碳陶料

碳陶料是指陶瓷材料對C /C 複合材料進行改性所得到的一種複合材料，以此來改善C /C 複合材料的不足之處。

基本介紹

• 中文名：碳陶料
• 類型：複合材料
• 套用：工業、化學、航天等

簡介

背景

目前常用的三類高溫材料均難以滿足使用要求。C /C 複合材料高溫下仍具有高強度、高模量、良好的斷裂韌性和耐磨性能，是理想的高溫工程結構材料。但其抗氧化性能差，在370 ℃以上氧化環境中就會發生氧化。現有難熔金屬材料使用溫度低、且高溫下強度急劇下降。陶瓷材料熔點高、抗氧化性能好，但脆性大，難以製作複雜熱結構部件。

改進

採用陶瓷材料對C /C 複合材料進行改性，可提高C /C 複合材料的抗氧化性能，陶瓷改性後的C /C複合材料的抗氧化溫度主要由改性陶瓷材料自身的熔點及其氧化物的熔點決定。SiC、ZrC、ZrB2、HfC、HfB2等陶瓷的熔點高、密度低，是C /C 複合材料2300 K 以上高溫抗氧化改性的理想選擇，可解決困擾高超聲速飛行器等新型武器技術發展面臨的超高溫(2200℃以上) 抗氧化熱防護技術難題，在高超聲速飛行器大型複雜熱防護構件上顯示出廣闊套用前景。陶瓷改性C /C 複合材料的方法通常有塗層改性和基體改性兩種。

舉例

1800 ～ 2 200℃抗氧化塗層

目前報導的抗氧化塗層技術在1 800℃以上效果並不理想。為此，人們開發ZrC、TaC、HfC 等超高溫陶瓷塗層作為C /C 複合材料的抗氧化防護技術研究。熊翔採用ZrCl₄-CH₄- H₂-Ar 反應體系、冷態輸送ZrCl₄粉末、CVD 製備出ZrC 塗層，研究了ZrC 晶體結構和顯微組織結構;分析化學氣相沉積過程中ZrC 塗層的缺陷特徵和形成機制，將缺陷類型細分為裂紋、片狀脫落及未報導過的“蠕蟲狀”凸起，從氣體界面反應、熱應力集中、氣流狀態等方面分析這些缺陷產生的原因，並提出缺陷控制方法。

2200℃以上抗氧化塗層

難熔HfC 和TaC 超高溫陶瓷具有優異的抗熱震性能和高熔點，碳化物熔點高於氧化物熔點，不存在固相轉變，高溫強度高，抗氧化性能優異，是國外2200℃以上超高溫抗氧化的理想材料。但由於超高溫陶瓷塗層與C /C 材料熱物理性能的差異產生熱應力必然會引起塗層的龜裂和脫落，工作溫度越高、熱應力越大、塗層越容易龜裂和脫落。因此，超高溫陶瓷塗層必須與C /C 複合材料熱物理性能匹配的SiC 塗層結合起來，選用SiC 塗層作為C /C 複合材料的底塗層，在SiC 底塗層上再進行超高溫陶瓷塗層，從而提高超高溫抗氧化塗層與C /C 本體材料的熱匹配性能和抗剝落能力，如X-43A 飛行器機頭鼻錐前緣抗氧化塗層為以CVD-SiC 為底層、HfC、ZrB₂等超高溫陶瓷為燒蝕層的多層複合塗層體系，提高抗氧化塗層的抗熱震性能和抗剝落能力。

陶瓷基體改性複合材料

由於SiC 與C /C 複合材料的熱脹係數較為匹配，成為C /C 複合材料基體抗氧化改性最為常用的陶瓷材料，得到的複合材料稱為C /C-SiC 碳陶複合材料。材料中SiC 基體的主要作用是氧化形成緻密的SiO₂基玻璃質層，可有效保護碳纖維不被氧化。同時，SiC 陶瓷基體的製備技術成熟,原材料來源廣泛、成本低，因而得到廣泛套用。

超高溫陶瓷基體改性C/C 複合材料

C /C-SiC 碳陶複合材料使用溫度低，2000℃以上熱防護部件需選用超高溫陶瓷改性碳陶複合材料。俄羅斯研製的C /C-TaC-HfC 碳陶複合材料喉襯經過了8.0 MPa、3800℃、60 s 發動機試車考核，線燒蝕率比多維編織C /C 複合材料喉襯明顯降低。史景利採用瀝青和氯化鋯為原料合成含鋯瀝青，採用這種瀝青經浸漬-裂解後鋯與瀝青碳反應生成ZrC 分布於碳基體中，從而製備出C /C-ZrC 多元基體抗氧化複合材料。