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3D C/SiC复合材料的环境氧化行为

殷小玮  
【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:8×10~3Pa, 水蒸汽分压:1.4×10~4Pa)中的O_2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(4×10~3Pa,8×10~3Pa)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 (1.4×10~4Pa,5×10~4Pa)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℃。


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