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1、題目：碳纖維增強陶瓷基復合材料抗氧化研究學生：學號：院（系）：材料科學與工程學院專業(yè)：無機非金屬材料工程指導教師：2013年05月22日碳纖維增強陶瓷基復合材料抗氧化研究（陝西科技大學710021）摘要：碳纖維增強陶瓷基復合材料(CFRCMCs)具有良好的高溫力學性能和熱性能，是航空航天領域非常理想的熱結構材料．但CFRCMCs中的碳纖維極易發(fā)生氧化，因此CFRCMCs的氧化防護問題一直是CFRCMCs研究的熱點。文章對碳纖維改性、基體抗氧化技術、界面層抗氧化技術和表面涂層技術這四種CFRCMCs的
2、抗氧化技術及其原理進行了評述，分析了各類抗氧化技術的特點并對其發(fā)展趨勢進行了展望．關鍵詞:碳纖維;陶瓷基復合材料;抗氧化涂層,氧化保護1前言碳纖維增強陶瓷基復合材料（ＣＦＲＣＭＣｓ）由于具有高比強度、高比模量、耐腐蝕、耐高溫、低密度等優(yōu)良特性，特別是擁有良好的高溫力學性能和熱性能，在惰性環(huán)境中超過2000e仍能保持強度、模量等力學性能不降低,擁有良好的斷裂韌性和耐磨性能、低線膨脹系數、高熱導率、高氣化溫度和良好的抗熱震性能【1】，成為航空航天領域非常理想的熱結構材料。但是，在氧化氣氛下，碳纖維增強陶
3、瓷基復合材料中碳質材料在４００℃左右發(fā)生氧化，使其優(yōu)異性能難以在高溫下長時間保持。而碳纖維增強陶瓷基復合材料的許多應用環(huán)境都是具有氧化氣氛的。因此，它們在氧化氣氛中的表現（包括氧化失重、機械性能的持久性等）及氧化氣氛中的氧化保護一直是科研工作者非常關注的問題【2】。碳纖維增強陶瓷基復合材料的抗氧化性研究主要集中在兩個方面:(1)通過對基體材料的處理來增強材料的抗氧化性能,如殷小瑋等通過在基體孔隙中滲入融熔Si和Cr反應生成Cr3Si來增強抗氧化性能;S.Labruqure等通過在碳纖維表層形成B化合
4、物膜層來增強材料抗氧化性能;(2)通過整體抗氧化涂層增強材料的抗氧化性能。在兩種處理方式中,整體抗氧化涂層更為有效。本文僅對整體抗氧化涂層的發(fā)展進行綜述和展望?！?】2抗氧化涂層的要求抗氧化涂層的基本功能是將基體材料與外部的氧化性氣氛隔離。要有效地實現其隔離功能,抗氧化涂層體系必須滿足一些基本要求:(1)涂層材料在所保護溫度圍穩(wěn)定,涂層體系和基體材料有良好的粘接作用,涂層與基體及涂層與涂層之間不剝落(分離);(2)涂層材料與基體間有相近的線膨脹系數(CTE);(3)涂層材料氧和碳的擴散系數低;(4)
5、涂層材料與基體間有好的化學和物理相容性;(5)作為結構部件使用通常會受熱流的沖蝕,在這種環(huán)境中使用涂層材料必須有良好的抗沖蝕性能等等【4】。3抗氧化涂層的材料組成3.1抗沖蝕層材料抗沖蝕層的功能是阻擋氧氣進入材料內部,抵抗氣流沖蝕?？箾_蝕層的材料最常用的是SiC和Si3N4。SiC沒有熔點,在2100e由B相轉變?yōu)锳相,在(2830?40)e分解;Si3N4熔點為1900e。兩者都有極好的抗氧化功能和高溫下極低的揮發(fā)性,同時SiC和Si3N4都有極高的硬度和抗沖蝕強度。另外Al2O3、Y2O3、Ta
6、2O5、Si2N2O、ZrO2和莫來石(3Al2O3#2SiO2)等氧化物陶瓷也可作外層涂層材料。3.2功能層材料功能層的作用是形成玻璃態(tài)可流動物質封填涂層微裂紋,阻止氧的進入。目前常用的功能層材料是能氧化形成玻璃態(tài)物質的化合物,B4C、TiB2、Si-B、Si-W、Si-Hf、Si-Zr等。Courtois等通過CVD沉積TiB2于SiC外層下保護C/SiC,是在700e~1100e有前途的封填材料。硼化硅有一個獨特的優(yōu)點,被氧化后形成硅酸硼玻璃而沒有其它產物,產物能通過硼化物的組成來確定,這意味
7、著可以為特定的溫度范圍設計功能層材料[25]。MoSi2也被用作功能層材料,氧化生成揮發(fā)性的MoO3和玻璃質的SiO2。3.3粘接層材料粘接層的功能是粘接基體與涂層系統(tǒng),減少涂層與基體間的線膨脹系數不匹配的影響,阻擋基體宇航材料工藝2003年第6期材料組成元素向外擴散。粘接層材料最常用的是SiC和Si3N4,它們有與基體材料相近的線膨脹系數,為了降低線膨脹系數,可以在制備涂層時加入低線膨脹系數的材料,如BN和石英等【5】。4、ＣＦＲＣＭＣｓ的氧化防護ＣＦＲＣＭＣｓ的氧化保護是近年來復合材料研究的熱點
8、之一。ＣＦＲＣＭＣｓ的氧化防護研究主要從４個方面展開：（１）從碳纖維方面考慮，對碳纖維改性，提高纖維自身的抗氧化能力；（２）從基體方面考慮，采用抗氧化的基體材料或通過在基體中添加適當的添加劑制備裂紋可自愈合的基體；（３）從界面層考慮，為復合材料研制抗氧化界面層；（４）從材料表面著手，為ＣＦＲＣＭＣｓ設計合適的抗氧化涂層?！?】4.１ 碳纖維改性ＣＦＲＣＭＣｓ在高溫氧化氣氛中的氧化損傷實質上是由碳纖維的氧化所引起，因此通過采取一定的措施，提高碳纖維自身的抗氧化能力，是提
