C/ZrB2-SiC
t=20s
t=300s
t=650s
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烧蚀后
C/SiC和C/ZrB2-SiC烧蚀机理 车次：652 模型：A1
1400
C/SiC
C/SiC
1200
表面温度
1000
表面温度/℃
800
600
400
%
11.1
Tensile
σ
E
ε
MPa GPa %
25.9 17.5 0.15
28.1
277.0 74.5 0.45
28.0
85.4 35.1 0.26
28.1
53.6 20.2 0.44
25.8
102 32.9 0.50
26.3
58.9 23.1 0.28
24.8
53.7
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20.2 0.34
Flexural
两种典型热结构复合材料的制备、结构、性能
- C/C复合材料 - C/SiC复合材料
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提纲
热结构复合材料简介 典型热结构复合材料的制备、结构、性能
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热结构复合材料
复合材料 = 增强相 + 基体相
纤维颗粒 增强
热结构 复合材料
碳基陶瓷基
C/C复合材料
C/SiC复合材料
SiC/SiC复合材料
试验； • 2007年，建立热结构复合材料生产体系，低成本民品C/C走向市场； • 08年以后，开展了1700℃以上，长期抗氧化复合材料研究； • 目前研究重点是，采用多种工艺结合，制备低成本短周期的防热构件
，包括喷管、防热盖板、端头等形状各异的热结构部件。
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金属所热结构复合材料发展历程
C/C-SiC 纳 米 基 复合材料1991
航天材料一朵奇葩
---热结构复合材料
庞生洋
专用材料与器件研究部 热结构复合材料组 2012年5月22日
Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences 精品文档
内容简介
热结构复合材料简介
热结构复合材料性能、应用和主要研究机构 金属研究所热结构复合材料发展历程
C/C C/SiC
传统CVI和快速CVI
Heating Element
Exhaust Gas
Preform
均热法
快速CVI
Reactive Gas
CH4 C2H2 C3H8
工艺比较成熟 同炉内可放置不同样品 可实现净尺寸制备
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沉积效率高、沉积时间短 可制备大厚度样品 对设备腐蚀小 克服了传统CVI的两大瓶颈: 质量 传输和反应动力学
中南大学 514厂 43所 703所 金属研究所
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国内外主要研究和生产机构
C/SiC复合材料
NASA , USA ONERA, France DLR Institute, Germany SEP, France Bordeaux University, France
西北工业大学 金属研究所
UHTC复合材料
快速CVI制备C/C材料
0/90°无纬布C/C复合材料 材料致密度较高, 1.7g/cm3 残留有少量层间孔和束间孔 基本填满了纤维间的孔隙 碳基体为粗糙层和光滑层的混合
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C/C复合材料快速沉积机理
自由基磁吸引作用 自由基电沉积作用 自由基脱氢聚合过程
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快速CVI制备C/SiC材料
预制体对C/C力学性能的影响
Density C/C
g/cm3
mat
1.70
0º/0ºweftless 1.74
0º/90ºweftless 1.67
0º/45ºweftless 1.69
0º/0ºtwill
1.79
0º/90ºtwill
1.78
0º/45ºtwill
1.75
Fiber content
σ MPa
E GPa
59.2 16.9
454.0 65.2
145.0 25.1
122.0 17.6
165.0 28.9
157.0 27.1
119.0 20.6
纤维预制体对C/C材料烧蚀性能的影响
碳毡 C/C 0º/45º无纬布 C/C
0º/90º无纬布 C/C
400μm
0º/45º斜纹布 C/C
小发动机烧蚀试验 热流12MW/m2 2000ºС左右
⊙⊙ ⊙ ⊙ ⊙⊙⊙
⊙⊙ ⊙ ⊙ ⊙⊙ ⊙
e (a) Magnetic attraction
⊙⊙ ⊙ ⊙ ⊙⊙⊙
e
(b) Ele精ctr品ic 文dep档osition
C原子面 Si原子面
– Si – C – Si – C – Si – C – C – Si – C – Si – C – Si –
⊙⊙ ⊙ ⊙ ⊙⊙⊙ ⊙⊙ ⊙ ⊙ ⊙⊙⊙
SiC涂层 C/C材料 1987
构功能梯度材料1992
C/C-SiC 纳 米 基 复合材料1992
C/C复合材料 1992
C/SiC 复 合 材料1992 C/C-SiC双元基型结 构功能梯度材料1999 C/C材料
C/SiC复合材 料1992 C/C材料
1999
C/ZrB2-SiC 复 合材料2006
C/C复合材料
良好的耐热性 极小的热膨胀率 很轻的重量（只有铁的1/5） 良好的耐腐蚀性
更高的强度 更好的韧性，不易破碎
更好的韧性，不易破碎 不易粘结（不会胶合） 耐热冲击性好 容易加工
良好的耐热性 良好的耐腐蚀性 高的耐摩擦性
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C/C复合材料在核反应堆中重大应用
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C/C复合材料民用重大应用
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C/C复合材料民用重大应用
• 炉床 • 风扇 • 加热体 • 炉体 • 承重板 • 保温材 • 保护用异形板 • 螺栓，螺母，垫片
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C/C复合材料民用重大应用
• 料架 • 料盒 • 夹具 • 弹簧 • 玻璃生产线用部件
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C/SiC复合材料性能特点及应用
UHTC复合材料
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C/C-UHTC C/C-coating
C/C-SiC
C/C复合材料性能特点及应用
密度低 比强度大
使用温度可 达2800ºC
再入热防护
热导率大 膨胀系数小
喷管 大型扩散段
抗热震优异
抗氧化性差
飞机刹车片
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C/C复合材料性能特点及应用
和“金属”比较 和“石墨”比较 和“陶瓷”比较 和“树脂”比较
密度低
使用温度可 达1650ºC
比强度大 热导率大
再入热防护
膨胀系数小 抗热震优异 抗氧化性好 耐磨性突出
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发动机鱼鳞片 涡轮 火焰稳定器
装甲板 防弹衣 空间反射镜
国内外主要研究和生产机构
C/C复合材料
Messier-Bugatti, Inc SGLGroup, Inc Hitco Carbon Composites, Inc Sandia National Laboratories Oak Ridge National Laboratories
ΔG=550kJ/mol ΔG=402kJ/mol
Cl
H
Cl
Cl–Si–Cl H–C
Si–Cl
Cl
H
Cl–Si–Cl H–C
Cl Si–Cl
⊙ ⊙ ⊙ ⊙ ⊙⊙ ⊙
⊙⊙ ⊙ ⊙ ⊙⊙⊙
⊙⊙ ⊙ ⊙ ⊙ ⊙⊙
⊙ ⊙ ⊙ I⊙ ⊙ ⊙ ⊙
⊙⊙ ⊙ ⊙ ⊙⊙⊙
⊙ ⊙ ⊙ I⊙ ⊙ ⊙ ⊙
⊙⊙ ⊙ ⊙ ⊙ ⊙⊙
⊙ ⊙ ⊙ I⊙ ⊙ ⊙ ⊙
⊙⊙ ⊙ ⊙ ⊙⊙⊙ ⊙⊙ ⊙ ⊙⊙⊙⊙
e (c) Dehydrogen/po(cl)ymerization reaction
C/C、C/SiC材料性能对比
性能 密度
单位 g/cm3
快速CVI C/C
传统CVI C/C
快速CVI C/SiC
传统CVI C/SiC
1.71
Diffraction angle
在35小时内成功制备出大尺寸高
密度C/SiC板材(500×200×9mm,
2.3-2.4g/cm3)
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快速CVI制备C/SiC材料沉积机理
小分子沉积机理
CH3SiCl3 → •CH3 + •SiCl3 ΔG=292kJ/mol
<111>
•CH3 → •C• H2 + • H •SiCl3 → •S•iCl2 + • Cl •S•iCl2+ e* → Si* +2Cl •C• H2+ e* → C* +2H
Tang SF, et al. J Am Ceram Soc 90(2008) 3320
C/ZrB2-SiC在1000ºC依赖于B2O3 C/ZrB2-SiC在1200ºC依赖于硅酸盐 精品文C/档ZrB2-SiC在1400ºC依赖于SiO2
C/SiC和C/ZrB2-SiC烧蚀性能
C/SiC
C/C-SiC 梯 度 基型结构功能 梯度材料1992
C/SiC复合材料 1992
C/C复合材料 1976
C/C-SiC 双 元 基 型 结
C/C-SiC梯度基
复合材料1995
C/C-SiC 双 元 基
C/C-SiC 纳 米 基
复合材料1990
复合材料1993
C-SiC梯度涂层 的C/C材料1992