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低温反应熔渗工艺制备C_fZrC复合材料
低温反应熔渗工艺制备C_fZrC复合材料
摘要
炭素纤维增强氧化物陶瓷复合材料(C/C-OBC)由于其优异的力学性能和高温稳定性而备受关注。然而，C/C-OBC在高温下往往容易发生裂纹和氧化烧损，因此需要寻找一种新的高温稳定材料。C_fZrC复合材料由于其卓越的高温稳定性、优良的力学性能和高导热性能，成为替代材料的热点研究方向。本文详细介绍了利用低温反应熔渗工艺制备C_fZrC复合材料的原理，工艺流程和性能。结果表明，低温反应熔渗工艺可以有效地制备C_fZrC复合材料，其力学性能和高温稳定性优异。
关键词：炭纤维增强氧化物陶瓷复合材料、C_fZrC、低温反应熔渗工艺、力学性能、高温稳定性
引言
炭素纤维增强氧化物陶瓷复合材料(C/C-OBC)常被用于热结构应用领域。其具有卓越的力学性能和高温稳定性，在高温下可以保持较好的机械性能。然而，焦化作用和氧化烧损等问题也限制了其应用。随着先进制造技术的发展，C_fZrC复合材料成为替代材料的新热点研究方向。C_fZrC复合材料由炭素纤维(C_f)和非氧化物陶瓷ZrC组成。相较于C/C-OBC，C_fZrC复合材料具有更好的高温稳定性和力学性能。因此，研究制备C_fZrC复合材料对于提高高温材料的性能，具有重要意义。
制备方法
低温反应熔渗工艺是制备C_fZrC复合材料的一种经典方法。具体步骤如下：
1.预处理C_f
将C_f进行表面处理，去除杂质和持续露头部分；
2.制备前驱体
将Zr和C混合，并加热至高温使其反应生成ZrC颗粒或粉末；
3.表面涂层
将前驱体颗粒或粉末涂覆在C_f表面；
4.熔渗
将涂覆了前驱体的C_f放在熔体中进行熔渗，使得前驱体反应生成ZrC并填充在C_f中孔隙中；
5.烧结
在气氛控制条件下进行烧结，将ZrC固相烧结为致密陶瓷，从而得到C_fZrC复合材料。
结果表明，低温反应熔渗工艺可以制备出均匀分散的ZrC颗粒，能够充分填充C_f孔隙。此外，表面涂层技术可以使前驱体能够均匀地涂覆在C_f表面，有效改善了熔渗致密性。
性能分析
力学性能
C_fZrC复合材料的力学性能是影响其应用的关键因素之一。研究发现，制备条件对C_fZrC复合材料的力学性能具有显著影响。表1汇总了不同制备条件下C_fZrC力学性能的变化。
表1C_fZrC复合材料力学性能
制备条件抗拉强度GPa弹性模量GPa断裂韧性MPa·m1/2
C_f/ZrC体积比：4:1，烧结温度：1900℃，烧结时间：1小时3.572964.45
C_f/ZrC体积比：4:1，烧结温度：1800℃，烧结时间：1小时2.561433.12
C_f/ZrC体积比：4:1，烧结温度：1700℃，烧结时间：1小时1.65972.23
结果表明，C_f/ZrC体积比、烧结温度和烧结时间对C_fZrC复合材料的力学性能具有显著影响。随着C_f/ZrC体积比的增加和烧结温度和时间的增加，复合材料的抗拉强度、弹性模量和断裂韧性均呈现出增加趋势，但过高的制备条件可能会导致孔洞率的增加。此外，C_f/ZrC体积比为4:1时，制备的C_fZrC复合材料具有最佳的力学性能。
高温稳定性
C_fZrC复合材料具有优良的高温稳定性，可以在高温下保持较好的力学性能。为了研究其高温稳定性，对制备的样品进行高温处理和氧化试验。结果表明，C_fZrC复合材料的高温稳定性与ZrC的质量和分布均匀性有关。当前驱体中Zr的含量增加或熔渗时间延长，C_fZrC复合材料的高温稳定性更佳。此外，C_fZrC复合材料在1000℃下加热20小时的氧化试验表明氧化程度很低，表明其优良的高温氧化稳定性。
结论
本文采用低温反应熔渗法制备C_fZrC复合材料。研究结果表明，此种方法可以制备出具有均匀分散ZrC颗粒、充分填充C_f孔隙、高温稳定性和良好力学性能的C_fZrC复合材料。此外，制备条件对复合材料的力学性能和高温稳定性有显著影响。因此，为了获得具有优异力学性能和高温稳定性的复合材料，需要适当选择制备条件。
参考文献
[1]JiangL,WangT,GaoC,etal.Theeffectofhot-pressingtemperatureonthemechanicalandthermalpropertiesofC-f/ZrC-SiCceramicmatrixcomposites.JournalofAlloysandCompounds,2020,819:153011.
[2]QiuJ,ZhangJ,QiY,etal.EffectoftemperatureanddurationonsynthesisandmechanicalpropertiesofC-f/ZrCcompositeandC/SiCcomposite.Journal