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SiCw/SiC-Si-Y復(fù)合材料的制備及1500 °C水氧腐蝕性能研究
發(fā)布時間：
2025-10-20
西北工業(yè)大學(xué)熱結(jié)構(gòu)復(fù)合材料科學(xué)與技術(shù)實驗室成來飛教授團(tuán)隊在期刊《Journal of Materials Research and Technology》上發(fā)表了題為“?Fabrication of SiCw/SiC-Si-Y composites and their?resistance to water-oxygen corrosion at 1500℃”的論文。主要研究了一種新型碳化硅基復(fù)合材料SiCw/SiC-Si-Y，并重點評估了其在1500℃高溫水氧環(huán)境下的耐腐蝕性能。
SiCw/SiC-Si-Y復(fù)合材料的制備及1500 °C水氧腐蝕性能研究
DOI：10.1016/j.jmrt.2023.04.150
西北工業(yè)大學(xué)熱結(jié)構(gòu)復(fù)合材料科學(xué)與技術(shù)實驗室成來飛教授團(tuán)隊在期刊《Journal of Materials Research and Technology》上發(fā)表了題為“ Fabrication of SiCw/SiC-Si-Y composites and their resistance to water-oxygen corrosion at 1500℃”的論文。主要研究了一種新型碳化硅基復(fù)合材料SiCw/SiC-Si-Y，并重點評估了其在1500℃高溫水氧環(huán)境下的耐腐蝕性能。
研究背景
航天發(fā)動機的熱端部件需要在高溫、高速水蒸汽及氧氣的極端環(huán)境下工作。陶瓷基復(fù)合材料由于其高溫性能優(yōu)異，其中SiCw/SiC復(fù)合材料在高溫結(jié)構(gòu)應(yīng)用中尤為突出。以往的相關(guān)研究主要集中在此類材料的力學(xué)性能上，對于其在高溫-水氧環(huán)境下的腐蝕行為研究較少。通過基體改性策略，將釔引入SiC基體中，使其在高溫水氧腐蝕時能生成耐腐蝕的稀土硅酸鹽保護(hù)層，從根本上提升復(fù)合材料的本征耐腐蝕性。
研究方法
- SiCw/SiC-Si-Y材料的制備方法：
- SiCw (32 vol%), PEG (2 wt%), TMAH (4 wt%), AM (10 wt%), Bis (1 wt%)放入去離子水球磨6-10h。APS(APS: AM 1 / 4質(zhì)量比1:60)加入漿料中，快速攪拌30 s。隨后倒入模具放入馬弗爐80℃加熱10-20min，再干燥。
- PCS/二甲苯溶液（質(zhì)量比為1:40）滲透到SiCw預(yù)制體中真空滲濾1 h。最后，將SiCw預(yù)制件放入管式爐中，分別在220℃和900℃的溫度下對PCS進(jìn)行固化和熱解2 h。
- 將質(zhì)量比為 1:2 的酚醛樹脂/乙醇溶液通過真空浸漬工藝注入到 SiCw 前體中，并在150℃下固化3h。然后，在氬氣氛圍下將酚醛樹脂在900℃下進(jìn)行熱解2h。上述步驟重復(fù)進(jìn)行，直至碳的體積分?jǐn)?shù)約為30%，孔隙率約為 32%。最后，在1650℃的真空條件下，將 Si-Y合金熔體注入SiCw/C前體中0.5h。
- 水氧實驗：溫度為1500℃，該混合氣體的分壓為P(H2O): P(O2): P(Ar)=30: 20: 50，氣體流速為50ml/min。總腐蝕時間為20h，分別在1h，5h，10h和20h拿出稱重。
- 腐蝕機理 ：
- 引入的釔在腐蝕初期與氧氣反應(yīng)生成Y?Si?O?，隨后進(jìn)一步與水汽反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)?/font>Y?SiO?。
- 保護(hù)層：Y?SiO?具有高熔點、低氧滲透率和高化學(xué)穩(wěn)定性的特點。該保護(hù)層有效阻隔了水氧蒸汽向材料內(nèi)部滲透（深度僅~30μm）
- 防腐蝕：腐蝕過程中生成的Y?SiO?填補了部分孔隙，使復(fù)合材料開孔率從2.76%降至1.39%，結(jié)構(gòu)更為致密。
研究結(jié)果
兼具優(yōu)異力學(xué)性能和超凡耐1500°C水氧腐蝕性能的SiCw/SiC–Si–Y復(fù)合材料在腐蝕環(huán)境中能原位自生穩(wěn)定的Y?SiO?保護(hù)層，實現(xiàn)了“主動防護(hù)”，在航空航天高溫?zé)峤Y(jié)構(gòu)部件領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。
天津中環(huán)推出新款高溫高速水氧腐蝕設(shè)備，工作溫度最高可達(dá)1600℃。集成度高，對于氣體及水蒸氣流量穩(wěn)定可控，水蒸氣流速可高達(dá)150m/s。本產(chǎn)品利用實驗測試方法，準(zhǔn)確模擬渦輪發(fā)動機、燃?xì)馄啓C合金及涂層的極端服役環(huán)境，針對材料的熱腐蝕、水蒸氣氧化腐蝕進(jìn)行循環(huán)測試，以正確評價材料的熱化學(xué)穩(wěn)定性。
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