石墨、石墨基复合材料及Ti2AlC的超高温氧化行为

nanotoday

新型高超声速飞行器由于具有更加尖锐的气动外形以及更加宽广的飞行包线，从而面临更加极端的服役环境，如高温（1600 oC以上）、强氧化和冲蚀、长时（1800 s以上），因此需要使用更加先进的超高温热结构和热防护材料。其中，石墨-超高温陶瓷复合材料既具有低密度和高熔点等优点，又兼具了石墨优异的抗热震性能和超高温陶瓷优异的抗氧化性能，是目前超高温材料的研究热点之一。另外，三元层状MAX相陶瓷由于本身既具有较好的高温力学性能又具有较好的抗高温氧化性能，亦可能有作为一类新型超高温材料的应用潜力。评价一种材料能否作为超高温热结构和热防护材料，研究其抗超高温氧化性能是关键。然而，目前常用的电弧风洞和氧-乙炔焰等地面基超高温氧化测试技术虽然能够较好地模拟超高温极端环境，但其产生的测试环境比较复杂且测试参数可调控性较差（包括温度、氧分压、气体总压力和气体流速等）。采用这些测试方法不能确定单一环境因素对材料抗氧化性能的影响和作用机理，从而难以为材料性能的改善和新材料的设计提供必要的指导。因此，设计和建立能够系统地测试和评价材料在不同极端环境中抗氧化性能的地面基测试设备，是寻求和研发先进超高温材料的重要前提。 本论文工作中，首先基于电磁感应加热技术设计并建立了一个测试环境参数可精确调控的超高温氧化测试平台。该测试平台可以满足实验室对于材料超高温氧化行为研究的需要。其中，可以精确调控的参数包括温度（最高加热温度可达2800 oC，升降温速度可达100 oC/s，精度为±20 oC）、气氛类别（空气、氧气、惰性气体或预配混合气体等）、气体压力（10-101325 Pa，气体总压或氧分压）和气体流量（0-60 L/min）。同时，该测试平台还可原位监测并记录试样在测试过程中的表观形貌和线度的变化（精度为±0.02 mm）。 利用所建立的超高温氧化测试平台，研究了不同表面温度（1400-2000 oC）、气体流速（0.65-3 m/s）、气体压力（5-101 kPa）等对纯石墨材料在纯氧气中的氧化行为的影响规律。结果表明，在上述测试条件下石墨的氧化均遵循边界层扩散控制机制。其中，石墨的氧化速率与表面温度无明显相关性，但随着气体流速和压力的增加呈现出不同的增大趋势。根据化学反应边界层理论，建立了相关氧化模型，分析和探讨了上述各种环境因素对石墨氧化速率的影响和作用机理。 通过添加超高温陶瓷颗粒相制备石墨-超高温陶瓷复合材料是改善石墨抗超高温氧化性能的有效途径之一。本论文工作中，基于热力学的分析方法，优选出ZrB2单相和ZrB2+SiC双相作为氧化抑制剂添加相对石墨材料进行改性，并成功制备了相应的石墨-超高温陶瓷复合材料，即C-18wt.%ZrB2（GZ）和C-18wt.%ZrB2-6wt.%SiC（GZS）。之后，利用所建立的超高温氧化测试平台，研究了这两种超高温陶瓷添加相对石墨在1600 oC、空气中的抗氧化性能的改善效果。结果表明，由于在氧化过程中均能形成可以阻碍氧与基体直接接触的氧化膜，两者均能有效改善石墨的抗氧化性能，且其改善效果与表面氧化膜的微观结构密切相关。其中，由于SiO2玻璃相的生成使得氧化膜更为致密且与基体结合更好，ZrB2+SiC双相的添加对石墨抗超高温氧化性能的改善效果更为显著。 为了进一步评价GZS在不同超高温极端环境下的抗氧化性能，利用所建立的超高温氧化测试平台，研究了其在不同表面温度（1600-2000 oC）以及不同气氛和气体压力（0.5-20 kPa的氧气和空气）下的氧化行为。结果表明，GZS的氧化受氧通过表面膜向内的扩散控制。其中，表面温度的升高会促进SiC的活性氧化，从而造成表面膜微观结构的改变，进而导致GZS氧化速率的增大；而气体压力的升高虽然可以抑制SiC的活性氧化，但同时导致氧化膜中氧扩散通量的增大，因此GZS在氧气和空气中的氧化失重速率仍逐渐增大。 另外，利用此平台，研究了典型三元层状MAX相陶瓷Ti2AlC在1600-1800 oC、空气中的抗氧化性能及热稳定性。结果表明，在1650 oC以下，由于形成的氧化膜具有一定的保护性，Ti2AlC的氧化速率较低，因此具有较好的抗氧化性能；而在1700 oC以上，由于Ti2AlC基体发生了热分解，导致试样发生严重的膨胀变形且氧化速率急剧增大，因此材料的结构失稳且抗氧化性能失效。

近妖半_LMWhh

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