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3D C/SiC复合材料的环境氧化行为

作　者: 殷小玮
导　师: 张立同
学　校: 西北工业大学
专　业: 材料学
关键词: C/SiC 复合材料 涂层 LPCVI RMI 氧化 热震 燃气 微结构
分类号: TB332
类　型: 博士论文
年　份: 2001年
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内容摘要


本文系统研究了3D C/SiC（CVI）复合材料的氧化行为、氧化机理、氧化模式和氧化行为的表征方法；不同防氧化途径对C/SiC氧化行为的影响，以及环境因素对C/SiC氧化行为的影响。主要研究内容和结果如下： 1．研究了C/SiC-SiC的氧化行为、氧化机理和氧化模式。C/SiC的氧化行为受缺陷控制，氧化失重的峰值温度存在波动，多次沉积SiC涂层可以减小缺陷的影响。C/SiC-SiC在400-1400℃内表现为失重。在400-700℃内，C/SiC-SiC的氧化速度由氧与C纤维和C界面相的反应控制，氧化模式主要为均匀氧化；在700-1000℃内，氧化速度由氧通过涂层微裂纹和制备缺陷的扩散控制，为非均匀氧化；在1000℃以上，氧化速度由氧通过制备缺陷的扩散控制，为表面氧化。 2．采用失重率和残余抗弯强度表征了C/SiC-SiC的氧化行为，首次建立了C/SiC-SiC的残余抗弯强度与失重率之间的关系。结果表明，残余抗弯强度的变化受C相的氧化控制，残余抗弯强度与失重率之间的变化规律符合指数关系。 3．研究了防氧化途径对C/SiC抗氧化性能的影响。通过沉积三次SiC涂层显著提高了C/SiC的抗氧化性能，但是涂层微裂纹和涂层间隙缺陷对C/SiC-SiC的氧化行为起着控制作用，这导致C/SiC-SiC在全温度范围内表现为氧化失重；玻璃封填涂层可以大幅度提高C/SiC-SiC在1100℃以下的抗氧化性能；合金涂层可以使C/SiC-SiC在1100℃以上表现为氧化增重；采用Si基合金涂层和玻璃涂层相结合的复合涂层综合了两种涂层的优点，可以显著提高C/SiC-SiC在全温度范围内的抗氧化性能。 4．首次研究了温度梯度对合金涂层C/SiC在不同气氛下氧化行为的影响。结果表明：在具有一定温度梯度的空气中氧化时，氧气会通过裂纹生成温度以下的区域向裂纹生成温度以上的区域扩散，从而造成强度的降低。燃气（氧分压：8×103Pa，水蒸汽分压：1.4×104Pa）中的O2扩散通量较高，合金涂层C/SiC在燃气中的强度降低区域比干燥空气中大。 5．研究了氧分压（4×103Pa，8×103Pa）对C/SiC-SiC氧化行为的影响。发现C/SiC-SiC的失重率随氧分压的变化规律符合幂函数关系。首次研究了水蒸汽（1.4×104Pa，5×104Pa）对C/SiC-SiC氧化行为的影响。水蒸汽可以提高SiC在氧气中的氧化抛物线速度常数，同时可以抑制C纤维在700-1300℃内的氧化，在700-1300℃内，水蒸气降低了C/SiC-SiC在氧气中的失重率。 6．首次研究了C/SiC-SiC在有温度梯度的燃气环境中的抗热震性能，发现热震次数对强度的影响存在临界值，强度的降低是由热震损伤引起的。在燃气环境中300至1300℃热循环100次后，C/SiC-SiC的强度保持率为83％。C/SiC-SiC的临界热震次数约为50次，临界热震温差为700℃。

全文目录


第一章 绪论  13-29
  1．1 C/SIC复合材料  13-15
    1．1．1 C纤维和其它陶瓷纤维  13-14
    1．1．2 界面层材料  14-15
    1．1．3 基体和愈合涂层  15
  1．2 C/SIC复合材料的应用  15-16
  1．3 C/SIC的主要制备方法  16-17
    1．3．1 化学气相渗透法（CVI）  16-17
    1．3．2 反应性熔体浸渗（RMI）  17
  1．4 C/SIC复合材料的抗氧化性能  17-18
  1．5 C/SIC复合材料的涂层防氧化  18-23
    1．5．1 对防氧化涂层的要求  18-19
    1．5．2 复合防氧化涂层  19-22
      1．5．2．1 腐蚀保护涂层/主要的氧扩散阻挡层  19-21
      1．5．2．2 功能涂层  21-22
      1．5．2．3 内阻挡层  22
    1．5．3 文献中的防氧化涂层  22-23
    1．5．4 涂层的失效机制  23
  1．6 本文的选题依据和研究目标  23-24
  1．7 研究内容  24
  参考文献  24-29
第二章 3D C/SIC复合材料的氧化行为  29-41
  2．1 前言  29
  2．2 实验过程  29-32
    2．2．1 试样制备  29-30
    2．2．2 氧化实验  30-31
    2．2．3 复合材料的性能测试  31-32
    2．2．4 相结构、化学成分和组织结构分析  32
  2．3 CVI C/SIC复合材料微结构特点  32-34
  2．4 C/SIC在燃气中的失重率与氧化时间的关系  34-37
  2．5 C/SIC在燃气与空气中的不同氧化行为  37-38
  2．6 本章小结  38
  参考文献  38-41
第三章 SIC涂层C/SIC的氧化行为  41-58
  3．1 前言  41
  3．2 实验过程  41-43
    3．2．1 悬挂沉积  41
    3．2．2 多次沉积  41-42
    3．2．3 试样制备  42-43
    3．2．4 氧化实验  43
  3．3 C/SIC-SIC的微结构特点  43-44
  3．4 涂层间隙的形成机制  44-45
  3．5 不同涂层沉积次数的C/SIC的抗氧化性能  45-46
  3．6 缺陷对C/SIC-SIC抗氧化性能的影响  46-48
  3．7 C/SIC-SIC的氧化控制机制  48-51
  3．8 三次涂层C/SIC的重量变化预测  51-55
    3．8．1 假设  51-52
    3．8．2 理论分析  52-54
    3．8．3 预测结果及分析  54-55
  3．9 本章小结  55-56
  参考文献  56-58
第四章 C/SIC-SIC-（CR-SI）复合材料的结构与性能  58-73
  4．1 前言  58
  4．2 合金涂层C/SIC的设计思想  58-59
  4．3 实验过程  59-61
    4．3．1 试样制备  59-60
    4．3．2 氧化实验方法  60-61
  4．4 C/SIC-SIC-（CR-SI）复合材料的微结构分析  61-62
  4．5 RMI过程分析  62-64
  4．6 合金涂层C/SIC复合材料的力学性能和抗氧化性能  64-69
    4．6．1 Cr-Si基体填充体的作用  65-66
    4．6．2 Cr-Si涂层的作用  66-69
  4．7 SIC外涂层对复合材料在燃气中抗氧化性能的影响  69-71
  4．8 本章小结  71-72
  参考文献  72-73
第五章 玻璃封填C/SIC-SIC的氧化行为  73-84
  5．1 前言  73
  5．2 实验过程  73
  5．3 C/SIC-SIC-（SIO_2·B_2O_3）的微结构分析  73-74
  5．4 氧化动力学和抗弯强度变化  74-76
  5．5 SIO_2·B_2O_3玻璃涂层的作用  76-77
  5．6 C/SIC的氧化及其断裂行为  77-80
    5．6．1 断裂行为特征量  77-79
    5．6．2 氧化对C/SiC-SiC断裂形式的影响  79-80
  5．7 抗弯强度与失重率的关系  80-82
  5．8 本章小结  82-83
  参考文献  83-84
第六章 温度梯度对C/SIC环境氧化行为的影响  84-97
  6．1 前言  84
  6．2 实验过程  84-85
    6．2．1 试样制备  84
    6．2．2 氧化实验  84-85
  6．3 SIC-（ZR-SI）涂层复合材料的氧化行为  85-90
    6．3．1 SiC-（Zr-Si）涂层的结构与相组成  85-86
    6．3．2 C/SiC-SiC-（Zr-Si）的氧化动力学  86-90
  6．4 温度梯度的影响  90-92
  6．5 玻璃涂层的作用  92-95
  6．6 本章小结  95
  参考文献  95-97
第七章 环境模拟因素对C/SIC-SIC氧化行为的影响  97-111
  7．1 前言  97
  7．2 实验过程  97-98
  7．3 氧分压的影响  98-102
    7．3．1 氧分压对氧化动力学的影响  98-100
    7．3．2 氧分压与失重率的关系  100-101
    7．3．3 氧分压对力学性能的影响  101-102
  7．4 C/SIC-SIC在O_2/H_2O混合气体中的氧化行为  102-108
    7．4．1 水蒸汽和氧对SiC基体的氧化作用  102-103
    7．4．2 SiO_2氧化膜中的应力与松弛  103-108
  7．5 本章小结  108-109
  参考文献  109-111
第八章 C/SIC-SIC在燃气中的热震行为  111-119
  8．1 前言  111-112
  8．2 实验过程  112-113
  8．3 热震温差对力学性能的影响  113-115
  8．4 热震次数对力学性能的影响  115-118
  8．5 本章小结  118
  参考文献  118-119
第九章 结 论  119-121
致 谢  121-122
附录：  122

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 复合材料 > 非金属复合材料
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