耐高温、耐烧蚀SiC陶瓷基复合材料的高效制备及烧损机理
批准号:
U20A20242
项目类别:
联合基金项目
资助金额:
260.0 万元
负责人:
汤素芳
依托单位:
学科分类:
无机非金属基复合材料
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
汤素芳
中文摘要
针对空天飞机对可重复使用热防护材料及低成本高效制备技术的迫切需求,申请人提出了SiC陶瓷基复合材料微-纳碳网络基体结构均匀陶瓷化转变的制备新方法。但目前仍缺乏对多孔体结构设计方法、陶瓷化转变动力学机制、长时宽温域烧损机理等关键科学问题的深刻认识。本项目采用控制变量法,通过不同基体与界面多孔体所制C/SiC复合材料性能对比,获得多尺度碳网络基体与多组分碳-陶界面的设计准则;采用分子动力学与第一性原理计算得到纳米尺度液硅浸渗函数及SiC生长机制,结合实验以揭示多孔碳基复合材料均匀陶瓷化转变的反应机制;采用热震、氧化、烧蚀实验方法,阐明SiC陶瓷基复合材料长时宽温域烧损机理,并获得重复使用条件下材料结构-性能演变规律。从而建立低成本、短周期、高性能SiC陶瓷基复合材料的可控制备新方法,形成快速制备大尺寸复杂热结构部件的技术能力,推动型号研制进度,同时为在高铁、钢铁等行业的进一步推广应用奠定基础。
英文摘要
According to the urgent requirements of aerospace planes for reusable thermal protective materials and their low-cost and high-efficiency preparation techniques, the applicant has proposed a new preparation technique for SiC-matrix composites whose principle is uniform ceramization of micro-nano carbon-network structure matrix. However, there is still lack of deep understanding for structure design method of porous precursor, dynamics mechanism of uniform ceramization, ablation mechanism with long-time and wide-temperature range, et al. In this study, C/SiC composites with different properties will be prepared by changing matrix and interface structure of porous precursor, in order to achieve the design criteria of multiscale carbon-network matrix and multicomponent carbon-ceramic interface. The uniform ceramization mechanism can be obtained by investigating the function of liquid silicon infiltration and the growth mechanism of SiC using molecular dynamics and first principles calculations and experimental methods. The ablation mechanism with long-time and wide-temperature range and the structure-performance evolution rules of materials will be investigated by using thermal-shock, oxidation and ablation experimental methods. Through the above investigations, the low-cost, short-cycle preparation technique for high-performance SiC-matrix composites will be established and the manufacturing capacity of large and complex thermal-structure components will be formed, which can be efficient to promote the research progress of aerospace planes. It is also expected that the study will speed up the industrial application of SiC-matrix composites in the field of high speed railway and steel production.
高速飞行器飞行时面临的严酷热力环境给热防护系统带来了巨大挑战,低成本、短周期、高性能热防护材料已成为高速飞行器研制必须突破的关键。SiC陶瓷基复合材料是一种可在1650 ℃以下有氧环境中长时服役的热防护材料。然而,传统反应熔体浸渗法所制C/SiC陶瓷基复合材料存在硅、碳残留和纤维刻蚀的问题,导致材料性能较差;与此同时,其可重复使用性能评价研究匮乏,难以指导可重复使用飞行器热防护系统设计。针对上述问题,本项目开展了高强韧微纳多孔碳基复合材料的结构调控、多孔碳基复合材料均匀陶瓷化的动力学机制、高性能SiC陶瓷基复合材料的高效制备、可重复使用性能评价及长时宽温域烧损机理、大尺寸可控制备与加工技术等研究工作。通过研究,发明了SiC陶瓷基复合材料的微纳碳网络均匀陶瓷化制备新方法,与传统单一CVI或PIP方法相比,其制备周期大幅缩短;基于固化剂和溶剂的作用机制,建立了微纳多孔碳网络结构的调控设计准则,发现固化剂具有催化-交联双重作用,水含量对相分离过程影响显著,当微纳多孔碳网络基体中纳米孔占优且孔径分布范围窄时,更有利于获得高性能SiC陶瓷基复合材料;阐明了微纳多孔碳网络基体的均匀陶瓷化转变机制,发现陶瓷化过程中溶解-析出反应机制主导作用,非连续碳化硅层的形成是多孔碳完全陶瓷化的关键;揭示了极端重复使用环境下材料组成-结构转变与性能的关联规律,发现材料各组元的严重氧化损伤、热冲击裂纹扩展是造成性能衰减的主要原因;掌握了高性能SiC陶瓷基复合材料的低成本高效制备技术,研制的喷管、燃烧室、舵翼、防热瓦等构件完成了应用考核或飞行演示验证,形成了快速制备高速飞行器大尺寸异形复杂热结构部件的技术能力,满足了我国高速飞行器对低成本、短周期、高性能SiC陶瓷基复合材料的迫切应用需求,对推动型号研制进度和支撑装备未来发展具有重要的实际意义。
电耦合CVI致密C/C复合材料的成形工艺及机理研究
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批准号:U1537204
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项目类别:联合基金项目
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资助金额:253.0万元
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批准年份:2015
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负责人:汤素芳
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依托单位:
国内基金
海外基金