CN103724054B - 一种SiC-ZrC分段分喷管布的陶瓷基复合材料喷管 - Google Patents

一种SiC-ZrC分段分喷管布的陶瓷基复合材料喷管 Download PDF

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Abstract

一种SiC‑ZrC分段分布的陶瓷基复合材料，其特征在于包括多孔C/C复合材料骨架，SiC涂层和ZrC涂层，喉部为ZrC，直段和裙部SiC。C/C复合材料体积分数为70％～85％，ZrC体积分数为15％～30％，SiC体积分数为15％～30％。所述的陶瓷基复合材料为圆管状，前部直径变大，类似裙子，后部直径为2～8cm，前部直径为5～15cm。由于C/C复合材料易于被氧化烧蚀，SiC具有良好的抗氧化作用，而ZrC耐高温，生成的ZrO2熔点高达2680℃，故通过加入SiC和ZrC的SiC‑ZrC分段分布的陶瓷基复合材料提高了抗烧蚀和抗氧化能力。

Description

一种SiC-ZrC分段分喷管布的陶瓷基复合材料喷管
技术领域
本发明涉及一种陶瓷基复合材料喷管，特别是涉及一种SiC-ZrC分段分喷管布的陶瓷基复合材料喷管。
背景技术
C/C复合材料不但具有良好的导电导热性抗腐蚀性和热稳定性，而且还具有一系列优异的高温性能，如耐烧蚀，良好的高温强度保持率及抗热震性能等，是一种理想的轻质高温结构材料C/C复合材料虽然具有良好的高温耐烧蚀性能，然而极端环境中的应用需求(如高冲质比的固体火箭发动机喉衬材料、导弹鼻锥等)，对C/C复合材料的抗氧化耐烧蚀能力提出了更高的要求。此外，作为新一代飞行器燃烧室、鼻锥和机翼前缘等的理想轻质防热结构材料，耐烧蚀性能也是决定其可靠性、准确性和可操作性的重要因素。因此，为满足新一代高性能航空航天产品发展的需要，亟进一步提高C/C复合材料的耐高温烧蚀和耐冲刷性能。
近年来，美、俄、法等国家在C/C复合材料中添加TaC，ZrC，HfC等难熔碳化物来提高C/C复合材料的抗冲刷耐烧蚀能力，以承受更高的燃气温度或更长的服役时间。ZrC具有高熔点(3540℃)、高强度高硬度和良好的高温抗热震性能，是一种耐腐蚀、化学稳定性好的高温结构材料。在高温氧化环境中，其氧化产物ZrO2不但熔点高(2770℃)，而且具有相对低的蒸气压和热导率。又或是通过添加SiC来提高C/C复合材料的抗氧化能力，SiC高温氧化产物为SiO2，这是已知的最抗氧化的材料了。
文献“Yonggang Tong，Shuxin Bai，Hong Zhang，Ke Chen.C/C-SiC composite prepared bySi-10Zr alloyed melt infiltration.2012，38：3301-3307”通过反应熔渗法向多孔C/C预制体中熔渗Si-Zr合金制备了不含游离Si的C/C-SiC复合材料，合金中的Zr与C/C多孔体中的C和Si反应形成ZrC和ZrSi2，所获得复合材料具有较高的强度、较好的抗氧化性和抗烧蚀性。
文献“C/C-SiC复合材料的反应熔渗法制备与微观组织，赵彦伟，孙文婷，李俊平，刘宏瑞，张国兵，宇航材料工艺报，2013年第2期”中提出通过向多孔C/C预制体中熔渗如Si-Zr制备了不含游离Si的C/C-SiC复合材料，合金中的Zr与C/C多孔体中的C和Si反应生成ZrC和ZrSi2，所获得复合材料具有较高的强度、较好的抗氧化性和抗烧蚀性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种SiC-ZrC分段分喷管布的陶瓷基复合材料喷管，其特征在于所述的陶瓷基复合材料包括多孔C/C复合材料骨架，SiC涂层和ZrC涂层，喉部为ZrC，直段和裙部SiC。C/C复合材料体积分数为70％～85％，ZrC体积分数为15％～30％，SiC体积分数为15％～30％。
针对上述问题，本发明提供一种SiC-ZrC分段分喷管布的陶瓷基复合材料喷管，所述的陶瓷基复合材料为圆管状，前部直径变大，类似裙子，后部直径为2～8cm，前部直径为5～15cm。SiC涂层位于喷管的直段，即喉部以后温度低的部分。ZrC涂层位于喷管的群部，即喉部以前温度高的部分，包括喉部。SiC涂层与ZrC涂层的分界线距离喉部中心点1～5cm。SiC涂层和ZrC涂层渗入到C/C骨架中1～3mm。ZrC密度为6.78g/cm3，SiC的密度为3.22g/em3，ZrC较SiC重，比都为ZrC涂层的管子重量低。
本发明所述的C/C复合材料为喷管的主体结构，由于C/C复合材料易于被氧化烧蚀，SiC具有良好的抗氧化作用，生成的SiO2是已知的最抗氧化的材料，而ZrC耐高温，生成的ZrO2熔点高达2680℃，喉部耐高温的ZrC提高了C/C复合材料抗烧蚀能力，直段和裙部抗氧化的SiC则是提高C/C复合材料的抗氧化性能。
本发明具有的优点：1、复合材料中不含游离Si，高温性能更加优异；2、分段分布的SiC-ZrC层提高C/C复合材料的抗烧蚀和抗氧化能力；3、材料具有良好的热、化学稳定性，并且轻量化。
附图说明
图1为SiC-ZrC分段分布的陶瓷基复合材料的纵向图
10为C/C复合材料；20为SiC层；30为ZrC层
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定。
实施例1
参照图1，是一种SiC-ZrC分段分喷管布的陶瓷基复合材料喷管的纵向图。其中10为C/C复合材料，20为SiC层，30为ZrC层。复合材料为圆管状，后部管径为6cm，前部部管径为12cm。C/C复合材料为喷管的主体结构，SiC涂层位于喷管的直段，即喉部以后温度低的部分。ZrC涂层位于喷管的群部，即喉部以前温度高的部分，包括喉部。SiC涂层与ZrC涂层的分界线距离喉部中心点3cm。SiC涂层和ZrC涂层渗入到C/C骨架中2mm。
实施例2
参照图1，是一种SiC-ZrC分段分喷管布的陶瓷基复合材料喷管的纵向图。其中10为C/C复合材料，20为SiC层，30为ZrC层。复合材料为圆管状，后部管径为5cm，前部部管径为10cm。C/C复合材料为喷管的主体结构，SiC涂层位于喷管的直段，即喉部以后温度低的部分。ZrC涂层位于喷管的群部，即喉部以前温度高的部分，包括喉部。SiC涂层与ZrC涂层的分界线距离喉部中心点4cm。SiC涂层和ZrC涂层渗入到C/C骨架中3mm。
上述仅为本发明的两个具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护的范围的行为。但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何形式的简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (5)

1.一种SiC-ZrC分段分布的陶瓷基复合材料喷管，其特征在于包括多孔C/C复合材料骨架，SiC涂层和ZrC涂层，SiC涂层位于喷管的直段和裙部，ZrC涂层位于喷管的喉部，C/C复合材料体积分数为70％，ZrC体积分数为15％，SiC体积分数为15％。
2.根据权利要求1所述的SiC-ZrC分段分布的陶瓷基复合材料喷管，其特征在于所述的陶瓷基复合材料喷管为圆管状，前部直径变大，类似裙子，后部直径为2～8cm，前部直径为5～15cm。
3.根据权利要求1所述的SiC-ZrC分段分布的陶瓷基复合材料喷管，其特征在于所述的SiC涂层与ZrC涂层的分界线距离喉部中心点1～5cm。
4.根据权利要求1所述的SiC-ZrC分段分布的陶瓷基复合材料喷管，其特征在于所述的SiC涂层和ZrC涂层渗入到C/C骨架中1～3mm。
5.根据权利要求1所述的SiC-ZrC分段分布的陶瓷基复合材料喷管，其特征在于所述的C/C复合材料为喷管的主体结构。
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