Về khả năng chống sốc nhiệt và tính chất cơ học của các UHTCMC đơn hướng mới cho môi trường cực đoan
Tóm tắt
Công nghiệp hàng không vũ trụ cung cấp một động lực mạnh mẽ cho sự phát triển công nghệ. Gần đây, một lớp vật liệu composite mới cho môi trường khắc nghiệt, dựa trên composite gốm chịu nhiệt độ cực cao được gia cường bằng các sợi liên tục (UHTCMC), đang được phát triển. Mục tiêu của công trình này là khắc phục tình trạng dữ liệu rời rạc hiện có về tối ưu hóa vi cấu trúc và hành vi cấu trúc của chúng, bằng cách trình bày một đặc trưng cơ học nhất quán của các UHTCMC được xác định rõ ràng và phát triển dựa trên ma trận ZrB2. Các composite thu được có độ dày 3.7 g/cm3 và độ xốp dưới 10%. Độ bền uốn tăng từ 360 đến 550 MPa từ nhiệt độ phòng đến 1500 °C, cho thấy hành vi không giòn. Các composite có khả năng chịu đựng mức độ sốc nhiệt cao tới 1500 °C. Sự giảm tối đa độ bền tại 1400 °C là 16% so với giá trị ban đầu, chỉ ra rằng các mẫu có thể chịu sốc ở nhiệt độ cao hơn. Độ bền uốn, mô đun Young và hệ số giãn nở nhiệt (CTE) của các composite được đo cả theo hướng ngang và dọc và được liên kết với các đặc điểm vi cấu trúc. Đặc trưng vi cấu trúc và cơ học được trình bày định nghĩa rõ ràng tiềm năng của các UHTCMC và có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo cho việc thiết kế và phát triển các hệ thống bảo vệ nhiệt mới và các thành phần cấu trúc khác cho môi trường khắc nghiệt.
Từ khóa
#Hàng không vũ trụ #vật liệu composite #gốm chịu nhiệt độ cao #cấu trúc vi mô #khả năng chống sốc nhiệt #tính chất cơ học #phát triển công nghệ.Tài liệu tham khảo
Krenkel, W. Ceramic Matrix Composites: Fiber Reinforced Ceramics and their Applications (ed. Krenkel, W.) 141–186 (Wiley-VCH, 2008).
Fahrenholtz, W. G., Wuchina, E. J., Lee, W. E. & Zhou, Y. Introduction, in: Ultra-High Temp. Ceram. Mater. Extrem. Environ. Appl. (eds Fahrenholtz, W. G., Wuchina, E. J., Lee, W. E. & Zhou, Y.) 1–5 (John Wiley & Sons, Inc, 2014).
Hu, H. et al. Preparation and characterization of C/SiC–ZrB2 composites by precursor infiltration and pyrolysis process. Ceram. Int. 36, 1011–1016 (2010).
Li, L., Wang, Y., Cheng, L. & Zhang, L. Preparation and properties of 2D C/SiC–ZrB2–TaC composites. Ceram. Int. 37, 891–896 (2011).
Li, Q., Dong, S., Wang, Z. & Shi, G. Fabrication and properties of 3-D Cf/ZrB2-ZrC-SiC composites via polymer infiltration and pyrolysis. Ceram. Int. 39, 5937–5941 (2013).
Yan, C., Liu, R., Zhang, C., Cao, Y. & Wang, Y. Effects of SiC/HfC ratios on the ablation and mechanical properties of 3D Cf/HfC-SiC composites. J. Eur. Ceram. Soc. 37, 2343–2351 (2017).
Tang, S., Deng, J., Wang, S., Liu, W. & Yang, K. Ablation behaviors of ultra-high temperature ceramic composites. Mater. Sci. Eng. A. 465, 1–7 (2007).
Uhlmann, F. et al. Preparation and characterization of ZrB2 and TaC containing Cf/SiC composites via Polymer-Infiltration-Pyrolysis process. J. Eur. Ceram. Soc. 37, 1955–1960 (2017).
Ma, C. et al. Effects of high-temperature annealing on the microstructures and mechanical properties of C/C–ZrC–SiC composites prepared by precursor infiltration and pyrolysis. Mater. Des. 90, 373–378 (2016).
Paul, A. et al. UHTC-carbon fibre composites: Preparation, oxyacetylene torch testing and characterization. J. Eur. Ceram. Soc. 33, 423–432 (2013).
Leslie, C. J., Boakye, E. E., Keller, K. A. & Cinibulk, M. K. Development and characterization of continuous SiC fiber-reinforced HfB2-based UHTC matrix composites using polymer impregnation and slurry infiltration techniques. Int. J. Appl. Ceram. Technol. 12, 235–244 (2015).
Zoli, L. & Sciti, D. Efficacy of a ZrB2-SiC matrix in protecting C fibres from oxidation in novel UHTCMC materials. Mater. Des. 113, 207–213 (2017).
Xu, B., Hong, C., Zhou, S., Han, J. & Zhang, X. High-temperature erosion resistance of ZrB2-based ceramic coating for lightweight carbon/carbon composites under simulated atmospheric re-entry conditions by high frequency plasma wind tunnel test. Ceram. Int. 42, 9511–9518 (2016).
Vinci, A., Zoli, L., Landi, E. & Sciti, D. Oxidation behaviour of a continuous carbon fibre reinforced ZrB2-SiC composite. Corros. Sci. 123, 129–138 (2017).
Kütemeyer, M., Schomer, L., Helmreich, T., Rosiwal, S. & Koch, D. Fabrication of ultra high temperature ceramic matrix composites using a reactive melt infiltration process. J. Eur. Ceram. Soc. 36, 3647–3655 (2016).
Chen, S., Zhang, C., Zhang, Y. & Hu, H. Influence of pyrocarbon amount in C/C preform on the microstructure and properties of C/ZrC composites prepared via reactive melt infiltration. Mater. Des. 58, 570–576 (2014).
Okamoto, N. L. et al. Temperature dependence of thermal expansion and elastic constants of single crystals of ZrB2 and the suitability of ZrB2 as a substrate for GaN film. J. Appl. Phys. 93, 88–93 (2003).
Monteverde, F., Guicciardi, S. & Bellosi, A. Advances in microstructure and mechanical properties of zirconium diboride based ceramics. Mater. Sci. Eng. A346, 310–319 (2003).
Pradere, C. & Sauder, C. Transverse and longitudinal coefficient of thermal expansion of carbon fibers at high temperatures (300–2500 K). Carbon 46, 1874–1884 (2008).
Heidenreich, B. C/SiC and C/C-SiC Composites, in: Ceram. Matrix Compos. Mater. Model. Technol. (eds Bansal, N. P. & Lamon, J.) 147–216 (John Wiley & Sons, Inc., 2014).
Ma, B.-Y. & Yu, J. Phase composition of SiC-ZrO2 composite materials synthesized from zircon doped with La2O3. J. Rare Earths 27, 806–810 (2009).
Ma, B.-Y., Yu, J.-K., Zhu, Q. & Sun, Y. Thermodynamic analysis and preparation of β-SiC/ZrO2 composites. Int. J. Miner. Metall. Mater. 16, 581–585 (2009).
Maitre, A. & Lefort, P. Solid state reaction of zirconia with carbon. Solid State Ionics 104, 109–122 (1997).
Paul, A., Binner, J. & Vaidhyanathan, B. UHTC Composites for Hypersonic Applications, in: Ultra-High Temp. Ceram. Mater. Extrem. Environ. Appl. (eds Fahrenholtz, W. G., Wuchina, E. J., Lee, W. E. & Zhou, Y.) 144–166 (John Wiley & Sons, Inc, 2014).
Galizia, P., Failla, S., Zoli, L. & Sciti, D. Tough salami-inspired Cf/ZrB2 UHTCMCs produced by electrophoretic deposition. J. Eur. Ceram. Soc (2017).
Harris, B. Engineering composite materials. (ed. Harris, B.) 61–62 (IOMCommunications Ltd., 1999).
Paul, A. et al. Evaluation of the high temperature performance of HB2 UHTC particulate filled Cf/C composites. Int. J. Appl. Ceram. Technol. 1–10 (2017).
Sciti, D., Silvestroni, L., Medri, V. & Monteverde, F. Sintering and densification of ultra-high temperature ceramics, in: Ultra-High Temp. Ceram. Mater. Extrem. Environ. Appl., (eds Fahrenholtz, W. G., Wuchina, E. J., Lee, W. E. & Zhou, Y.) 112–143 (John Wiley & Sons, Inc, 2014).
Monteverde, F. & Scatteia, L. Resistance to thermal shock and to oxidation of metal diborides-SiC ceramics for aerospace application. J. Am. Ceram. Soc. 90, 1130–1138 (2007).
Zhi, W., Qiang, Q., Zhanjun, W. & Guodong, S. The thermal shock resistance of the ZrB2-SiC–ZrC ceramic. Mat & Design 32, 3499–3503 (2011).
Munz, D. G., Shannon, J. L. & Bubsey, R. T. Fracture toughness calculation from maximum load in four point bend tests of chevron notch specimens. Int. J. Fract. 16, R137–R141 (1980).