在缓解ZrC与复合材料之间的热膨胀失配，避免涂层的开裂与剥落。本项目获得了复合材料及其表面涂层的制备工艺条件和形成机理，阐明了ZrC和SiC在C/C内部及表面的作用机制和各组元之间的物理化学相容性规律，确立了各组元分布及比例、界面状态及热解炭组织结构与复合材料微观结构及性能之间的关系，揭示了复合材料在不同服役环境下的氧化烧蚀及损伤机理，发现烧蚀过程中，ZrO2层和ZrCxOy层有效阻碍了氧气在涂层中的扩散，且削弱了火焰对涂层的机械剥蚀作用，有效提高了复合材料的抗烧蚀性能。. 以本项目理论成果为重要支撑，梯度涂层结构设计应用于某重大专项组合发动机C/C复合材料喷油支板涂层，在2527℃、来流加水22g/s的苛刻水/氧环境下考核650秒，最大烧蚀仅0.09mm，满足了组合发动机燃烧室高温支板长时间抗氧化耐烧蚀的苛刻要求。项目成果为解决C/C复合材料1700℃以上抗氧化烧蚀提供了一条新的思路，为拓展该复合材料在超高温高速气流冲刷环境下的应用奠定理论基础。. 本项目相关理论成果发表SCI收录论文31篇、授权发明专利6项，培养研究生5名。以部分理论成果为重要支撑，获2013年教育部技术发明一等奖及国家自然科学二等奖各一项。