添加碳化钽炭炭复合材料的制备及其性能研究

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1、摘要炭／炭复合材料具有质轻、抗热震、耐高温、耐烧蚀和粒子侵蚀、高温强度高、膨胀系数低等优异性能，是一种理想的喷管材料，广泛应用于固体火箭发动机。新一代高性能固体火箭发动机的出现，对发动机喷管喉衬的抗烧蚀性能提出了更高的要求。本文以炭纤维针刺整体毡为预制体，采用在预制体成型过程中添加碳化钽粉末的新方法，经过化学气相沉积和树脂浸渍／炭化混合增密，制备添加碳化钽炭／炭复合材料。考察了碳化钽含量、热处理温度和热解炭含量对材料的组织结构、导热系数、力学性能、氧化烧蚀性能的影响，通过对材料进行光学显微镜、扫描电镜和X射线衍射等分析，探讨了材料性能的影响

2、因素及影响机理。研究结果表明：(1)与未添加碳化钽的复合材料相比，在制备工艺条件相同的情况下，添加碳化钽能提高炭／炭复合材料的石墨化度，表明碳化钽具有一定的促进石墨化作用。(2)在相同的热处理温度下，随着碳化钽含量的增加，材料的石墨化度提高，微晶尺寸增大，层面间距减小，材料垂直方向的导热系数降低，而平行方向的导热系数却由于碳化钽促进石墨化作用而先增大后减小。(3)对于剪切破坏模式，未添加碳化钽炭／炭复合材料表现为假塑性断裂方式，断裂功较高，而添加碳化钽炭／炭复合材料为脆性断裂方式，断裂功较小。对于压缩破坏模式，添加碳化钽的炭／炭复合材料与未

3、添加碳化钽的炭／炭复合材料相似。材料的平行压缩载荷一位移曲线均呈抛物形特征，失效机制既有层间分层、又有剪切断裂。垂直压缩表现为对角的剪切破坏或层间分层或二者结合的复合失效模式。(4)在相同氧化条件下，添加碳化钽炭／炭复合材料的氧化失重率较未添加碳化钽的试样略有减少，且材料的氧化起始温度随碳化钽含量的增加而提高，表明碳化钽的添加可在一定程度上改善材料的抗氧化性能。(5)碳化钽颗粒的添加使材料的力学性能降低，同时烧蚀过程中生成液态氧化钽，加大了机械剥蚀和熔化流失等力学因素引起的质量损失，同时液态氧化钽的流失使表面粗糙度增大，恶化了烧蚀条件，综合

4、作用的结果是加大了复合材料的烧蚀率。(6)添加碳化钽炭／炭复合材料的氧一乙炔烧蚀机制呈热化学烧蚀、热物理烧蚀和机械剥蚀的综合作用。在试样的中心区以热物理烧蚀和机械剥蚀为主；在烧蚀过渡区和边缘区以热化学烧蚀为主。关键词：炭／炭复合材料，碳化钽，力学性能，氧化性能，烧蚀性能nABSTRACTCarbon／carbon(C／C)compositehasmanyexcellentperformances，suchaslightweight，thermalshockresistance，anti-hightemperature，ablationpar

5、ticleerosion，hightemperaturestrength，lowthermalexpansioncoefficient．Withtheappearanceofnewgenerationofhigh-performancesolidrocketengines．higherrequirementsontheanti—erosionpropertyofenginenozzlethroatmaterialweredemanded．Inthisthesis，Thepreformswithtantalumcarbidewereprepa

6、redbyaddingtantalumcarbidepowderintointegratedcarbonfiberneedledfelts．C／CcompositesweremadeofthepreformswithTaCanddensifiedbyCVD(chemicalvapordeposition)andfollowingresininfiltration／carbonization．Theeffectsoftantalumcarbidecontent．temperatureofheattreatmentandPyrocarbonco

7、ntentontheorganizationalstructure，thermalconductivity,mechanicalpropertiesanderosionpropertiesofcompositeswereinvestigated．Theinfluencingfactorsandmechanismswerediscussedbyopticalmicroscopy,SEMandXRDanalysis．Theconclusionscouldbesummafiedasfollows：(1)Underthesameprocesscon

8、ditions，graphitedegreeofcarbon／carboncompositesincreasedwiththeincreasingcontentoftantalu