SiCf/TB8復(fù)合材料的制備及其熱物理性能研究

林 松 ，趙 冰 ，侯紅亮 ，曲海濤

（1.中航工業(yè)北京航空制造工程研究所，北京 100024；2. 中航工業(yè)北京賽福斯特技術(shù)有限公司，北京 101107）

隨著高超音速飛行器的發(fā)展，飛行速度的不斷提高，對(duì)高溫蒙皮結(jié)構(gòu)材料的要求越來(lái)越高，需要具有較高的比強(qiáng)度、比剛度，以及優(yōu)異的高溫性能和抗腐蝕性能。傳統(tǒng)的陶瓷瓦具有脆性大、抗損傷能力差、維護(hù)成本高、更換周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)，已經(jīng)不能滿足高超音速飛行器蒙皮結(jié)構(gòu)的需求。因此，金屬或金屬基復(fù)合材料的隔熱結(jié)構(gòu)成為最具發(fā)展前景的高溫蒙皮候選材料[1-3]。

SiCf/TB8復(fù)合材料是以新型耐高溫合金TB8鈦合金為基體，以高強(qiáng)度連續(xù)SiC纖維作為增強(qiáng)項(xiàng)經(jīng)過(guò)熱壓復(fù)合工藝制備而成的鈦基復(fù)合材料。20世紀(jì)80年代，美國(guó)的NASA在NASP（National Aero-Space Plane）計(jì)劃中，針對(duì)SiCf/TB8復(fù)合材料作為理想的高超音速飛行器的耐高溫、輕量化蒙皮結(jié)構(gòu)材料開(kāi)展了大量的技術(shù)基礎(chǔ)和應(yīng)用基礎(chǔ)研究，并應(yīng)用在X-30驗(yàn)證機(jī)上。但目前國(guó)內(nèi)對(duì)高超音速蒙皮材料的研究還處于空白狀態(tài)，因此，開(kāi)展制備SiCf/TB8復(fù)合材料的研究對(duì)我國(guó)發(fā)展高超音速飛行器具有重要的意義[4-5]。

本文對(duì)SiCf/TB8復(fù)合材料的制備工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，從而得到最佳制備工藝參數(shù)。同時(shí)對(duì)SiCf/TB8復(fù)合材料都熱物理性能進(jìn)行研究，包括高溫?zé)釋?dǎo)性能和高溫?zé)崤蛎浶阅?，已確定其是否具有很好的耐高溫性能，為其作為耐高溫蒙皮材料提高理論依據(jù)[6]。

1 材料與方法

在試驗(yàn)中選用基體材料為TB8箔材，厚度為0.1mm；增強(qiáng)纖維選用國(guó)產(chǎn)有C涂層的SiC纖維，纖維直徑為130μm。

利用箔-纖維-箔經(jīng)熱等靜壓工藝制備鈦基復(fù)合材SiCf/TB8，熱等靜壓工藝參數(shù)分別采用770℃/120 MPa/2h， 800℃ /120MPa/2h， 830℃ /120MPa/2h， 860℃/120MPa/2h。每個(gè)工藝參數(shù)做了兩組試樣，取其效果較好的試樣進(jìn)行組織及成分分析，確定最佳的制備工藝條件。制備好的SiCf/TB8復(fù)合材料面板厚度約為1mm。

對(duì)最佳制備工藝參數(shù)下的SiCf/TB8復(fù)合材料進(jìn)行真空熱處理，熱處理?xiàng)l件為760℃/9h/25h/49h。對(duì)熱處理后的SiCf/TB8復(fù)合材料進(jìn)行熱導(dǎo)性能和熱膨脹性能測(cè)試，熱物理性能測(cè)試范圍是從室溫到600℃。熱導(dǎo)性能采用瞬態(tài)平面熱源法測(cè)得，熱膨脹性能采用光杠桿法測(cè)得。

2 結(jié)果與分析

2.1 SiCf/TB8復(fù)合材料工藝參數(shù)優(yōu)化

圖1為4種工藝參數(shù)下的基體形貌照片。從微觀組織照片可以看出：770℃/120MPa/2h和800℃/120 MPa/2h兩種熱等靜壓條件下的SiCf/TB8復(fù)合材料箔材與箔材之間沒(méi)有形成很好的擴(kuò)散連接界面，箔材層與層之間的分界線十分明顯。860℃/120MPa/2h熱等靜壓條件下箔材與箔材之間雖然結(jié)合的不錯(cuò)，但是箔材與纖維之間出現(xiàn)了“耳狀”空洞，沒(méi)有形成很好的連接。而830℃/120MPa/2h熱等靜壓條件的微觀組織照片可以看出，雖然還能看出一點(diǎn)箔材層與層之間的界面，但是宏觀來(lái)看基本已經(jīng)形成了一個(gè)整體。而且纖維與箔材也形成了很好的結(jié)合，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)空洞等缺陷。所以830℃/120MPa/2h條件下制備的SiCf/TB8復(fù)合材料的最好。

圖1 4種工藝參數(shù)下的基體形貌Fig.1 Matrix morphology of four process parameters

圖2為4種工藝參數(shù)下界面微觀形貌照片。5000倍下纖維與箔材界面的掃描照片，從掃描照片可以看出，770℃/120MPa/2h條件下，纖維與箔材沒(méi)有形成界面的結(jié)合，纖維與箔材之間有空洞，沒(méi)有形成擴(kuò)散連接?？赡艿脑蚴菧囟容^低，纖維與箔材之間原子擴(kuò)散不充分，沒(méi)有形成界面結(jié)合。800℃/120MPa/2h、830℃/120MPa/2h、860℃ /120MPa/2h條件下都形成了纖維與箔材之間的界面，但是800℃/120MPa/2h條件下形成的界面不均勻，有的地方界面薄、有的地方界面厚，沒(méi)有形成連續(xù)均勻的界面，這是不好的。860℃/120MPa/2h條件下形成的界面非常明顯，但是界面厚度過(guò)厚，界面反應(yīng)過(guò)厚，界面間就會(huì)生成脆性相，使界面的性能降低。830℃/120MPa/2h條件下形成的界面非常均勻，且只有薄薄的一層，大概在1μm左右，是理想的界面厚度。所以830℃/120MPa/2h條件下制備的SiCf/TB8復(fù)合材料最好。

圖2 4種工藝參數(shù)下的界面微觀形貌Fig.2 Interfacial microstructure of four parameters

通過(guò)對(duì)SiCf/TB8復(fù)合材料的宏觀金相觀察TB8箔材于箔材之間的界面，通過(guò)SEM照片觀察SiC纖維和TB8箔材之間的界面，得出最佳熱等靜壓工藝參數(shù)為830℃ /120MPa/2h。

2.2 SiCf/TB8復(fù)合材料的熱導(dǎo)性能

熱擴(kuò)散系數(shù)和熱導(dǎo)率滿足公式1。

式中，α是熱擴(kuò)散系數(shù)，單位mm2/s；k是熱導(dǎo)率，單位W/（m·K）；c是比熱容，單位 J/（g·K）；ρ是密度，單位g/cm3。

表1是TB8鈦合金熱導(dǎo)性能測(cè)試結(jié)果，表2是SiCf/TB8復(fù)合材料熱導(dǎo)性能測(cè)試結(jié)果。

從圖3中可以看出，TB8鈦合金和SiCf/TB8復(fù)合材料的熱導(dǎo)率基本隨溫度的升高成線性下降的趨勢(shì)，溫度越高，熱導(dǎo)率越低，即材料的導(dǎo)熱性能越來(lái)越低。而且SiCf/TB8復(fù)合材料的熱導(dǎo)率要低于TB8鈦合金的熱導(dǎo)率，說(shuō)明SiCf/TB8復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能要比TB8鈦合金要低，即在相同的溫度條件下SiCf/TB8復(fù)合材料更不易傳導(dǎo)熱量，具有更高的耐熱性能。所以SiCf/TB8復(fù)合材料的耐高溫性能要比單單的TB8鈦合金要強(qiáng)很多。滿足了耐高溫輕量化蒙皮制造的要求。

表1 TB8鈦合金熱導(dǎo)性能

表2 SiCf/TB8復(fù)合材料熱導(dǎo)性能

表3是在760℃條件下，經(jīng)過(guò)9h、25h、49h不同時(shí)間的熱處理后，SiCf/TB8復(fù)合材料的熱導(dǎo)性能試驗(yàn)結(jié)果。

通過(guò)表3和圖4可以看出，經(jīng)過(guò)不同的熱處理工藝后，SiCf/TB8復(fù)合材料的熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散系數(shù)都沒(méi)有發(fā)生明顯的變化，只有輕微的波動(dòng)，說(shuō)明SiCf/TB8復(fù)合材料經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的高溫處理后其耐高溫性能依然很好。所以SiCf/TB8復(fù)合材料作為耐高溫輕量化蒙皮的材料是十分合適的。

2.3 SiCf/TB8復(fù)合材料的熱膨脹性能

表4是TB8鈦合金和SiCf/TB8復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)的測(cè)定結(jié)果。

TB8鈦合金和SiCf/TB8復(fù)合材料的膨脹系數(shù)結(jié)果如圖5所示。從結(jié)果中可以看出TB8鈦合金的熱膨脹系數(shù)在300℃以下時(shí)，很穩(wěn)定，但高于300℃時(shí)，熱膨脹系數(shù)急劇上升，說(shuō)明單純的TB8鈦合金的高溫使用溫度在300℃左右。但是SiCf/TB8復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)在600℃以內(nèi)都非常穩(wěn)定，這是因?yàn)樵趶?fù)合材料中有SiC纖維，SiC纖維具有很好的熱穩(wěn)定性和耐高溫性，SiC纖維的耐高溫性能能達(dá)到1500℃，所以在SiCf/TB8復(fù)合材料中其起到增強(qiáng)作用。

表3 SiCf/TB8復(fù)合材料的熱導(dǎo)性能試驗(yàn)結(jié)果

圖4 不同熱處理后SiCf/TB8的熱導(dǎo)率Fig.4 Thermal conductivity of SiCf/TB8 under different heat treatment

表4 TB8和SiCf/TB8熱膨脹系數(shù)

圖5 TB8和SiCf/TB8的膨脹系數(shù)Fig.5 Thermal expansion of TB8 and SiCf/TB8

圖6為在760℃條件下，經(jīng)過(guò)9h、25h、49h不同時(shí)間的熱處理后，SiCf/TB8復(fù)合材料的熱膨脹性能試驗(yàn)結(jié)果。

圖6 熱處理后SiCf/TB8的熱膨脹性能結(jié)果Fig.6 Thermal expansion of SiCf/TB8 under different heat treatment

經(jīng)過(guò)不同的熱處理工藝后，SiCf/TB8復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)沒(méi)有發(fā)生明顯的變化，只有輕微的波動(dòng)，說(shuō)明SiCf/TB8復(fù)合材料經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的高溫處理后其耐高溫膨脹性能依然很好，長(zhǎng)時(shí)間高溫條件下體積變化不大?？梢宰鳛槟透邷亓慵膫溆貌牧希許iCf/TB8復(fù)合材料作為耐高溫輕量化蒙皮的材料是十分合適的。

3 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)SiCf/TB8復(fù)合材料的微觀組織和界面研究，得到其最佳制備工藝參數(shù)為830℃/120MPa/2h。

（2）SiCf/TB8復(fù)合材料的熱導(dǎo)性能和熱膨脹性能都優(yōu)于TB8鈦合金，并且經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間熱處理后SiCf/TB8復(fù)合材料的熱物理性能依然很穩(wěn)定，從耐高溫性能方面考慮其適合作為耐高溫蒙皮材料。

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