2D-C/C-SiC復(fù)合材料強粒子沖蝕下的失效分析

王佩瑤，湯素芳，龐生洋，胡成龍，金劍鋒

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2D-C/C-SiC復(fù)合材料強粒子沖蝕下的失效分析

王佩瑤1，湯素芳2，龐生洋2，胡成龍2，金劍鋒1

1東北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院材料各向異性與織構(gòu)教育部重點實驗室，沈陽1108192中國科學(xué)院金屬研究所，沈陽110016

本文采用化學(xué)氣相滲透 (CVI) 工藝制備了2D針刺預(yù)制體增強的C/C-SiC復(fù)合材料，并對材料密度、力學(xué)性能以及強粒子沖蝕下的燒蝕機理和破壞機制進行了分析。結(jié)果表明，C/C-SiC復(fù)合材料在強粒子沖蝕下的破壞機制主要為機械沖蝕和顆粒侵蝕，其次是沖蝕過程中伴隨的少量氧化。材料內(nèi)層間孔、束間孔以及針刺孔的存在加劇了C/C-SiC復(fù)合材料破壞。研究發(fā)現(xiàn)，通過改變預(yù)制體結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)材料力學(xué)性能的均衡，并提高材料密度以減少材料的孔隙率將成為該使用環(huán)境下的材料設(shè)計原則

C/C-SiC復(fù)合材料；燒蝕；氧化

燃?xì)舛媸且环N在火箭噴流中的特殊翼，用于導(dǎo)彈的推力向量控制。早期的中程液體地-地導(dǎo)彈以及運載火箭均采用石墨材料制備的燃?xì)舛?。隨著大型運載火箭和遠(yuǎn)程地地導(dǎo)彈的逐步發(fā)展，燃?xì)舛嬗捎诳刂频纳Σ荒軡M足控制要求而被擺動噴管等新技術(shù)取代。近年來，隨著戰(zhàn)術(shù)垂直發(fā)射導(dǎo)彈的發(fā)展，燃?xì)舛嬗捎谠诳刂品桨干纤邆涞脑S多優(yōu)點而重新被設(shè)計師們優(yōu)先選用。固體火箭噴流，不但具有很高的溫度，極強的腐蝕性，還含有大量的高速Al2O3粒子沖刷，因此燃?xì)舛姹仨氝x用高強度、抗氧化、耐燒蝕和抗沖刷的材料[1,2]。

C/C復(fù)合材料具有低密度、高比強度和比模量、耐腐蝕、高熱導(dǎo)、低熱膨脹系數(shù)、耐燒蝕等特點，尤其在高溫下，C/C復(fù)合材料依然能夠保持良好的力學(xué)性能，是目前唯一能夠使用到3000°C以上的結(jié)構(gòu)材料，廣泛應(yīng)用于航空剎車系統(tǒng)、航天熱防護系統(tǒng)及火箭發(fā)動機噴管等領(lǐng)域[3-7]。但C/C復(fù)合材料的缺點在于不抗氧化，碳在空氣中380°C即開始氧化，且隨著溫度升高氧化加劇[8,9]。

C/C-SiC復(fù)合材料是在C/C復(fù)合材料基礎(chǔ)上進行基體改性后獲得的一種復(fù)合材料，具有低密度、耐高溫、強度高、抗燒蝕、抗腐蝕、耐沖刷及較低的膨脹系數(shù)等諸多優(yōu)良性能[10-12]，與C/C復(fù)合材料相比，還具有優(yōu)異的抗氧化性能[13]。

C/C-SiC復(fù)合材料的制備工藝包括化學(xué)氣相滲透(Chemical Vapor Infiltration, CVI)、熱壓燒結(jié) (Hot-Pressing, HP)、熔融硅浸滲 (Liquid/Melt Silicon Infiltration, LSI)、前驅(qū)體浸漬裂解(Polymer Impregnation and Pyrolysis, PIP) 等。其中CVI工藝制備的SiC基體具有結(jié)晶性好、強度高、硬度大、耐燒蝕等特點，且工藝過程對纖維損傷小，因而該工藝制備的C/C-SiC復(fù)合材料性能更為優(yōu)異，更適合燃?xì)舛娴膽?yīng)用環(huán)境[14-17]。

本實驗中擬采用CVI工藝獲得C/C-SiC復(fù)合材料，針對燃?xì)舛娴膽?yīng)用環(huán)境，研究C/C-SiC復(fù)合材料在強粒子沖刷下的燒蝕機理及破壞機制。

1實 驗

1.1材料制備

本試驗中采用2D針刺結(jié)構(gòu)的碳纖維預(yù)制體作為增強體。該氈體采用一層 T700 12K PAN CF 無緯布與一層T700 12K PAN CF 超薄型網(wǎng)狀織物相疊層，1.X+1.Y方式連續(xù)針刺而成，無緯布為0°/90°鋪層，纖維含量約25 vol% ~ 30 vol%，圖1所示為其結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 纖維預(yù)制體示意圖

Figure 1 Schematic diagram of 2D punching fiber preform body

將碳纖維預(yù)制體置于均熱法CVI爐內(nèi)，通入Ar氣保護后升溫至1200°C進行脫膠處理。然后，在均熱法CVI爐內(nèi)于900°C ~ 1000°C通入丙烷，在碳纖維表面沉積熱解碳，獲得C/C復(fù)合材料。最后將C/C置于均熱法CVI設(shè)備中，升溫至950°C ~ 1100°C，通入Ar氣、H2氣和MTS (三氯甲基硅烷)，沉積SiC基體，制得密度為1.65 g/cm3~ 1.75 g/cm3的C/C-SiC復(fù)合材料。

1.2性能測試

采用體積法測定樣品體積密度。

采用深圳市新三思材料檢測有限公司的CMT 5205電子萬能試驗機對材料進行力學(xué)性能測試。拉伸試驗樣品外形為狗骨頭形，樣品總長110 mm，拉伸段長度35 mm，拉伸截面尺寸7 mm × 7 mm，加載速率為5 mm/min；三點彎曲試驗樣品尺寸80 mm × 10 mm × 6 mm，跨距為70 mm，加載速度為2 mm/min；壓縮試驗樣品尺寸為10 mm × 10 mm × 10 mm，加載速度為1 mm/min。

采用等離子射流對樣品進行強粒子沖刷下的燒蝕試驗，試樣尺寸50 mm × 50 mm × 5 mm，燒蝕氣流為 Al2O3、ZrO2粒子、C3H8、O2、空氣，燒蝕表面溫度為1700°C。燒蝕采用兩種形式：30°攻角和90°攻角。

采用美國FEI公司Nova NanoSEM 430和Inspect F50場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察試樣的微觀結(jié)構(gòu)。

圖2 C/C-SiC的SEM照片：(a)低倍數(shù)；(b)高倍數(shù)；(c)層間孔；(d)束間孔

Figure 2 SEM photographs of the C/C-SiC: (a) low magnification; (b) high magnification; (c) inter-layer pore and (d) Inter-bundle pore

2結(jié)果與討論

2.1材料微觀結(jié)構(gòu)及密度

C/C-SiC復(fù)合材料一種由碳、碳化硅雙元基體組成的均質(zhì)材料，其中碳基體的主要作用是降低材料密度、提高材料的超高溫結(jié)構(gòu)強度；SiC基體的主要作用是提高材料的抗氧化和抗沖蝕能力。圖2所示為本研究制備的C/C-SiC復(fù)合材料的典型微觀形貌。可以看到，碳纖維的內(nèi)層由熱解碳基體包裹，外層則由SiC基體包裹，形成C-SiC的雙元基體。另外，在短纖維網(wǎng)胎層和針刺區(qū)域仍存在一定量的層間孔和束間孔以及纖維針刺孔。

表1列出了本研究制備的C/C-SiC復(fù)合材料的密度。從表中可以看到，當(dāng)C/C復(fù)合材料的密度為1.6 g/cm3時，最終獲得的C/C-SiC密度為1.71 g/cm3~ 1.76 g/cm3；C/C復(fù)合材料的密度為1.5 g/cm3時，最終獲得的C/C-SiC密度為1.65 g/cm3~ 1.72 g/cm3。

表2 C/C-SiC復(fù)合材料的力學(xué)性能

2.2材料的力學(xué)性能

表2列出了本研究制備的C/C-SiC復(fù)合材料的力學(xué)性能?？梢钥闯?，由針刺結(jié)構(gòu)增強的C/C-SiC復(fù)合材料其拉伸強度為100 MPa，彎曲強度為295 MPa，壓縮強度為285 MPa?？紤]到C/C-SiC復(fù)合材料的力學(xué)性能具有一定的離散性，可以認(rèn)為由初始密度1.5 g/cm3和1.6 g/cm3的C/C制備的兩種C/C-SiC的力學(xué)性能基本相近。

2.3 材料失效分析及燒蝕機理

圖3為C/C-SiC復(fù)合材料在30°和90°攻角下的宏觀燒蝕形貌?？梢钥吹?，對于由初始密度為1.6 g/cm3的C/C材料制備的C/C-SiC 復(fù)合材料，采用30°攻角燒蝕，燒蝕時間分別為60 s (1#) 和70 s (2#) 的試樣均出現(xiàn)了大的斜穿孔，孔面光滑基本無偏轉(zhuǎn)，而另一塊試樣在燒蝕80s后 (3#) 仍然保持結(jié)構(gòu)完整，沒有出現(xiàn)燒蝕現(xiàn)象。對于由初始密度為1.5 g/cm3的C/C材料制備的C/C-SiC 復(fù)合材料，采用30°攻角燒蝕，燒蝕80 s后的試樣 (4#) 仍然保持結(jié)構(gòu)完整，另一塊在燒蝕時間為40 s后 (5#)出現(xiàn)大的斜穿孔，孔面有明顯的階梯狀偏轉(zhuǎn)；采用90°攻角 (垂直) 燒蝕后試樣 (6#) 出現(xiàn)了大的直穿孔。

圖4示出了30°攻角下C/C-SiC復(fù)合材料 (圖3，2#) 在強粒子沖蝕后斜穿孔周圍的破壞形貌。從圖中可以看到，C/C-SiC在火焰高速沖刷下造成了30°方向的基體撕裂脫粘，然后在層間擴展，進而沿30°方向向下擴展，從而形成階梯狀斷裂，而非典型的球面凹陷 (氧化破壞的常見形貌)。同時，樣品表面因長時間和火焰接觸而出現(xiàn)了少量的氧化現(xiàn)象，部分纖維氧化成針尖狀結(jié)構(gòu)，并在高速氣流沖刷下產(chǎn)生了部分剝蝕。圖5顯示了90°攻角下C/C-SiC復(fù)合材料 (圖3，6#) 在強粒子沖蝕后直穿孔周圍的破壞形貌。從放大照片可以看出，其斷口呈現(xiàn)90°方向的基體撕裂脫粘，形成穿透性孔洞。失效處的纖維主要呈斷裂形態(tài)，未有明顯氧化，說明樣品的破壞主要是由于粒子流垂直樣品表面沖擊造成的剪切破壞。

圖3 由不同初始密度的C/C制得的C/C-SiC復(fù)合材料在30°和90°攻角下的宏觀燒蝕形貌

Figure 3 Macroscopic ablation morphology of the C/C-SiC composite at 30°(1#~ 5#) and 90°(6#) of attack:(a) C/C with an initial density of 1.6 g/cm3; (b) C/C with an initial density of 1.5 g/cm3

圖4 30°攻角下C/C-SiC復(fù)合材料強粒子沖蝕破壞微觀形貌 (C/C材料初始密度為1.6 g/cm3)

Figure 4 Microstructure of the break C/C-SiC composite by ablation of high-current particle beam at angle 30°(C/C with an initial density of 1.6 g/cm3)

圖5 90°攻角下C/C-SiC復(fù)合材料強粒子沖蝕破壞微觀形貌 (C/C材料初始密度為1.5 g/cm3)

Figure 5 Microstructure of the break C/C-SiC composite by ablation of high-current particle beam at angle 90°(C/C with an initial density of 1.5 g/cm3)

在強粒子沖蝕試驗中，最開始的破壞是由Al2O3、ZrO2粒子引起的顆粒侵蝕并伴有少量氧化，Al2O3、ZrO2粒子不斷撞擊所留下的凹坑逐漸加深，期間由于凹坑的出現(xiàn)引起了熱量的累積，使得侵蝕進一步加重。引起機械剝蝕這一破壞的主要原因一方面在于高速下的強粒子流具有很高的能量，另一方面基體與纖維的熱膨脹系數(shù)有差異，在強粒子燒蝕試驗中，樣品溫度迅速上升，引起基體與纖維發(fā)生不同的膨脹，當(dāng)熱應(yīng)力與強粒子流的沖擊力之和大于纖維與基體之間的結(jié)合強度時，就會引起纖維的脫黏以及纖維的剪切斷裂。在燒蝕開始時，束間孔和針刺纖維孔因其孔的方向平行于火焰方向 (90°攻角或30°攻角分解量)，針刺孔的存在以及針刺纖維表面較高的反應(yīng)活性導(dǎo)致針刺孔附近和針刺纖維更易被燒蝕火焰攻擊，進而形成氧化和機械剝蝕的起點，進一步的氧化和機械沖刷將導(dǎo)致該位置形成明顯的燒蝕坑。當(dāng)纖維束間受力產(chǎn)生滑移時，其裂紋可能沿相鄰纖維層間偏轉(zhuǎn) (層間孔的存在)，然后再向下層纖維束間擴展 (束間孔的存在)，從而呈階梯狀撕裂。另外，裂紋也可能直接向下層纖維束間擴展，呈現(xiàn)直線型撕裂。

根據(jù)以上分析可知，C/C-SiC復(fù)合材料在燒蝕條件下的主要破壞形式為嚴(yán)重的機械沖刷以及少量的氧化。影響C/C-SiC復(fù)合材料機械沖蝕性能的主要因素是材料結(jié)構(gòu)的均勻性和力學(xué)性能。預(yù)制體結(jié)構(gòu)類型及纖維含量對碳基、陶瓷基復(fù)合材料的力學(xué)性能有至關(guān)重要的影響。本研究采用2D針刺結(jié)構(gòu)的碳纖預(yù)制體作為增強體，該預(yù)制體結(jié)構(gòu)簡單，制造難度和制造成本較低，且有利于后續(xù)復(fù)合材料的致密。但該預(yù)制體不適合力學(xué)性能苛刻的使用環(huán)境，由其作為增強體制備的碳基、陶瓷基復(fù)合材料彎曲強度一般在150 MPa ~ 350 MPa；并且力學(xué)性能穩(wěn)定性相對較差，針刺纖維束附近將表現(xiàn)出較低的力學(xué)性能，因此密度相近的C/C-SiC復(fù)合材料在強粒子沖蝕實驗中有的破壞嚴(yán)重有的則形態(tài)保持完整。密度和材料的力學(xué)性能存在一定的依存關(guān)系，在預(yù)制體結(jié)構(gòu)類型和制備工藝相同的情況下，材料密度越高，強度更大。本研究中材料的最終密度為1.65 g/cm3~ 1.76 g/cm3，材料內(nèi)部仍存在10% ~ 15% 的孔隙率。大量向針刺孔的存在將成為燒蝕氣流的沖刷的薄弱環(huán)節(jié)。

3結(jié) 論

本文對C/C-SiC復(fù)合材料進行了強粒子沖蝕實驗，得到了以下結(jié)論：

(1) 在強粒子沖蝕下，預(yù)制體結(jié)構(gòu)和材料密度是影響材料耐沖蝕性能的關(guān)鍵。通過改變預(yù)制體結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)材料力學(xué)性能的均衡，并提高材料密度來減少材料的孔隙率將成為該使用環(huán)境下材料設(shè)計的原則。

(2) C/C-SiC復(fù)合材料在強粒子沖蝕下的破壞機制主要為機械沖蝕和顆粒侵蝕，其次是沖蝕過程中伴隨的少量氧化。材料內(nèi)層間孔、束間孔以及針刺孔的存在加劇了C/C-SiC復(fù)合材料破壞。

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Failure Behavior of 2D-C/C-SiC Composites Under High-Energy Particle Erosion

WANG Pei-Yao1, TANG Su-Fang2, PANG Sheng-Yang2, HU Cheng-Long2, JIN Jian-Feng1

1Key Laboratory for Anisotropy & Texture of Materials, Ministry of Education, Northeastern University, Shenyang 110819,China2Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China

A 2D-C/C-SiC composite enhanced by needle-punching preform was densified by chemical vapor infiltration (CVI) technique, and its density, mechanical properties and the ablation and failure mechanisms under a high-energy particle erosion test were investigated in this work. The results show that the failure behavior of the composite under high-energy particle erosion were mainly controlled by the mechanical scour and the impacted particles eroding, and also controlled by the slight oxidation of the composite. The inter-layer, inter-bundle and needling pores in the C/C-SiC composite will aggravate the failure of the composite. It suggested that homogenizing the mechanical properties in different areas of the composite by changing the preform structure and reducing the porosity by increasing the material density would be two key design principles for the C/C-SiC composite operating in the high-energy particle erosion condition.

C/C-SiC composite; Ablation; Oxidation

10.16253/j.cnki.37-1226/tq.2016.07.001

A

1005-1198 (2016) 05-0325-07

TB332

2016-07-14收到修改稿時間：2016-09-22

航天先進制造技術(shù)研究聯(lián)合基金 (U1537204)；國家自然科學(xué)基金 (51301035)；中央財政基本科研業(yè)務(wù)費 (N151004004)；遼寧省高等學(xué)校優(yōu)秀人才支持基金(LJQ2015037)。

王佩瑤 (1994-), 女, 黑龍江哈爾濱人, 碩士研究生。E-mail：313110022@qq.com。

湯素芳 (1980-), 女, 湖南益陽人, 研究員。E-mail: sftang@imr.ac.cn。