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复材资讯·耐热性测试为防止碳纤维增强UHTC退化提供了启示

7月前浏览1603

本文摘要:(由ai生成)

日本研究团队测试了碳纤维增强超高温陶瓷复合材料在2000ºC以上的耐热性,发现Zr-Ti合金中Zr的数量影响耐热性。研究揭示通过优化基体成分可提升耐热性,对航天和高速飞行器制造有重要影响。研究成果已发表于《材料科学》杂志。

碳纤维增强超高温陶瓷(UHTC)基复合材料广泛用于航天飞机和高速飞行器。然而,这些复合材料缺乏抗氧化性。最近,来自日本的研究人员测试了这些复合材料在极高温度下的耐热性,为防止UHTC降解提供了所需的修改。他们的发现可能会对航天飞机轨道飞行器的制造产生巨大影响。

来自东京科学大学的研究人员使用电弧风洞测试(如上图)评估了C/UHTCMC在2000ºC以上温度下的效用。这些结果显示了复合材料在高温下的降解,这对制造先进的航天飞机轨道器是一个重要的结果

碳纤维增强的超高温陶瓷(UHTC)基体复合材料被广泛用于航天飞机和高速列车。然而,这些复合材料存在着缺乏抗氧化性的问题。最近,来自日本的研究人员测试了UHTC在非常高的温度下的耐热性,提供了对防止UHTC降解所需的修改的见解,这些发现可能对航天飞机轨道器的制造有很大的影响。

例如,碳纤维增强碳(C/C)是一种由碳纤维在玻璃碳或石墨的基体中增强的复合材料。它最著名的是用于高超音速飞行器和航天飞机轨道器的材料,其巡航速度超过5马赫。自20世纪70年代以来,它还被用于一级方程式赛车的制动系统。尽管C/C在高温和惰性气氛中具有优良的机械性能,但它在这些条件下缺乏抗氧化性,使其广泛使用受到限制。

研究人员发现,包括过渡金属碳化物和二硼化物在内的UHTCs显示出良好的抗氧化性。在以前的研究中,锆钛(Zr-Ti)合金渗入显示了改善碳纤维增强的UHTC基体复合材料(C/UHTCMCs)的耐热性的良好结果。然而,它们在高温(>2,000ºC)下的用途尚不清楚。

在此背景下,一组来自日本的研究人员评估了Zr-Ti合金浸润的C/UHTCMCs在2000ºC以上温度下的潜在效用。他们的研究由东京理科大学(TUS,日本)的初级副教授领导,发表在《材料科学》杂志上。

"这项研究是对陶瓷和陶瓷基复合材料研究和开发的延伸,"研究人员说。"近年来,我们收到了几家重工业制造商关于可在2000℃以上温度使用的材料的询问。我们也已经开始与这些制造商合作,开发新的材料"。

C/UHTCMC是用熔融渗透法制造的,据说这是制造这些材料的最经济的方法。为了研究这种材料的适用性,用三种不同的合金成分制造了三种类型的C/UHTCMCs。所用的三种合金成分具有不同的Zr:Ti的原子比。为了描述耐热性,研究小组使用了一种叫做电弧-风洞测试的方法。这种方法包括将材料暴露在隧道内极高的焓值气流中,类似于航天器重新进入大气层时经历的条件。

研究小组发现,在所有温度下,合金中Zr的数量对复合材料的降解有很大影响。这是由于富含Zr的碳化物与富含Ti的碳化物相比在热力学上更倾向于氧化。此外,在复合材料表面形成的Zr和Ti氧化物阻止了进一步的氧化,而氧化物的组成取决于浸润合金的组成。热力学分析表明,在复合材料表面形成的氧化物是由ZrO2、ZrTiO4和TiO2固溶体组成。

在高于2000ºC的温度下,经过电弧-风洞试验,样品的厚度和重量随着复合材料中Zr含量的增加而增加。该小组还观察到,表面氧化物的熔点随着Zr含量的增加而增加。对于高于2600ºC的温度,唯一形成的氧化物是液态的,这就需要对基体成分进行热力学设计,以防止UHTC复合材料的衰退。

"我们已经成功地利用热力学分析研究了C/UHTCMC在2000ºC以上温度下的降解,"研究人员补充说。"我们还表明,基体设计需要修改以防止复合材料的降解。我们的研究有可能为实现超高速客机、再入飞行器和其他高超音速飞行器做出贡献"。

文章来源:CompositesWorld

编译:赛奥碳纤维

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来源:碳纤维生产技术
复合材料航天材料试验
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2024-06-04
最近编辑:7月前
碳纤维生产技术
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