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    科學研究
    最新公告
    2021-06-19
    2021年6月18日上午,粉末冶金國家重點實驗室2021年第一期學術交流研討會在中南大學...
    研究成果
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    標志性成果4

    發布時間:2018-03-16    作者:    來源:     瀏覽次數:


    名稱

    類別

    成果為第一完成單位

    本室固定人員參加名單

    所屬研究方向

    C/C復合材料

    應用基礎

    第一


    方向四

    C/C復合材料耐高溫、抗熱震,但在高溫環境下易氧化和燒蝕,無法滿足尖銳前緣、翼緣、燃燒室等熱結構部件在高溫、富氧和具有高速氣流沖刷的苛刻環境下長時間服役的需求。

    基于此,近5年來,實驗室以973項目、863計劃、國際科技合作、國家自然科學基金以及航天科技合作項目等的開展為契機,總計投入經費達3500萬元,始終圍繞超高溫陶瓷改性C/C復合材料及其構件的基礎研究和工程化應用的研究方向,開展了結構設計、制備技術和超高溫燒蝕行為的基礎研究,取得了主要科技創新貢獻包括:

    1、利用固溶原子和反應擴散技術,發現了具有零燒蝕特征的Zr0.8Ti0.2C0.74 B0.26四元含硼單相碳化物,闡明了其超高溫耐燒蝕原理

    在二十余種超高溫陶瓷涂層體系設計和制備技術的豐富經驗和深厚積淀的基礎上,利用固溶和反應擴散原理,發明了可工程化應用的涂覆原位反應涂層技術,在C/C復合材料表面成功構建了一種在2000-3000℃線燒蝕率為負值的Zr0.8Ti0.2C0.74B0.26四元含硼單相碳化物超高溫陶瓷涂層,該陶瓷涂層能深度嵌入基體內部,形成多元陶瓷相與C/C復合材料基體的完整結合。利用該制備思路,還可以合成一系列包含過渡族元素的多元單相陶瓷,大大擴充超高溫陶瓷涂層種類。見佐證材料1。

    圖1 Zr0.8Ti0.2C0.74B0.26超高溫陶瓷相涂層

    相關成果發表在《自然·通訊》上,引起了國內外的高度關注和反響,無論是世界權威學術機構,還是美國、俄羅斯、英國等航天強國的主流媒體都對材料的創新性和領先性以及應用前景給予了充分的肯定和高度評價。

    2、闡明了大尺寸異形多孔C/C坯體中陶瓷界面、陶瓷基體滲入機理,揭示了燒蝕行為及陶瓷相防護機制,構建了制備技術原型及結構調控方法。

    針對大尺寸、異形結構的超高溫耐燒蝕C/C復合材料構件,系統開展了C/C復合材料自身的結構設計、控制和制備技術一體化的研究。

    闡明了碳源基團長程傳輸和過程控制的機理,實現了多孔C/C坯體中熱解炭結構的有效控制,建立了包括低溫低壓定向滲透、仿形限域流場控制和炭源組分調控等關鍵技術的大尺寸異形多孔C/C坯體高效均勻制備技術。闡明了超高溫陶瓷相在多孔C/C坯體中的滲入過程機理和形成機制,形成了陶瓷相結構形態控制技術,設計、制備了具有不同成分、結構以及分布狀態的陶瓷復合界面和陶瓷基體,揭示了氧化燒蝕行為和陶瓷相防護機理,建立了多元超高溫陶瓷基體改性C/C復合材料制備技術原型,見佐證材料2~6、10~13。

    圖2 纖維/基體界面處多層復合界面及斷口形貌

    3、綜合陶瓷界面、陶瓷基體以及陶瓷涂層,構建了多種陶瓷涂層/基體改性C/C復合材料體系,滿足了高性能航天器用大尺寸構件的重大需求。

    結合航天單位的相關型號研制需求,開展了一系列應用技術轉化工作,實現了航天C/C構件長時間超高溫防氧化、抗燒蝕需求,可有效延長燃燒室使用壽命,確保了重大專項的順利研制進展。建立了包括高溫熔滲基體改性+包埋涂層技術等在內的多種涂層/基體改性梯度結構一體化技術,闡明了陶瓷相的長時燒蝕行為及防護機制,很好的滿足了不同溫度范圍段的熱防護需求,見佐證材料7~9、14。 研制的碳碳端頭帽試樣件,于2018年1月16日,通過了中國空氣動力發展與研究中心的長時間等離子風洞考核,試驗條件:(2700℃,25min,熱流 4.2~4.4MW/m2、燃氣壓力7~9KPa)。研制的試驗件,于2017年12月通過了飛行速度達17馬赫最高溫達3100℃的地面風洞燒蝕考核。

    在其它工程應用方面,研制了國內最大尺寸(Φ750mm×400mm)的碳/碳耐燒蝕喉襯材料(≥1.90g/cm3),應用于國內裝藥量最大(50噸)的一級發動機上,并于2016年9月22日成功通過了地面熱試車考核。開發了大尺寸異形C/C高效制備和成形技術,實現了1400mm量級、2500mm量級、3600mm量級某整體艙蓋底板和艙蓋底板組件的高效均勻增密,提供了大尺寸復雜艙段構件,確保了重大專項研制進展。研制的抗雜散光主次鏡光欄(φ500×1000mm)和遮陽罩(800×800× 1000mm)等多通道掃描成像輻射計用薄壁(≤3mm)異型、大尺寸、高精度C/C復合材料組件,在“風云四號”衛星上得到成功應用。另外,研究成果拓展用于民用領域,制備了花瓣式大尺寸新能源用異形C/C發熱體構件、大尺寸C/C圓筒狀隔熱屏構件以及C/C坩堝,滿足化工、新能源等對低成本高性能C/C復合材料的需求。相關成果于2015年獲得了湖南省科學技術進步一等獎,見佐證材料15。

    成果佐證清單

    序號

    成果類型

    成果名稱

    完成人

    刊物、出版社或

    授權單位名稱

    年、卷、期、頁或專利號

    1

    論文

    Ablation-resistant carbide Zr0.8Ti0.2C0.74B0.26 for oxidizing environments up to 3000 °C

    Yi Zeng, Dini Wang, Xiang Xiong, Xun Zhang, Philip J. Withers, Wei Sun, Matthew Smith, Mingwen

    Bai, Ping Xiao

    Nature Communications

    12.124

    2017 , 8 :15836

    2

    論文

    A novel design of Al-Cr alloy surface sealing for ablation resistant C/C-ZrC-SiC composite

    Chang Yabin, Sun Wei, Xiong Xiang, Chen Zhaoke, Wang Yalei, Hao Zhenhua, Xu Yonglong

    Journal of the European Ceramic Society

    2017, 37(2): 859-864.

    3

    論文

    Microstructure and ablation properties of a gradient Cf/C-XSi2-SiC (X = Mo,Ti) composite fabricated by reactive melt infiltration

    Zhenhua Hao, Wei Sun, Xiang Xiong, Zhaoke Chen, Yalei Wang, Yabin Chang, Yonglong Xu.

    Journal of the European Ceramic Society

    2016,36(15): 3775-3782.

    4

    論文

    Effects of Ti/Al addition on the microstructures and ablation properties of Cf/C–MoSi2–SiC composites

    Zhenhua Hao, Wei Sun, Xiang Xiong, Zhaoke Chen, Yalei Wang

    Journal of the European Ceramic Society,

    2016, 36(3): 457-464.

    5

    論文

    Residual thermal stresses in carbon/carbon–Zr–Ti–C composites and their effects on the fracture behavior of composites with different preforms

    Yi Zeng, Xiang Xiong, Dini Wang, Liang Wu

    Carbon

    6.198

    2015 , 81 :597-606

    6

    論文

    High temperature corrosion of carbon/carbon composites in Zr-Ti melts during liquid metal infiltration

    Yi Zeng , Xiang Xiong , Dini Wang, Liang Wu, Zhaoke Chen, Wei Sun, Yalei Wang, Ping Xiao

    Corrosion Science

    5.154

    2015 :98–106

    7

    論文

    The effect of deposition temperature on the microstructure and mechanical properties of TaC coatings

    Ying Long, Athar Javed, Jie Chen, Zhao-ke Chen, Xiang Xiong

    Materials Letters,

    2014, 121:202-205.

    8

    論文

    HfC/ZrC ablation protective coating for carbon/carbon composites

    Xiang Xiong, Ya-lei Wang, Guo-dong Li, Zhao-ke Chen, Wei Sun, Zeshen Wang

    Corrosion Science

    5.154

    2013,77:25-30

    9

    論文

    Preparation and ablation properties of Hf(Ta)C co-deposition coating for carbon/carbon composites

    Yalei Wang, Xiang Xiong , Guodong Li, Huaifei Liu, Zhaoke Chen , Wei Sun, Xuejia Zhao

    Corrosion Science

    5.154

    2013 , 66 (1) :177-182

    10

    論文

    Effect of fiber architecture and density on the ablation behavior of carbon/carbon composites modified by Zr–Ti–C

    Yi Zeng, Xiang Xiong, Guodong Li, Zhaoke Chen, Wei Sun, Dini Wang, Yalei Wang

    Carbon

    6.198

    2013 , 63 (2) :92-100

    11

    論文

    Microstructure and ablation behavior of carbon/carbon composites infiltrated with Zr-Ti

    Yi Zeng, Xiang Xiong, Guodong Li, Zhaoke Chen, Wei Sun, Dini Wang

    Carbon

    6.198

    2013, 54: 300-309

    12

    專利

    一種ZrC-TiC改性C/C-SiC復合材料及其制備方法

    熊翔;曾毅;王滴泥;張紅波;孫威;王雅雷;吳強;張響

    國家知識產權局

    專利號:ZL201510025732.0

    13

    專利

    一種在炭/炭復合材料表面制備陶瓷涂層的方法

    熊翔;陳招科;張響;孫威;劉如鐵;王雅雷;王滴泥

    國家知識產權局

    專利號:ZL201410844579.X

    14

    專利

    一種Hf(Ta)C超高溫復相涂層及其制備方法

    熊翔;王雅雷;李國棟;孫威;陳招科;趙學嘉

    國家知識產權局

    專利號:

    ZL 201210300660.2

    15

    獎勵

    湖南省自科學技術進步獎一等獎

    廖寄喬、張福勤

    湖南省人民政府

    2015



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