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[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，從實驗和計算機(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，在氧氣條件下這些活性位點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，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，燒蝕位點進(jìn)行了有效的分析預(yù)測。

在實驗方面，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)模擬和實驗兩方面總結(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)。