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1、题目：碳纤维增强陶瓷基复合材料抗氧化研究学生：学号：院（系）：材料科学与工程学院专业：无机非金属材料工程指导教师：2013年05月22日碳纤维增强陶瓷基复合材料抗氧化研究（陝西科技大学710021）摘要：碳纤维增强陶瓷基复合材料(CFRCMCs)具有良好的高温力学性能和热性能，是航空航天领域非常理想的热结构材料．但CFRCMCs中的碳纤维极易发生氧化，因此CFRCMCs的氧化防护问题一直是CFRCMCs研究的热点。文章对碳纤维改性、基体抗氧化技术、界面层抗氧化技术和表面涂层技术这四种CFRCMCs的
2、抗氧化技术及其原理进行了评述，分析了各类抗氧化技术的特点并对其发展趋势进行了展望．关键词:碳纤维;陶瓷基复合材料;抗氧化涂层,氧化保护1前言碳纤维增强陶瓷基复合材料（ＣＦＲＣＭＣｓ）由于具有高比强度、高比模量、耐腐蚀、耐高温、低密度等优良特性，特别是拥有良好的高温力学性能和热性能，在惰性环境中超过2000e仍能保持强度、模量等力学性能不降低,拥有良好的断裂韧性和耐磨性能、低线膨胀系数、高热导率、高气化温度和良好的抗热震性能【1】，成为航空航天领域非常理想的热结构材料。但是，在氧化气氛下，碳纤维增强陶
3、瓷基复合材料中碳质材料在４００℃左右发生氧化，使其优异性能难以在高温下长时间保持。而碳纤维增强陶瓷基复合材料的许多应用环境都是具有氧化气氛的。因此，它们在氧化气氛中的表现（包括氧化失重、机械性能的持久性等）及氧化气氛中的氧化保护一直是科研工作者非常关注的问题【2】。碳纤维增强陶瓷基复合材料的抗氧化性研究主要集中在两个方面:(1)通过对基体材料的处理来增强材料的抗氧化性能,如殷小玮等通过在基体孔隙中渗入融熔Si和Cr反应生成Cr3Si来增强抗氧化性能;S.Labruqure等通过在碳纤维表层形成B化合
4、物膜层来增强材料抗氧化性能;(2)通过整体抗氧化涂层增强材料的抗氧化性能。在两种处理方式中,整体抗氧化涂层更为有效。本文仅对整体抗氧化涂层的发展进行综述和展望。【3】2抗氧化涂层的要求抗氧化涂层的基本功能是将基体材料与外部的氧化性气氛隔离。要有效地实现其隔离功能,抗氧化涂层体系必须满足一些基本要求:(1)涂层材料在所保护温度围稳定,涂层体系和基体材料有良好的粘接作用,涂层与基体及涂层与涂层之间不剥落(分离);(2)涂层材料与基体间有相近的线膨胀系数(CTE);(3)涂层材料氧和碳的扩散系数低;(4)
5、涂层材料与基体间有好的化学和物理相容性;(5)作为结构部件使用通常会受热流的冲蚀,在这种环境中使用涂层材料必须有良好的抗冲蚀性能等等【4】。3抗氧化涂层的材料组成3.1抗冲蚀层材料抗冲蚀层的功能是阻挡氧气进入材料内部,抵抗气流冲蚀。抗冲蚀层的材料最常用的是SiC和Si3N4。SiC没有熔点,在2100e由B相转变为A相,在(2830?40)e分解;Si3N4熔点为1900e。两者都有极好的抗氧化功能和高温下极低的挥发性,同时SiC和Si3N4都有极高的硬度和抗冲蚀强度。另外Al2O3、Y2O3、Ta
6、2O5、Si2N2O、ZrO2和莫来石(3Al2O3#2SiO2)等氧化物陶瓷也可作外层涂层材料。3.2功能层材料功能层的作用是形成玻璃态可流动物质封填涂层微裂纹,阻止氧的进入。目前常用的功能层材料是能氧化形成玻璃态物质的化合物,B4C、TiB2、Si-B、Si-W、Si-Hf、Si-Zr等。Courtois等通过CVD沉积TiB2于SiC外层下保护C/SiC,是在700e~1100e有前途的封填材料。硼化硅有一个独特的优点,被氧化后形成硅酸硼玻璃而没有其它产物,产物能通过硼化物的组成来确定,这意味
7、着可以为特定的温度范围设计功能层材料[25]。MoSi2也被用作功能层材料,氧化生成挥发性的MoO3和玻璃质的SiO2。3.3粘接层材料粘接层的功能是粘接基体与涂层系统,减少涂层与基体间的线膨胀系数不匹配的影响,阻挡基体宇航材料工艺2003年第6期材料组成元素向外扩散。粘接层材料最常用的是SiC和Si3N4,它们有与基体材料相近的线膨胀系数,为了降低线膨胀系数,可以在制备涂层时加入低线膨胀系数的材料,如BN和石英等【5】。4、ＣＦＲＣＭＣｓ的氧化防护ＣＦＲＣＭＣｓ的氧化保护是近年来复合材料研究的热点
8、之一。ＣＦＲＣＭＣｓ的氧化防护研究主要从４个方面展开：（１）从碳纤维方面考虑，对碳纤维改性，提高纤维自身的抗氧化能力；（２）从基体方面考虑，采用抗氧化的基体材料或通过在基体中添加适当的添加剂制备裂纹可自愈合的基体；（３）从界面层考虑，为复合材料研制抗氧化界面层；（４）从材料表面着手，为ＣＦＲＣＭＣｓ设计合适的抗氧化涂层。【6】4.１ 碳纤维改性ＣＦＲＣＭＣｓ在高温氧化气氛中的氧化损伤实质上是由碳纤维的氧化所引起，因此通过采取一定的措施，提高碳纤维自身的抗氧化能力，是提
