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SiCw/SiC-Si-Y复合材料的制备及1500 °C水氧腐蚀性能研究
2025-10-20
SiCw/SiC-Si-Y复合材料的制备及1500 °C水氧腐蚀性能研究
DOI：10.1016/j.jmrt.2023.04.150
西北工业大学热结构复合材料科学与技术实验室成来飞教授团队在期刊《Journal of Materials Research and Technology》上发表了题为“ Fabrication of SiCw/SiC-Si-Y composites and their resistance to water-oxygen corrosion at 1500℃”的论文。主要研究了一种新型碳化硅基复合材料SiCw/SiC-Si-Y，并重点评估了其在1500℃高温水氧环境下的耐腐蚀性能。
研究背景
航天发动机的热端部件需要在高温、高速水蒸汽及氧气的极端环境下工作。陶瓷基复合材料由于其高温性能优异，其中SiCw/SiC复合材料在高温结构应用中尤为突出。以往的相关研究主要集中在此类材料的力学性能上，对于其在高温-水氧环境下的腐蚀行为研究较少。通过基体改性策略，将钇引入SiC基体中，使其在高温水氧腐蚀时能生成耐腐蚀的稀土硅酸盐保护层，从根本上提升复合材料的本征耐腐蚀性。
研究方法
- SiCw/SiC-Si-Y材料的制备方法：
- SiCw (32 vol%), PEG (2 wt%), TMAH (4 wt%), AM (10 wt%), Bis (1 wt%)放入去离子水球磨6-10h。APS(APS: AM 1 / 4质量比1:60)加入浆料中，快速搅拌30 s。随后倒入模具放入马弗炉80℃加热10-20min，再干燥。
- PCS/二甲苯溶液（质量比为1:40）渗透到SiCw预制体中真空渗滤1 h。最后，将SiCw预制件放入管式炉中，分别在220℃和900℃的温度下对PCS进行固化和热解2 h。
- 将质量比为 1:2 的酚醛树脂/乙醇溶液通过真空浸渍工艺注入到 SiCw 前体中，并在150℃下固化3h。然后，在氩气氛围下将酚醛树脂在900℃下进行热解2h。上述步骤重复进行，直至碳的体积分数约为30%，孔隙率约为 32%。最后，在1650℃的真空条件下，将 Si-Y合金熔体注入SiCw/C前体中0.5h。
- 水氧实验：温度为1500℃，该混合气体的分压为P(H2O): P(O2): P(Ar)=30: 20: 50，气体流速为50ml/min。总腐蚀时间为20h，分别在1h，5h，10h和20h拿出称重。
- 腐蚀机理 ：
- 引入的钇在腐蚀初期与氧气反应生成Y₂Si₂O₇，随后进一步与水汽反应转变为Y₂SiO₅。
- 保护层：Y₂SiO₅具有高熔点、低氧渗透率和高化学稳定性的特点。该保护层有效阻隔了水氧蒸汽向材料内部渗透（深度仅~30μm）
- 防腐蚀：腐蚀过程中生成的Y₂SiO₅填补了部分孔隙，使复合材料开孔率从2.76%降至1.39%，结构更为致密。
研究结果
兼具优异力学性能和超凡耐1500°C水氧腐蚀性能的SiCw/SiC–Si–Y复合材料在腐蚀环境中能原位自生稳定的Y₂SiO₅保护层，实现了“主动防护”，在航空航天高温热结构部件领域具有巨大的应用潜力。
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