文档介绍：涂层 3D-C/C 复合材料氧化行为研究

(理学院材料科学与工程系材料科学与工程专业熊雷)
(学号:1999143240)

内容提要:本文采用包埋法和浸渍法在 3D-C/C 复合材料表面制备出 SiC 复合涂层,并
对该涂层 C/C 复合材料在 700~1400℃温度范围内的氧化失重规律和氧化机理进行了研究。
研究结果表明,涂层 3D-C/C 复合材料的等温氧化失重量与时间成线性关系,且随着温度的
升高,等温氧化失重速率先增大,后减小,再增大。进一步研究表明,涂层 3D-C/C 复合材
料的氧化失重速率在 900℃以下受短路扩散速率控制,在 1200℃以上受涂层扩散速率控制,
在 900~1200℃之间受两者共同控制。
关键词:C/C 复合材料氧化 SiC涂层包埋法
教师点评:C/C 复合材料作为一种高新技术材料,以其优异的力学、耐磨、抗蚀等性能
而备受关注。但不幸地是碳材料高温易氧化,研究和解决 C/C 复合材料的抗氧化问题是进
一步推广其应用的关键技术之一。本论文重点研究了 SiC 涂层 3D-C/C 复合材料在 700~1400
℃范围内的氧化行为,并分析其氧化规律及在不同温度范围内的氧化机理。在理论研究基础
之上,结合实际的氧化过程,建立起涂层 3D-C/C 复合材料氧化的简单物理模型,为后续抗
氧化技术的改进提供理论指导。该论文条理清晰、内容充实、理论分析深入、结论明确。(点
评教师:曾燮榕教授)

一、资料综述
C/C 复合材料及其性能、应用[1]
C/C 复合材料发展简况
C/C 复合材料是一种具有特殊性能的新型功能材料,它自 1958 年问世以来,在航空航
天、核能、军事以及许多民用工业领域受到极大关注,并得到迅速发展和广泛运用。概括起
来,其发展大致经历了以下四个阶段:
1958 年到 60 年代中期——缓慢发展阶段:各种类型的高性能纤维正处于研究与开发
阶段,制备工艺也处于实验研究阶段,同时其高温氧化防护技术也未得到很好的解决。
60 年代中期到 70 年代后期—— C/C 复合材料研究开发迅速发展阶段:高强、高模量碳
纤维已开始应用于 C/C 复合材料,克服 C/C 复合材料各向异性的编织技术得到发展,制备
工艺也由浸渍树脂、沥青碳化工艺发展到多种 CVD 工艺。
80 年代——进一步推广应用阶段:对 C/C 复合材料在制备工艺、结构设计以及力学性
能、热性能和抗氧化性能等方面基础理论及方法的研究,促进和扩大了 C/C 复合材料在航
空航天、军事以及民用领域的应用。预成型体的结构设计和多向编织加工技术日趋成熟,高
温氧化防护技术迅速发展,C/C 复合材料的致密化工艺逐渐完善。
90 年代至今—— C/C 复合材料新工艺开发和民用应用阶段:致力于降低成本,提高 C/C
复合材料性能和扩大应用领域。
C/C 复合材料的特点
C/C 复合材料是一种高性能的材料,其优点主要有:高温形状稳定、升华温度高、烧
蚀凹陷低、抗热应力、抗热冲击、抗裂纹传播、抗辐射、力学性能为假塑性、非脆性破坏、
化学惰性、重量轻、性能可调整、平行于增强方向具有高强度和高刚度、在高温条件下的强
度和刚度可保持不变、原材料为非战略材料、易制造和加工。其最大的优点就是其具有优良
的综合机械性能。
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C/C 复合材料虽然具有很多的优点,但也有其不适之处,主要表现在:非轴向力学性
能差、破坏应变低、孔洞含量高、孔分布不均匀、纤维与基体结合差、导热系数低、抗氧化
性能差、抗颗粒侵蚀性差、成本高、制造加工周期长、可还原性差、设计与工程性能受限制、
缺乏破坏准则、设计方法复杂、各向异性、使用经验不足。其中最大的缺点就是其抗氧化性
能差。
C/C 复合材料的应用
随着 C/C 复合材料工业技术的发展,C/C 复合材料的应用领域越来越广泛。目前其应
用主要有:
军事领域——导弹弹头和固体火箭发动机喷管等。
航空航天——刹车盘、航天飞机的鼻锥和机翼前缘等。
生物医学——骨状插入物和人工心脏瓣膜阀体等。
化学工业——耐腐蚀设备、压力容器和密封填料等。
电子电器工业——电吸尘装置的电极板、电池的电极和电子管的栅极等。
汽车工业——发动机系统:推杆、连杆、摇杆、油盘、水泵叶轮等;
传动系统:传动轴、万能箍、变速器、加速装置等;
底盘系统:底盘、悬置件、弹簧片、框架、横梁和散热器等;
车体:车顶内外衬、地板、侧门等。
C/C 复合材料的氧化及抗氧化
C/C 复合材料的氧化失重
C/C 复合材料具有优异的高