碳/碳复合材料表面烧蚀研究进展

安 娜

(西安航空职业技术学院 航空材料工程学院，陕西 西安 710089)

碳基复合材料一般是指以碳纤维或者碳化硅作为增强体加入到碳基材料中所制备的复合材料，而C/C复合材料就是碳基复合材料中的一种[1]。碳/碳复合材料具有高强度、高模量、高韧性、隔热抗辐射等诸多优越性能，是航空航天领域中使用的重要材料，长期以来C/C复合材料一直存在一个研究问题,就是在富氧超高温环境下其表面的氧化烧蚀比较严重(见图1)。研究表明，如果C/C复合材料表面氧化失重为1%时，其材料的强度将下降10%；当氧化失重达到10%时，其材料强度急速下降至50%。而目前来说C/C复合材料主要用于飞行器(火箭内部发射器、洲际导弹、特种飞机等)，其服役的环境极其恶虐，在飞行器穿越大气层过程中，复合材料就会受到非常大的影响。长期以来如何改善C/C复合材料的性能一直是研究的热点[2-4]。

图1 C/C复合材料表面烧蚀图片

本文通过介绍C/C复合材料表面烧蚀机理，从实验和计算机模拟两方面分别介绍了目前对于C/C复合材料烧蚀问题的研究及解决的最新研究进展，从而为C/C复合材料下一步的研究和应用提供一定的理论学术参考意见。

1 C/C复合材料表面烧蚀机理

C/C复合材料在隔绝氧气的条件下可保持3 000 K以上的高温稳定性，这对于宇宙飞船来说是非常好的外层材料，但在含氧条件下，温度为673 K时将会发生缓慢氧化过程[5]。C/C复合材料是一种碳纤维增强的碳基复合材料，其氧化过程是一种非碳化气相反应过程，图2为其氧化机理示意图。由于经过碳纤维复合的材料其表面本身存在大量的缺陷及活性位点，在氧气条件下这些活性位点极易吸附大量的氧气分子，在一定温度条件下氧气分子将会和表面的活性位点中暴露的碳元素发生氧化反应：C+O2=CO2、2C+O2=2CO，这就是所谓的表面烧蚀反应。在反应结束后CO和CO2会在材料表面留下孔洞，这些孔洞降低了材料的强度也使得烧蚀逐渐向着材料内部进行[6-7]。如果要解决C/C复合材料表面烧蚀的问题就必须减少其表面的活性位点，从而阻隔其与氧气的接触反应。

图2 C/C复合材料表面氧化机理示意图

2 C/C 复合材料烧蚀研究进展

对于C/C复合材料的研究可以追溯至20世纪80年代，CHANG H W课题组和Han课题组都对C/C复合材料表面的烧蚀机理和理论模型进行了早期的研究[8-9]。 JOHN D BUCKLEY 等[10]系统地研究了在富氧条件下复合材料表面的氧化侵蚀机理。王臣等[11]采用计算流体力学软件对烧蚀后材料的形貌及流场的变化情况进行了模拟的研究，并提出了C/C复合材料在高温流场侵蚀下材料的损伤变化机理。LABORDE 等[12]等人采用Abaqus软件对C/C复合材料模型高温下的热力学进行了模拟研究，从而对不同温度对材料损伤情况，烧蚀位点进行了有效的分析预测。

在实验方面，KOJI FUJIMOTO 等人[13]采用高温等离子喷射的方式系统研究了不同温度下材料所发生的氧化现象。XIANG GUO等[14]为了解决材料的高温稳定性问题，将ZrB2和SiC粉体混合料浆涂抹于C/C复合材料表面并进行高温烧结，形成的保护膜可以使复合材料在1 500 ℃氧化30 min后仅失重0.06%，图3为材料的制备流程图和形貌图。J P Goulmy[15]等人采用XRD研究了不同温度下C/C/SiC的氧化过程。

图3 涂层制备过程示意图

Peipei Wang等人[16]采用原位合成法在SiC涂层C/C复合材料表面制备了HfB2。研究了涂层C/C试样在1 773、1 873和1 973 K下的抗氧化性能。结果表明，HfB2梯度改性SiC涂层具有优良的抗氧化性能，在1 773、1 873和1 973 K温度下可分别在800、305和100 h保护C/C基体,图4为其复合涂层薄膜示意图。

图4 HfB2-SiC多层膜梯度涂层示意图

3 研究展望及总结

本文从C/C复合材料存在的表面烧蚀机理出发，指出了C/C复合材料存在氧化烧蚀问题的所在，同时分别从计算机模拟和实验两方面总结了目前针对于C/C复合材料表面烧蚀问题研究的进展，从而为C/C材料的进一步研究和应用提供了指导。