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高超声速飞行器极端苛刻的工作环境对热结构部件的耐温、承载及抗烧蚀能力提出了严峻挑战,迫切需要开展耐超高温抗烧蚀材料的研究。连续碳纤维增强碳化锆(C/ZrC)陶瓷基复合材料的耐温能力强、强度和韧性高、抗热震性能好、抗烧蚀性能优异,在军事航天领域极具应用前景。采用熔渗反应工艺(RMI)制备C/ZrC复合材料,具有周期短、成本低、ZrC陶瓷产量高、所得材料致密度高并可近净成型等显著优势,受到研究者的广泛关注与重视。由于以纯金属锆作为渗剂,RMI法制备C/ZrC复合材料存在熔渗温度过高、反应不可控、所得材料性能差的不足。因此本文提出采用低温熔渗反应工艺制备C/ZrC复合材料,从工艺设计、工艺与性能优化、微观结构分析、反应机理探索以及掺杂改性与应用考核等方面,对C/ZrC复合材料的低温熔渗反应工艺及性能进行了全面、系统的研究。开创了耐超高温C/ZrC复合材料的低温熔渗反应制备工艺。通过热力学计算,论证了以Zr-Cu合金为渗剂,经低温熔渗反应制备C/ZrC复合材料的可行性,熔渗温度可从纯金属锆的1850℃降至1200℃左右,从而有效地控制金属锆与碳的反应;采用真空熔炼技术制备出不同配比的Zr-Cu合金渗剂,表征了合金的高温物理特性;从织物结构、碳基体种类、纤维界面涂层以及材料孔隙结构等方面,对多孔C/C基材进行了设计,并以整体针刺毡为增强体、酚醛树脂为碳先驱体,经树脂浸渍-碳化工艺制备得到孔隙率可调、孔隙结构以直筒形通孔为主的多孔C/C基材。系统研究并优化了C/ZrC复合材料低温熔渗反应的制备工艺与力学性能。C/C基材密度、渗剂Cu含量以及反应温度和时间对C/ZrC复合材料的室温力学性能影响显著。随C/C基材密度从1.02g·cm-3增至1.24g·cm-3,C/ZrC复合材料的抗弯强度和弹性模量均呈现先增加后下降的变化;与Zr2Cu和Zr7Cu10两种渗剂相比,ZrCu合金制备所得C/ZrC复合材料的抗弯强度和弹性模量更高;随反应温度从1200℃升至1800℃、反应时间从0.5h增至3h,C/ZrC复合材料的抗弯强度与弹性模量先增加后减小。C/C基材密度为1.12g·cm-3、渗剂为ZrCu、反应温度和时间分别为1400℃和1.5h,所得材料抗弯强度和弹性模量最佳,分别达到126.9MPa和58.0GPa。研究了低温熔渗反应工艺对C/ZrC复合材料抗烧蚀性能的影响,并探讨了烧蚀机理。随C/C基材密度从1.02g·cm-3增至1.24g·cm-3,C/ZrC复合材料的线烧蚀率先降低后增加;ZrCu合金制备所得C/ZrC复合材料的绝对线烧蚀率更低;随反应温度从1200℃升至1800℃、反应时间从0.5h增至3h,C/ZrC复合材料的线烧蚀率先减小后增大。C/C基材密度为1.12g·cm-3、渗剂为ZrCu、反应温度和时间分别为1500℃和1.5h,所得C/ZrC复合材料的线烧蚀率最低,仅为0.0004mm·s-1。C/ZrC复合材料的烧蚀以氧化反应和机械冲刷为主,烧蚀过程中Cu的挥发和反应生成的熔融ZrO2层起到了较好的抗烧蚀作用。探索了低温熔渗反应制备C/ZrC复合材料的高温演化规律。当热处理温度提高到1600~1800℃,材料的开孔率从5.3%增至14%左右,材料抗弯强度明显下降,强度保留率为77%左右;当热处理温度进一步升高至2000℃,由于纤维受损严重,且ZrC晶粒结构发生改变,材料性能退化严重,弯曲强度保留率仅为54.1%。研究了C/ZrC复合材料的热膨胀系数、热容、热扩散系数和热导率等热物理性能。研究结果表明:C/ZrC复合材料的热膨胀系数随温度升高先增加后减小,在1200℃左右达到最大值2.86×10-6 K-1;材料的比热随温度升高而增加,由室温的0.60J·g-1·K-1升至1200℃时的1.28J·g-1·K-1;材料的热扩散系数和热导率均随温度升高而下降,前者降幅更为显著,由室温的17.45mm2·s-1降至1200℃时的7.18mm2·s-1,而后者仅由室温的47.27W·m-1·K-1降至1200℃时的41.37W·m-1·K-1。深入研究了C/ZrC复合材料的微观结构,探讨了C/ZrC复合材料低温熔渗反应机理。ZrC基体主要以微米单晶和纳米多晶两种形态存在,晶粒内部含纳米级Cu-Zr-C共熔体;构建了Zr-Cu渗入模型,以及渗入深度与熔渗时间的函数关系;明确了ZrC的生长符合溶解-析出模型,即固态C在高温区溶解进入熔体中,往低温区扩散,达到饱和后在缺陷处析出,并均匀形核长大,ZrC的生长方式表现为二维形核台阶侧向生长。为进一步提高C/ZrC复合材料的抗氧化烧蚀性能,开展了低温熔渗反应制备C/ZrC复合材料的掺杂改性研究。提出了C/ZrC复合材料SiC掺杂改性的设计思想,探索了酸浴处理、高温热处理两种除Cu工艺,分别采用液硅浸渗、先驱体浸渍-裂解两种工艺对除Cu后的C/ZrC材料进行SiC掺杂改性。研究结果表明:采用高温热处理结合先驱体浸渍-裂解工艺进行SiC掺杂改性处理,不仅可保持C/ZrC复合材料原有的力学性能,而且能显著提高材料的抗烧蚀性能,改性后的材料线烧蚀率仅0.0007±0.0003mm·s-1,约为改性前的37%;SiC掺杂改性引起材料抗烧蚀性能提高的主要原因是烧蚀过程形成了致密的ZrO2-SiO2复相玻璃态物质。利用液体火箭发动机热试车平台,考核了低温熔渗反应制备C/ZrC复合材料的应用性能。采用低温熔渗反应工艺成功制备出液体火箭发动机用C/ZrC复合材料喷管,喷管通过了内壁面工作温度大于1800℃,累计689s的热试车考核程序,喉部扩张率仅为0.1%,是C/SiC复合材料喷管喉部扩张率的1/40。