王雅雷 炭炭材料TaC-SiC涂层耐烧蚀机理研究.doc

序号： 编码： 粉末冶金研究院“SKLPM杯”科技作品课题立项申请书课题名称： 炭/炭材料TaC-SiC涂层耐烧蚀机理研究 专业班级： 粉末冶金研究院 申请者姓名 （集体名称）： 王雅雷 类别：自然科学类 社会科学类中南大学粉末冶金研究院二六年四月填 表 说 明1.申报者应在认真阅读此说明后按要求详细填写“立项申报书”中各项内容。2.封面的“序号、编码”由粉末冶金研究院“SKLPM杯”创业计划与科技作品大赛领导小组填写。若是集体项目，“申报者姓名”处应填写所有合作者姓名，项目组成员最多为五人，指导教师可填一人或多人，但最多不超过三人（可复制表格）。3.申报者在填写申报课题情况时只需根据课题类别填写。申请报者情况必须由申请者本人按要求填写，本部分中的院意见签章视为对申请者情况的确认。4. “立项申报书”所填部分以4号楷体字输入，填好后打印在A4纸上。5.此“立项申报书”一式叁份，打印稿必须用抽条夹夹好上交院负责人。 申请者情况申请者情况姓 名 王雅雷性别 男出生年月1982.03.09现学历（B）A 大学本科 B 硕士研究生C 博士研究生申请课题全称炭/炭材料TaC-SiC涂层耐烧蚀机理研究专 业材料学年级一年级学制2.5 入学时间05年9月联系地址湖南省中南大学（校本部）粉末冶金研究院常住地联系地址湖南省中南大学（校本部）桃花公寓B栋430 住宅电8663200指导教师姓 名性别年龄学历所在单位备注肖鹏男35博士中南大学粉末冶金研究院合作者情况姓 名性别年龄学历所在单位备 注许 林男24硕士中南大学粉末冶金研究院是否为集体项目请说明是否 张建德男25硕士中南大学粉末冶金研究院 李 专 男 25 硕士中南大学粉末冶金研究院 资格认定 经核实，该生是我院 年7月1日前正式注册的全日制在校学生（含本科生和研究生） 申报者学号为： 052620024 本单位愿意协助项目申报者利用其课余时间完成申报项目书所述的科研任务。负责人签名：（或学院盖章） 年 月 日指导教师对申报课题的说明1. 由指导教师本人填写；2.指导教师必须具有讲师及其以上专业技术职称，并是与申报课题相同或相关领域的专家学者或专业技术人员（教研组集体指导亦可）；3.指导教师填写此部分，即视为同意指导；4.指导教师所在单位签章仅被视为对指导教师身份的确认。指导教师情况姓 名肖 鹏性别男年龄35职称教授工作单位中南大学粉末冶金研究院通讯地址中南大学粉末冶金研究院邮政编码410083单位电宅电话指导教师所在单位签章 （签章） 年 月 日请对申报者申报情况的真实性作出阐述 请对申报课题的意义、技术水平、适用范围及推广前景作出您的评价炭/炭(C/C)材料具有轻质高强、高温强度高、优异的抗热震性能，以及性能可设计性等特点，是一种较理想的抗烧蚀和防热结构材料，广泛应用于固体火箭发动机 (SRM)喷管的喉衬、导弹鼻锥，以及航天飞机的鼻锥帽和机翼前缘等部位。但是C/C材料在高温和高速气流下易被氧化和烧蚀，烧蚀速度快且与燃烧室气氛压力呈指数关系，已不能满足新一代高性能航空航天器发展的需求。本课题拟在C/C材料表面涂覆抗氧化、抗冲刷的TaC-SiC复合梯度涂层，以提高C/C材料的耐烧蚀性能。开展C/C材料耐烧蚀涂层技术研究，对于缩短我国与国际先进水平的差距，提高C/C材料的耐烧蚀性能，满足新一代采用新型高能推进剂的高性能战略、战术导弹SRM喷管喉衬材料更耐烧蚀、尺寸稳定性更好的要求，具有重大的应用前景。申 请 资 助 课 题 情 况课题分类（自然科学类）A机械与控制（包括机械、仪器仪表、自动化控 制、工程、交通、建筑等） B信息技术（包括计算机、电信、通讯、电子等） C数理（包括数学、物理、地球与空间科学等） D生命科学（包括生物、农学、药学、医学、健 康、卫生、食品等） E能源化工（包括能源、材料、石油、化学、化工、生态、环保等）F其它（社会科学类）A.哲学 B.经济 C.社会 D.法律 E.教育 F.管理课题研究的具体内容 (1)研究TaC-SiC复合梯度涂层的制备技术，解决涂层与C/C材料的粘接难题 低应力复合梯度涂层的结构设计与控制(热、力藕合) TaC-SiC复合梯度涂层之间及涂层与C/C基体之间的界面设计化学气相沉积TaC-SiC复合梯度涂层的制备工艺技术(2)TaC-SiC涂层的结构、热震性能、力学性能和稳定性研究国内外研究概况、水平和发展趋势，主要参考文献目录和出处SRM喷管属于非冷却型，喉部的高温、高压两相流燃气的机械冲刷、化学浸蚀和热冲击十分严厉。随着采用新型高能推进剂的新一代高性能战略、战术导弹SRM的出现，要求喷管喉衬材料更耐烧蚀，尺寸稳定性更好，因而降低C/C喉衬材料的烧蚀率技术是目前国内外研究的热点和难点，也是第四代C/C喉衬材料研究的重点。提高C/C喉衬材料耐烧蚀性能(即降低烧蚀率)的技术难点之一体现在高温抗氧化、抗冲刷和抗热冲击涂层的制备，以及涂层与C/C材料的粘接性能两个方面。目前，国际上普遍采用难熔金属碳化物作为C/C材料耐烧蚀涂层材料，所用难熔金属碳化物主要有HfC、TaC、NiC、ZrC、NbC和SiC等，工艺多用化学气相沉积(CVD/CVI)、化学气相反应(CVR)、共沉积、液相浸渍和涂覆等。美、俄、法等国家都已开展这方面的研究并已取得阶段性的成果，如俄罗斯已突破铪(Hf)、钽(Ta)卤化物与碳共沉积的关键技术，把高熔点、抗烧蚀、抗冲刷的TaC(3880)、HfC(3890)渗透到C/C喉衬材料烧蚀层中，制成C/C复合材料的抗烧蚀涂层型喉衬。该喉衬材料经燃气温度3800、压力8.0MPa、工作时间60s的SRM地面点火试验考核，较纯C/C喉衬的烧蚀率成倍降低。美国也有C/C-TaC复合材料烧蚀机理的报导，对其耐烧蚀性能有充分的肯定。这些工作展示了C/C喉衬材料发展的动向，但由于涉及国防尖端领域的应用，相关的技术性报导甚少。我国近30年来在C/C复合材料喉衬的研制和应用上取得了很大的进展，C/C喉衬材料已应用于多种型号。但由于工艺水平不高、工艺装备及工艺监控系统落后等因素导致喷管偏重、喉衬烧蚀率偏大(16MPa压力下单边烧蚀率0.30.4mm/s)、冲质比较低，其综合性能仅达到美俄上世纪80年代初期水平。总的来说，我国在低烧蚀率C/C整体喷管研究很不充分，没有应用，难以适应采用新型高能推进剂的新一代高性能SRM的要求，其主要原因之一就是应用于SRM的C/C材料耐烧蚀涂层一直未研制成功。TaC熔点(3880)高，具有优异的高温力学性能、抗氧化性能、抗高速气流(粒子流)的冲刷性能，目前国内对TaC涂层的研究较少。从申请者前期的预研结果来看，C/C材料表面单一的TaC涂层易出现裂纹和剥落，抗热震性能差，究其原因主要是热膨胀系数相差较大，TaC的热膨胀系数(8.210-6/K)约是C/C材料(2.04.410-6/K)的24倍。SiC涂层在2000以下具有较好的抗氧化和抗冲刷性能，也是热膨胀系数较低的碳化物(SiC的热膨胀系数4510-6/K)，约是C/C材料的12倍，因此SiC涂层的抗热震性优于TaC涂层。但SiC的分解温度低(2800)，单一的SiC涂层已不能满足更高温度的要求；另一方面，SiC与C/C和TaC都具有良好的物理化学相容性。涂层梯度化设计是提高其抗热震性能的一条有效途径，因此，进行C/C材料表面TaC-SiC难熔金属碳化物梯度涂层的设计与制备技术的研究，是解决难熔金属碳化物涂层与C/C材料粘接度和相容性问题的有效途径，可望显著降低C/C材料的烧蚀率。主要参考文献及出处1 WO 02/04383 PCT/US01/21275 Net mold tantalum carbide rocket nozzle throat 2 Process for coating inorganic substrates with carbides, nitrides and/or carbonitrides. Bitzer; Diethelm (Putzbrunn near Munich, DE); Lohmann; Dieter (Pratteln, CH). United States Patent 4,196,233. April 1, 19803 Method of forming a composite structure such as a rocket combustion chamber. Tuffias; Robert H. (Los Angeles, CA); Williams; Brian E. (Simi Valley, CA); Kaplan; Richard B. (Beverly Hills, CA). United States Patent 5,855,828. January 5, 19994 抗热震陶瓷材料的设计，硅酸盐通报，1995（3）：35405添加难熔碳化物提高C/C复合材料抗烧蚀性能研究，西北工业大学学报，2000（4）：6696736炭材料惰性涂层方法分析，新型炭材料，1999（9：）63687特定弹性性能材料的细观结构设计优化，复合材料学报，2001（5）：1241278碳化锆镀层的化学气相沉积，清华大学学报。2000（12）：59629提高碳碳复合材料抗氧化性能的一种新途径，航宇学报，1998（10）：959810多元基体抗烧蚀炭/炭复合材料的微观结构分析，固体火箭技术，2001（3）：636711防热复合材料的烧蚀机理与模型研究，固体火箭技术，2000（9）：485512Method for making hot-pressed fiber-reinforced carbide-graphite composite Method for making hot-pressed fiber-reinforced carbide-graphite composite. Riley; Robert E. (Los Alamos, NM); Wallace Sr.; Terry C. (Los Alamos, NM). United States Patent 4,180,428.December 25, 197913US5254397，梯度碳化物涂层炭纤维增强复合材料，新型碳材料，1997（3）：475314陶瓷基复合材料导论，贾成广等，冶金工业出版社，199815固体材料界面研究的物理基础,闻立时,科学出版社,1991课题研究的科学意义、学术价值、应用前景、解决什么前人尚未解决的问题并务必说明本人的创新之处及主要特色 炭/炭(C/C)材料具有轻质高强、高温强度高、优异的抗热震性能，以及性能可设计性等特点，是一种较理想的抗烧蚀和防热结构材料，广泛应用于固体火箭发动机 (SRM)喷管的喉衬、导弹鼻锥，以及航天飞机的鼻锥帽和机翼前缘等部位。但是C/C材料在高温和高速气流下易被氧化和烧蚀，烧蚀速度快且与燃烧室气氛压力呈指数关系，已不能满足新一代高性能航空航天器发展的需求。本课题拟在C/C材料表面涂覆抗氧化、抗冲刷的TaC-SiC复合梯度涂层，以提高C/C材料的耐烧蚀性能。开展C/C材料耐烧蚀涂层技术研究，对于缩短我国与国际先进水平的差距，提高C/C材料的耐烧蚀性能，满足新一代采用新型高能推进剂的高性能战略、战术导弹SRM喷管喉衬材料更耐烧蚀、尺寸稳定性更好的要求，具有重大的应用前景。申请项目的特色与创新之处(1)以难熔金属碳化物TaC、SiC作为抗烧蚀梯度涂层，降低C/C复合材料的烧蚀率。(2)在C/C复合材料基体上进行TaC-SiC复合梯度涂层的制备及其与C/C基体相容性的研究。(3)通过将涂层优化设计成双元复合梯度结构，解决难熔金属碳化物热膨胀系数高、与C/C基体粘接度差、相容性差和抗热震差的难题。预期成果及提供形式（包括论文及收录、研究报告、项目鉴定、应用证书、获奖及专利等）(1)形成C/C材料表面耐烧蚀难熔金属碳化物梯度涂层的设计和制备技术资料。(2)在课题结束时(2007年12月)提供“C/C材料耐烧蚀TaC-SiC复合梯度涂层的研究”报告1份。拟采用的研究方法、实验方案、技术路线 研究方法以TaCl5、CH3SiCl3、C3H6等为原料，采用化学气相沉积（CVD）的方法制备TaC-SiC碳化物复合梯度涂层。通过调节前驱体成分、温度、压力、气氛、时间等沉积工艺参数，实现涂层的厚度、梯度、层数及晶粒粒度和晶界的控制。通过热处理进一步优化涂层晶粒、晶界结构。采用反射偏光显微镜、扫描电镜和透射电镜等观察涂层微观形貌和晶粒、晶界相及涂层复合状况；XRD、拉曼光谱表征涂层的晶体结构和缺陷；用万能试验机测定材料的力学性能；不同温度下，分别在空气和高速燃气条件下研究涂层的成分和结构变化，以及抗热震性能和烧蚀性能。在不考虑燃气流速的情况下对涂层的烧蚀动力学过程进行计算；最后得出C/C-TaC-SiC材料的烧蚀行为特征。实验方案：(1)C/C基体预处理：选择具有最佳烧蚀性能的C/C复合材料，采用液相浸渍法向C/C基体中沉积TaC和SiC，使C/C材料基体中由内到表面的TaC、SiC含量呈现一定梯度，形成过渡段，缓解基体与表面涂层间的热膨胀失配，并对表面涂层起到钉扎的作用。(2) CVD法制备TaC-SiC复合梯度涂层：在CVD工艺制备单一TaC、SiC涂层技术的基础上，制备TaC-SiC复合梯度涂层。通过控制前驱体成分、温度、压力、气氛、时间等CVD工艺参数，制备致密的TaC-SiC复合梯度涂层。制备两种复合梯度涂层：(a)成分不连续的多层阶梯梯度涂层，和(b)成分连续过渡的多层梯度涂层。(3)高速燃气下的烧蚀试验：模拟固体火箭发动机点火的燃气状态，将涂覆有TaC-SiC梯度涂层的C/C材料和没有涂层的C/C材料进行对比试验。烧蚀试验在中国空气动力研究中心的高压低焓管式电弧加热器上进行。该加热器弧室压力6.012.8MPa，气体流速150700g/s，温度3300K，试样尺寸为f3010mm。(4)试样分析测试：烧蚀前后涂层的微观结构、晶体形貌、成分、微区应力等测试，材料力学性能测试，包括强度（包括涂层与基体粘接强度）、硬度、韧性、抗热冲击性、抗机械冲击性等。分析测试结束后可以找出各种对应关系，如重量变化与烧蚀率的对应关系；是否有涂层及涂层结构与C/C材料烧蚀率的对应关系；各种显微结构变化的信息与烧蚀率的对应关系等。(5)复合梯度涂层烧蚀过程的热化学分析：包括材料烧蚀的热力学分析和动力学分析，热力学分析是借用各种热力学数据做热化学相图，确定材料的最佳成分配比，动力学分析的主要目的是确定烧蚀过程的控制环节。并用试样的烧蚀测试结果证实涂层的热化学理论分析结果。技术路线： 研究工作的总体计划及