3篇頂刊！成都理工大學何秦川團隊在復合材料抗燒蝕方面獲重要進展
2023-08-02 14:54:47
作者：材料基 來源：材料基
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隨著高超音速飛行器和航天飛機的快速發展，需要熱保護系統材料（如鋒利的前緣和鼻尖）來抵抗高溫氧化、更惡劣的熱沖擊以及燃燒氣流的燒蝕。碳/碳（C/C）復合材料由于密度低、熱導率高、熱膨脹系數小以及高溫下機械強度高，因此，在改善飛行器機體結構，提高飛行器綜合性能等方面有著自身特有的貢獻，是發展國防軍工與國民經濟的重要戰略材料。然而，C/C復合材料在450 °C以上的含氧環境中容易氧化，其次，在服役過程中會面臨高溫、高速氣流帶來的燒蝕沖擊，導致其氧化腐蝕和機械剝蝕，嚴重影響其服役可靠性和穩定性。因此，解決C/C復合材料的燒蝕失效問題以適應惡劣的使用環境至關重要。目前可用的主要方法是對碳基體進行改性以及在表面涂覆抗氧化層。在可做改性成分的材料中，研究者們發現通過將超高溫陶瓷（如：鉿，鋯，鉭的碳化物，硼化物和氮化物等）中的一種或多種引入C/C基體內可以極大提升復合材料的耐燒蝕性能，這是因為超高溫陶瓷具有耐燒蝕，熔點高，高的強度和硬度，耐高溫氧化等優良特性。與其他超高溫碳化物相比，HfC具有最高的熔點（3900 ℃）、高導熱性（22 W/m ℃）、良好的化學穩定性、優異的耐腐蝕性和耐磨性，而受到學者們的廣泛關注。此外，其氧化產物 HfO2的熔點超過2800 ℃。同時，將具有合適熱膨脹系數的SiC（CTE：3.7-4.5×10-6/℃））作為抗氧化劑和密封劑與HfC（CTE：6.7×10-6/℃）一同引入C/C基體（CTE：1×10-6/℃），極大優化了HfC與碳基體之間的熱失配問題，在已有的研究工作中C/C-SiC-HfC復合材料表現出較好的耐燒蝕性能。然而，C/C-SiC-HfC復合材料的耐燒蝕性能仍不是最優選擇。這是由于SiO2作為SiC的氧化產物，熔點和粘性較低，在氧乙炔燒蝕過程中的高溫和高速氣流作用下被蒸發消耗和剝離。且HfC氧化后形成的多孔HfO2難以阻擋含氧高溫氣流向基體內部的侵蝕。實際上，HfC的氧化發生在燒蝕的初始階段，在燒蝕結束后的冷卻過程中HfO2的晶型發生了從立方相-四方相-單斜相的轉變，體積的膨脹不可避免產生應力而引起氧化層的大面積剝落。基于此，成都理工大學何秦川團隊提出了用莫來石改性C/C-SiC-HfC復合材料，并研究了其在不同氧乙炔燒蝕條件和燒蝕模式下的耐燒蝕機理。
1、Corrosion Science，222，2023
在發表于Corrosion Science題為“Effect of mullite content on microstructure and ablation behavior of mullite modified C/C-SiC-HfC composites“的相關論文中，通過前驅體浸漬裂解法(PIP)制備了不同莫來石含量改性的C/C-SiC-HfC復合材料，并在4.18MW/m2熱通量的氧乙炔火焰條件下燒蝕60 s，研究了不同含量的莫來石改性對復合材料的成分、微觀結構和燒蝕行為的影響。結果表明，莫來石含量不足和過量都限制了耐燒蝕性的改善。過低的莫來石含量難以促進HfSiO4高粘玻璃相在燒蝕表面的形成，愈合劑的不足難以修復表面缺陷而形成多孔的氧化物層。而過高含量的莫來石引起燒蝕表面溫度的激增，更高的溫度造成SiO2液相的大量蒸發消耗和大量缺陷。在莫來石含量為8.88 wt%時，復合材料表現出相對較好的耐燒蝕性，添加適量的莫來石可促進在燒蝕表面形成致密的Hf-Si-O多相氧化物層。https://doi.org/10.1016/j.corsci.2023.111405圖 2（a-d）不同莫來石含量復合材料燒蝕后宏觀燒蝕面圖和（e）燒蝕過程中復合材料表面溫度曲線。在發表于Journal of the European Ceramic Society題為“Ablation behavior of mullite modified C/C-SiC-HfC composites under oxyacetylene torch for single and cyclic ablations with two heat fluxes “的相關論文中，為了研究前驅體浸潤熱解法制備的莫來石改性 C/C-SiC-HfC 復合材料的燒蝕機理，分別在 2.38 和 4.18 MW/m2 的熱通量下進行了 60 秒的單次燒蝕和 30 s × 3 的循環燒蝕。結果表明，燒蝕溫度在燒蝕過程中起著至關重要的作用。在較低的熱通量條件下，單次燒蝕行為主要受氣態氧化產物逸出和輕微氣流侵蝕的影響，而循環燒蝕主要受加熱-冷卻過程中結晶轉化引起的應力影響。在較高的熱通量條件下，HfO2和SiO2之間的界面逐漸生成HfSiO4，從而穩定了HfO2的結晶。較高熱通量下的燒蝕行為主要受到熱應力和高速氣流機械力的影響。https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2023.06.058
在發表于Journal of the European Ceramic Society題為“Cyclic ablation behavior of mullite-modified C/C-HfC-SiC composites under an oxyacetylene flame at about 2400 °C “的相關論文中，研究了莫來石改性 C/C-HfC-SiC 復合材料在4.18MW/m2氧乙炔燒蝕火焰下30 s × 3的循環燒蝕機理。在循環燒蝕過程中，SiO2包裹HfO2的多孔骨架和HfO2-SiO2致密層分別在第一次燒蝕30 s后，復合材料的中心區和過渡區發揮了重要作用。隨后，在第二次燒蝕30 s后，結構逐漸轉變為包裹碳纖維的HfSiO4結構和“島”形的HfO2-HfSiO4-SiO2層。然后，在第三次燒蝕30 s后，兩種結構都發生了嚴重的HfSiO4剝離和SiO2消耗。其中，在第一個燒蝕過程中起主導作用的是HfC和SiC的大量氧化，而第二個和第三個燒蝕過程則是機械沖刷。莫來石的引入為HfSiO4和玻璃相的形成提供了充足的SiO2，與HfSiO4耦合，增加了液相的粘度和熱氧阻隔性能。https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2023.03.057圖1 循環燒蝕過程莫來石改性C/C-SiC-HfC復合材料的燒蝕機理圖。
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