SiC-ZrB2改性C/C复合材料在非稳态超高温环境中的低温烧蚀机理研究
批准号:
51902239
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
25.0 万元
负责人:
刘磊
依托单位:
学科分类:
结构陶瓷
结题年份:
2022
批准年份:
2019
项目状态:
已结题
项目参与者:
关键词:
中文摘要
SiC-ZrB2改性C/C复合材料(C/C-SiC-ZrB2)有望用于速射武器身管内衬和高功率密度柴油机活塞等装备热端关重件,工作时超高温燃气以单次毫秒级短时加载、高频冲击且存在附壁燃烧等非正常焰流,形成材料表面平均温度远低于环境温度但剧烈震荡并伴随强烈粒子冲蚀的独特低温烧蚀环境。本项目针对改性C/C复合材料在上述工况中的失效机制尚不明确这一现状,通过化学气相渗透结合前驱体浸渍裂解法制备C/C-SiC-ZrB2,借助自研的氧乙炔燃气耦合刚玉砂冲蚀往复加载烧蚀测试装置,重点研究该材料在不同加载和燃烧环境中的低温烧蚀机理,探究SiC-ZrB2分布形态和微结构以及表面金属封填对烧蚀的影响规律与作用机制,以期阐明非稳态超高温环境参数、复合材料基体特性与材料烧蚀机理的内在联系,从而建立复合材料在非稳态超高温环境中的烧蚀模型,获得基体优化方法。
英文摘要
SiC-ZrB2 modified C/C composites (C/C-SiC-ZrB2) are promising candidates for key components as liner tube of fast-fire weapon barrel and piston of diesel engine with high-power density. The composite will be ablated by the high-frequency impacted flame at ultra high temperature cooperated with strong thermal shock and sand erosion in the course of using, while the surface temperature is much lower than the environment. The project is aimed at the failure mechanism of C/C composites in the conditions mentioned above. The C/C-SiC-ZrB2 will be prepared by chemical vapor infiltration combined precursor infiltration and pyrolysis. Testing under cyclic impact of oxyacetylene torch coupled corundum sand erosion on the self-developed device, the low-temperature ablation mechanism of the material in different loading and combustion environments, effect of SiC-ZrB2 distribution and microstructure and the surface metallization on the ablation will be mainly studied. And then the internal relations among parameters of ultra high temperature environment in unsteady state, microstructure of composite and ablation mechanism will be elucidated. Ablation model and optimization method of matrix should be finally obtained.
随着制备技术的成熟和性能的持续提升,C/C-SiC-ZrB2复合材料有望用于速射武器身管内衬和高功率密度柴油机活塞顶等兵器装备热端关重件,以解决其固有的烧蚀问题。针对超高温燃气高频往复冲击并伴随强烈粒子冲蚀的服役工况,研究了不同载荷谱条件下的烧蚀特性和陶瓷相结构、表面金属化的影响。发现单次冲击时长(50~0.2s)缩短、累积冲击次数(~2000次)增加时烧蚀率持续下降,烧蚀过程中材料表面温度峰值远低于燃气温度,但表面高发射率、低热导率结构单元在燃气冲击过程中会成为高温“热点”,其氧化和热震\冲刷剥离特性直接影响表面烧蚀产物的累积形态进而决定烧蚀性能;耦合冲蚀后复合材料烧蚀率显著增大,固态粒子对表面烧蚀产物和复合材料基材的冲击损伤主导了材料烧蚀。SiC-ZrB2微结构调控能够缓解“热点”附近的热失配从而一定程度上提高复合材料的抗烧蚀性能,而B的氧化物能够在“热点”烧蚀产物的烧结和铺展方面起到重要的积极作用。表面金属化尤其与C/C-SiC-ZrB2骨架形成互穿网络结构后复合材料的强度、热导、抗冲蚀性能等显著提升,烧蚀率随金属相熔点呈现出对服役环境更高的敏感性,在单次短时长和低温度燃气冲击方面具有更优的抗烧蚀能力。本项目重点探究了超高温燃气高频往复冲击环境中导致烧蚀的“热点”的形成机制及其调控方法,揭示了这一超高温环境中的低温烧蚀机理,为C/C-SiC-ZrB2复合材料针对性优化指明了方向。
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Effect of infiltrated eutectic AlSi on the microstructure and properties of C/C composites
共晶AlSi对C/C复合材料组织与性能的影响
DOI:
10.1177/0021998320969794
发表时间:
2020-10
期刊:
Journal of Composite Materials
影响因子:
2.9
作者:
[Lei Liu, Boyan Li, Yongchun Guo, Xiyuan Yao, Wei Yang, Wei Feng, Xingyu Chen, Xiaotian Wei, Yu Gao]
通讯作者:
Yu Gao
Effect of Single Loading Time to the Cyclic Ablation of C/C-SiC-ZrC Composite.
单次加载时间对C/C-SiC-ZrC复合材料循环烧蚀的影响
DOI:
10.3390/ma15197027
发表时间:
2022-10-10
期刊:
Materials (Basel, Switzerland)
影响因子:
--
作者:
[]
通讯作者:
Microstructure and properties of C/C-SiC composites prepared by reactive melt infiltration at low temperature in vacuum
真空低温反应熔渗制备C/C-SiC复合材料的组织与性能
DOI:
10.1016/j.ceramint.2019.11.195
发表时间:
2020-04-15
期刊:
CERAMICS INTERNATIONAL
影响因子:
5.2
作者:
[Liu, Lei, Zhang, Leilei, Zheng, Jiaqi]
通讯作者:
Zheng, Jiaqi
Effect of preset interfacial ZrB2 particles on the microstructure and properties of C/C-AlSi composites
预设界面ZrB2颗粒对C/C-AlSi复合材料组织与性能的影响
DOI:
10.1177/00219983211004693
发表时间:
2021-04
期刊:
Journal of Composite Materials
影响因子:
2.9
作者:
[Wei Feng, Chengwei Tang, Lei Liu, Jian Chen, Yang Zhang, Xiyuan Yao, Donglin Zuo, Feilong Liu]
通讯作者:
Feilong Liu
Effect of surface air cooling on the high frequent cyclic ablation of C/C-SiC-ZrB2-ZrC composite under ms-scale single loading
表面空气冷却对毫秒级单次加载下C/C-SiC-ZrB2-ZrC复合材料高频循环烧蚀的影响
DOI:
10.1016/j.vacuum.2022.111274
发表时间:
2022-09-01
期刊:
VACUUM
影响因子:
4
作者:
[Feng, Wei, Han, Qinxin, Shi, Haotian]
通讯作者:
Shi, Haotian
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