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            湖南華威景程材料科技有限公司

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            這種陶瓷材料,對航空航天技術的發展意義重大

            2020-11-20 09:50:18

            超高溫陶瓷基復合材料是指在2000℃以上的高溫環境下能保持物理化學性能穩定的、以陶瓷相為基體的高溫結構材料,具有密度小、耐磨損、高溫物理性能優異、熱化學穩定性好、抗熱震性能良好等突出優勢,超高溫陶瓷基復合材料被認為是制造航天器熱防護部件*具前景的材料。


            這種陶瓷材料,對航空航天技術的發展意義重大


            超高溫陶瓷基復合材料


            碳化物陶瓷基復合材料

            超高溫碳化物陶瓷主要包括碳化鋯(ZrC)、碳化鉿(HfC)、碳化鉭(TaC)、碳化鈦(TiC)等,具有熔點高、高溫強度高、導電導熱性能優異以及抗熱沖擊性能好等優勢;但是,由于其脆性大以及抗氧化性能不足,因此常加入碳化硅(SiC)、硼化鋯(ZrB2)、氧化鋯(ZrO2)、硅化鉬(MoSi2)、鉬(Mo)金屬、石墨(Cg)等顆粒增強其力學性能,改善其抗氧化以及燒結性能。常見的碳化物陶瓷基復合材料有ZrC-SiC、ZrC-ZrB2、ZrC-ZrO2、ZrC-MoSi2、ZrC-Mo、ZrC-SiC-Cg、HfC-SiC、TaC-SiC、TiC-SiC等。


            硼化物陶瓷基復合材料


            超高溫硼化物陶瓷主要包括硼化鋯(ZrB2)、硼化鉿(HfB2)、硼化鉭(TaB2)和硼化鈦(TiB2)等。超高溫硼化物陶瓷中有較強的共價鍵,具有高熔點、高強度、熱導率和電導率大、蒸發率小的優勢,但共價鍵較強的特性使材料致密化燒結困難,材料高溫抗氧化性能也有待提高。ZrB2和HfB2是研究*為廣泛的超高溫硼化物

            陶瓷。通過添加SiC制備ZrB2-SiC、HfB2-SiC復合材料,可以獲得較高的二元共晶溫度,改善材料的力學和抗氧化性能。


            連續纖維增韌陶瓷基復合材料


            連續纖維增韌陶瓷基復合材料是指以超高溫陶瓷或復相陶瓷為基體,如ZrC、ZrB2、HfC、HfB2、TaC、ZrC-SiC、ZrB2-SiC、HfB2-SiC、ZrB2-ZrC-SiC等,以耐高溫纖維為增強體,如碳纖維(Cf)、碳化硅纖維(SiCf)等,形成的具有高強度、高韌性、密度小、耐高溫等優異性能的超高溫復合材料。


            超高溫陶瓷基復合材料的制備


            目前,碳化物、硼化物超高溫陶瓷基復合材料常用的制備方法有無壓燒結法、熱壓燒結法、反應熱壓燒結與放電等離子燒結法等。


            無壓燒結(PS):無壓燒結是在常壓下對原料進行加熱成型,是一種*簡單的燒結方法,適用于不同形狀、尺寸構件的制備,溫度便于控制,但是得到的材料致密度較低,原料粒度和燒結助劑對材料致密度的影響很大。


            熱壓燒結:熱壓燒結是將原料粉體填充進模具內,從單軸方向同時進行加壓、加熱的燒結方法,此方法法工藝成本較高,而且制備的材料尺寸有限,因此其應用受到一定的限制。


            反應熱壓燒結:反應熱壓燒結是利用原料之間的化學反應并結合熱壓燒結工藝形成的一種燒結工藝,此方法的燒結溫度較低,材料致密度高,無需進行粉體制備,成本相對較低。


            放電等離子燒結:放電等離子燒結是將高能脈沖電流通入裝有粉體的模具上,在粉體顆粒間產生等離子體放電進行加熱燒結,是一種燒結溫度低、速度快、致密化程度高的燒結工藝,但在實際應用中對于大尺寸樣品燒結溫度的不均勻分布制約了此技術的應用。


            目前,纖維增強陶瓷基復合材料的制備方法有:先驅體浸漬裂解法(PIP)、反應熔體浸滲法(RMI)、化學氣相滲透法(CVI)、泥漿法(SI)等。


            先驅體浸漬裂解法(PIP):先驅體浸漬裂解法又稱聚合物浸漬裂解法或先驅體轉化法,其一般過程是:以纖維預制件等為骨架,浸漬聚合物為先驅體,在惰性氣體保護下使其交聯固化,然后在一定氣氛中進行高溫裂解,從而得到陶瓷基復合材料。此方法的優點是:先驅分子可設計,進而實現對*終復合材料陶瓷基體組成、結構與性能的控制;制備溫度低,設備要求簡單;可制備大型復雜形狀的結構件,能夠實現凈成型。但也存在孔隙率高,制備周期較長等缺點。


            反應熔體浸漬法(RMI):反應熔體浸漬法是在高溫條件下將熔融金屬滲入多孔的預制件中(一般為C/C預制件)隨后與預制件中的C反應生成陶瓷基體。其一般過程為:對纖維預制體進行部分致密化,*后用熔融金屬進行浸滲,熔融金屬和基體碳反應后得到高致密度的碳化物基體。此方法法制備周期短,成本較低,材料致密度高,基體組成可進行調節;但是,由于浸漬溫度高,因此易損傷纖維。


            化學氣相滲透法(CVI):化學氣相滲透法是將纖維預制件放入特制爐中,氣相前驅體隨壓力差擴散至預成型體周圍并通過孔隙擴散進入內部,在孔隙內反應生成產物沉積下來的方法。該方法具有以下優點:可在較低溫度下制備熔點較高的陶瓷基復合材料;可用于制備尺寸較大、結構復雜的陶瓷基復合材料構件;制備過程中壓力較低,對纖維的機械損傷較??;可制備各類陶瓷基體,適用范圍廣。


            泥漿法(SI):泥漿法是將所需的陶瓷粉體制成泥漿,然后引入至纖維預制件中,隨后高溫燒結得到連續纖維增強陶瓷基復合材料,可根據漿料的引入方式分為漿料浸漬法和漿料涂刷法。漿料浸漬法可以促進陶瓷粉體的分散,提高復合材料綜合性能,但是泥漿中粉體分布很難均勻化,導致材料力學性能不均勻、抗氧化性能較差、易出現相分離等缺陷。


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