安 娜

(西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 航空材料工程學(xué)院，陜西 西安 710089)

碳基復(fù)合材料一般是指以碳纖維或者碳化硅作為增強(qiáng)體加入到碳基材料中所制備的復(fù)合材料，而C/C復(fù)合材料就是碳基復(fù)合材料中的一種[1]。碳/碳復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、高模量、高韌性、隔熱抗輻射等諸多優(yōu)越性能，是航空航天領(lǐng)域中使用的重要材料，長期以來C/C復(fù)合材料一直存在一個研究問題,就是在富氧超高溫環(huán)境下其表面的氧化燒蝕比較嚴(yán)重(見圖1)。研究表明，如果C/C復(fù)合材料表面氧化失重為1%時，其材料的強(qiáng)度將下降10%；當(dāng)氧化失重達(dá)到10%時，其材料強(qiáng)度急速下降至50%。而目前來說C/C復(fù)合材料主要用于飛行器(火箭內(nèi)部發(fā)射器、洲際導(dǎo)彈、特種飛機(jī)等)，其服役的環(huán)境極其惡虐，在飛行器穿越大氣層過程中，復(fù)合材料就會受到非常大的影響。長期以來如何改善C/C復(fù)合材料的性能一直是研究的熱點(diǎn)[2-4]。

圖1 C/C復(fù)合材料表面燒蝕圖片

本文通過介紹C/C復(fù)合材料表面燒蝕機(jī)理，從實(shí)驗(yàn)和計算機(jī)模擬兩方面分別介紹了目前對于C/C復(fù)合材料燒蝕問題的研究及解決的最新研究進(jìn)展，從而為C/C復(fù)合材料下一步的研究和應(yīng)用提供一定的理論學(xué)術(shù)參考意見。

1 C/C復(fù)合材料表面燒蝕機(jī)理

C/C復(fù)合材料在隔絕氧氣的條件下可保持3 000 K以上的高溫穩(wěn)定性，這對于宇宙飛船來說是非常好的外層材料，但在含氧條件下，溫度為673 K時將會發(fā)生緩慢氧化過程[5]。C/C復(fù)合材料是一種碳纖維增強(qiáng)的碳基復(fù)合材料，其氧化過程是一種非碳化氣相反應(yīng)過程，圖2為其氧化機(jī)理示意圖。由于經(jīng)過碳纖維復(fù)合的材料其表面本身存在大量的缺陷及活性位點(diǎn)，在氧氣條件下這些活性位點(diǎn)極易吸附大量的氧氣分子，在一定溫度條件下氧氣分子將會和表面的活性位點(diǎn)中暴露的碳元素發(fā)生氧化反應(yīng)：C+O2=CO2、2C+O2=2CO，這就是所謂的表面燒蝕反應(yīng)。在反應(yīng)結(jié)束后CO和CO2會在材料表面留下孔洞，這些孔洞降低了材料的強(qiáng)度也使得燒蝕逐漸向著材料內(nèi)部進(jìn)行[6-7]。如果要解決C/C復(fù)合材料表面燒蝕的問題就必須減少其表面的活性位點(diǎn)，從而阻隔其與氧氣的接觸反應(yīng)。

圖2 C/C復(fù)合材料表面氧化機(jī)理示意圖

2 C/C 復(fù)合材料燒蝕研究進(jìn)展

對于C/C復(fù)合材料的研究可以追溯至20世紀(jì)80年代，CHANG H W課題組和Han課題組都對C/C復(fù)合材料表面的燒蝕機(jī)理和理論模型進(jìn)行了早期的研究[8-9]。 JOHN D BUCKLEY 等[10]系統(tǒng)地研究了在富氧條件下復(fù)合材料表面的氧化侵蝕機(jī)理。王臣等[11]采用計算流體力學(xué)軟件對燒蝕后材料的形貌及流場的變化情況進(jìn)行了模擬的研究，并提出了C/C復(fù)合材料在高溫流場侵蝕下材料的損傷變化機(jī)理。LABORDE 等[12]等人采用Abaqus軟件對C/C復(fù)合材料模型高溫下的熱力學(xué)進(jìn)行了模擬研究，從而對不同溫度對材料損傷情況，燒蝕位點(diǎn)進(jìn)行了有效的分析預(yù)測。

在實(shí)驗(yàn)方面，KOJI FUJIMOTO 等人[13]采用高溫等離子噴射的方式系統(tǒng)研究了不同溫度下材料所發(fā)生的氧化現(xiàn)象。XIANG GUO等[14]為了解決材料的高溫穩(wěn)定性問題，將ZrB2和SiC粉體混合料漿涂抹于C/C復(fù)合材料表面并進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，形成的保護(hù)膜可以使復(fù)合材料在1 500 ℃氧化30 min后僅失重0.06%，圖3為材料的制備流程圖和形貌圖。J P Goulmy[15]等人采用XRD研究了不同溫度下C/C/SiC的氧化過程。

圖3 涂層制備過程示意圖

Peipei Wang等人[16]采用原位合成法在SiC涂層C/C復(fù)合材料表面制備了HfB2。研究了涂層C/C試樣在1 773、1 873和1 973 K下的抗氧化性能。結(jié)果表明，HfB2梯度改性SiC涂層具有優(yōu)良的抗氧化性能，在1 773、1 873和1 973 K溫度下可分別在800、305和100 h保護(hù)C/C基體,圖4為其復(fù)合涂層薄膜示意圖。

圖4 HfB2-SiC多層膜梯度涂層示意圖

3 研究展望及總結(jié)

本文從C/C復(fù)合材料存在的表面燒蝕機(jī)理出發(fā)，指出了C/C復(fù)合材料存在氧化燒蝕問題的所在，同時分別從計算機(jī)模擬和實(shí)驗(yàn)兩方面總結(jié)了目前針對于C/C復(fù)合材料表面燒蝕問題研究的進(jìn)展，從而為C/C材料的進(jìn)一步研究和應(yīng)用提供了指導(dǎo)。