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1、題目：碳纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料抗氧化研究學(xué)生：學(xué)號(hào)：院（系）：材料科學(xué)與工程學(xué)院專(zhuān)業(yè)：無(wú)機(jī)非金屬材料工程指導(dǎo)教師：2013年05月22日碳纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料抗氧化研究（陝西科技大學(xué)710021）摘要：碳纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料(CFRCMCs)具有良好的高溫力學(xué)性能和熱性能，是航空航天領(lǐng)域非常理想的熱結(jié)構(gòu)材料．但CFRCMCs中的碳纖維極易發(fā)生氧化，因此CFRCMCs的氧化防護(hù)問(wèn)題一直是CFRCMCs研究的熱點(diǎn)。文章對(duì)碳纖維改性、基體抗氧化技術(shù)、界面層抗氧化技術(shù)和表面涂層技術(shù)這四種CFRCMCs的
2、抗氧化技術(shù)及其原理進(jìn)行了評(píng)述，分析了各類(lèi)抗氧化技術(shù)的特點(diǎn)并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望．關(guān)鍵詞:碳纖維;陶瓷基復(fù)合材料;抗氧化涂層,氧化保護(hù)1前言碳纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料（ＣＦＲＣＭＣｓ）由于具有高比強(qiáng)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(xué)性能和熱性能，在惰性環(huán)境中超過(guò)2000e仍能保持強(qiáng)度、模量等力學(xué)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(shù)、高熱導(dǎo)率、高氣化溫度和良好的抗熱震性能【1】，成為航空航天領(lǐng)域非常理想的熱結(jié)構(gòu)材料。但是，在氧化氣氛下，碳纖維增強(qiáng)陶
3、瓷基復(fù)合材料中碳質(zhì)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(zhǎng)時(shí)間保持。而碳纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的許多應(yīng)用環(huán)境都是具有氧化氣氛的。因此，它們?cè)谘趸瘹夥罩械谋憩F(xiàn)（包括氧化失重、機(jī)械性能的持久性等）及氧化氣氛中的氧化保護(hù)一直是科研工作者非常關(guān)注的問(wèn)題【2】。碳纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的抗氧化性研究主要集中在兩個(gè)方面:(1)通過(guò)對(duì)基體材料的處理來(lái)增強(qiáng)材料的抗氧化性能,如殷小瑋等通過(guò)在基體孔隙中滲入融熔Si和Cr反應(yīng)生成Cr3Si來(lái)增強(qiáng)抗氧化性能;S.Labruqure等通過(guò)在碳纖維表層形成B化合
4、物膜層來(lái)增強(qiáng)材料抗氧化性能;(2)通過(guò)整體抗氧化涂層增強(qiáng)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(duì)整體抗氧化涂層的發(fā)展進(jìn)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(shí)現(xiàn)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(hù)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(shù)(CTE);(3)涂層材料氧和碳的擴(kuò)散系數(shù)低;(4)
5、涂層材料與基體間有好的化學(xué)和物理相容性;(5)作為結(jié)構(gòu)部件使用通常會(huì)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(jìn)入材料內(nèi)部,抵抗氣流沖蝕?？箾_蝕層的材料最常用的是SiC和Si3N4。SiC沒(méi)有熔點(diǎn),在2100e由B相轉(zhuǎn)變?yōu)锳相,在(2830?40)e分解;Si3N4熔點(diǎn)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(shí)SiC和Si3N4都有極高的硬度和抗沖蝕強(qiáng)度。另外Al2O3、Y2O3、Ta
6、2O5、Si2N2O、ZrO2和莫來(lái)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(dòng)物質(zhì)封填涂層微裂紋,阻止氧的進(jìn)入。目前常用的功能層材料是能氧化形成玻璃態(tài)物質(zhì)的化合物,B4C、TiB2、Si-B、Si-W、Si-Hf、Si-Zr等。Courtois等通過(guò)CVD沉積TiB2于SiC外層下保護(hù)C/SiC,是在700e~1100e有前途的封填材料。硼化硅有一個(gè)獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),被氧化后形成硅酸硼玻璃而沒(méi)有其它產(chǎn)物,產(chǎn)物能通過(guò)硼化物的組成來(lái)確定,這意味
7、著可以為特定的溫度范圍設(shè)計(jì)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(zhì)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(shù)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(kuò)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(shù),為了降低線膨脹系數(shù),可以在制備涂層時(shí)加入低線膨脹系數(shù)的材料,如BN和石英等【5】。4、ＣＦＲＣＭＣｓ的氧化防護(hù)ＣＦＲＣＭＣｓ的氧化保護(hù)是近年來(lái)復(fù)合材料研究的熱點(diǎn)
8、之一。ＣＦＲＣＭＣｓ的氧化防護(hù)研究主要從４個(gè)方面展開(kāi)：（１）從碳纖維方面考慮，對(duì)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(guò)在基體中添加適當(dāng)?shù)奶砑觿┲苽淞鸭y可自愈合的基體；（３）從界面層考慮，為復(fù)合材料研制抗氧化界面層；（４）從材料表面著手，為ＣＦＲＣＭＣｓ設(shè)計(jì)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(shí)質(zhì)上是由碳纖維的氧化所引起，因此通過(guò)采取一定的措施，提高碳纖維自身的抗氧化能力，是提
