B4C—SiC／C复合材料高温自愈合抗氧化性能研究：Ⅰ 复合材料恒温氧化？…

ｌ ＿ １ ． ３ 制 备 方法
各种粉料（ 生焦粉、 Ｂ ｃ粉、 ｓ ｉ 粉） 混合球
磨 ０ ～３ ０小 时得 陶瓷 粒 子弥 散 均匀 的 混合 粉 末， 混合 粉末 在 １ Ｏ ０ ￣２ ０ ０ ＭＰ ａ压力 下 冷压 成 型， １ ０ ０ ０Ｃ烧 结 ， ２ ０ ０ ０ ￣２ ２ ０ ０Ｃ石 墨化 处 理 。 １ ． ２ 氯化 实验 各 复 合 材 料 的试样 加 工 成 １ ０× １ ０× １ ０ ｍｍ， 在 石 英 管 式 炉 中进 行 恒温 氧化 实 验 ， 氧化 气 氛 为 干 燥 空 气 ， 空气 流 量 为 ２ １ ／ ｍｉ ｎ ；
ｃ ｏ ｍｐ ｏｓ ｉ ｔ ｅ ｓ ａ ｔ １ ２ ０ ０ Ｃ
性适 中、 对 基体 材 料 润湿性 好 、 对 氧扩 散 系 数 小且均匀、 连续 分 布 并 与基 体 材 料 粘 结 牢 固 的 陶 瓷 氧 化物 玻 璃 相 薄 膜 ， 则 试 样 就 获 得 了 良好 的 自愈 合抗 氧 化性 能 。表 现 在试 样恒 温 氧 化 过 程 重量 变 化 曲线 上 ， 则 是 试 样 在 较 短 的 氧 化 时 间段 出现 较 小 的 增 重 或 失 重 （ 取 决 于 试 样 的 组成 、 氧 化 温 度及 氧化 气氛 等 ） 后， 进人 自愈 合抗 氧 化 阶 段 ， 在 随 后 的 氧 化 过 程
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第 １ ３卷
ｌ ９ ９ Ｂ年
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ第 ｌ期
３ 月
新
型
碟
材
料
Ｖ０ ．１ ３ Ｎｏ １
Ｍａ ｒ ｌ９ ９８
ＥＷ ＣＡ Ｒ ） Ｎ Ｍ Ａ ＴＥＲＩ ＡＩ Ｓ
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一
ｔ ３ Ｃ — Ｓ ｉ Ｃ ／ ｃ复合材料 高温 自愈 合 抗 氧化 性 能 研 究
步评 价 结 果表明。 复合 材料在氧化过程 中表现 出 自愈台抗 氧化特性 ． 这种性 能依赖于复 合材料 中
的Ｂ Ｃ、 Ｓ ｉ Ｃ的 含量 、 配 比及 氧化温度和 氧化 气氛。经过 分析认为 － 复合材料 的 自愈合抗氧 化性 的差 异 可归困于 在氧化条件 下， 复台 材料 表面生成陶 瓷氧化物 Ｂ ２ Ｏｓ 与Ｓ ｉ Ｏ 的速率 、 含量及 其物 性（ 粘 性、 对基体材 料的润湿性 、 挥发性和对 氧的扩散系数 ） 的不 同。 ． 、
关 键 词ｎ — Ｃ ｃ ， ｃ基 王 ！ 生 自 愈 合妻 ！ ！ 凌 ｂ 砬， ； ０ ｝ ｛ ｂ ‘ 骨 鼠 ， 礅 ，
分 类 ＂ 黜
炭 材 料集 耐热性 、 导 电性 润 滑性 及 耐腐 蚀 性 于 一身 ， 广 泛 地应 用 在 诸 多 领 域 。但 是， 炭 材 料在 高 于 ４ ０ ０ Ｃ（ 由于 炭 基体 材 料及 石墨 化 度 不同 起 始氧 化 温度 有一 定 的差 异 ） 的氧化 性 气氛 中就 开始 发 生 氧化反 应 。 由于 氧 化 反应 的发 生 ， 炭材 料 的诸 多 物 理 及 力 学 性 能迅 速 劣化 ， 如 炭 材料 的气孔 率 增 加 ， 电 阻
１ 实 验 部 分
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＿ ． ． ＿ ｅ￥１ ５ １ ０ ＿ ． —ｅＳ１ ５ ３ Ｏ ● —ｅＳ∞ １ ０ ２ ０
二
试 样 编 号 Ｂ Ｓ １ ５ １ ０ Ｂ Ｓ １ ｊ ３ ０ Ｂ Ｓ ２ ０ １ ０ Ｂ Ｓ ２ ０ ２ ０ 、 一求
术
—
本 文制备 了 Ｂ Ｃ — Ｓ ｉ Ｃ／ Ｃ复合材料 ， 考察 了其 在 ８ ０ ０ Ｃ， １ ０ ０ ０ Ｃ， １ ２ ０ ０ Ｃ的 恒 温氧 化 行 为， 分 析 了影 响其 氧 化 行 为 的 组成 和结 构及 氧化温度等因素． 并 对 复 合 材 料 的 自愈 合抗 氧 化性 进行 了初步 评 价
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新
型
碳
材
料
第 １ ３ 卷
时后 ， Ｂ Ｓ １ ５ １ ０失 重 高达 ３ ３ ． ７ ， 而Ｂ Ｓ ２ ０ １ ０ ，
润湿 性和 对氧 的扩散 系 数等 因素决 定着 复合 材 料 自愈 合抗 氧化 性 的优 良与否 在Ｂ Ｃ Ｓ ｉ Ｃ／ Ｃ 复 合 材 料 中， Ｂ Ｃ、 Ｓ ｉ Ｃ 粒 子 是 均 匀 弥 散 在 炭基 体 中 的 ， 故 可 把 复 合材
ｒ 复合材 料恒 温氧 化行为研 究
宋进仁√刘 朗 张碧江
（ 中 国 科 学 院 山 西 煤 炭 化 学 研 究 所 太 原 ０ ３ ０ ０ ０ １ ） 丁 Ｂ 弓 ； ∞ ｊ
摘 要 制备 了 Ｂ Ｃ — Ｓ ｉ Ｃ／ Ｃ复合 材料 ， 并对 其在 ８ ０ ０ Ｃ， １ ０ ０ ０ Ｃ。 １ ２ ０ ０ Ｃ的恒 温 氧化行 为进 行 了考 察 。在实验基础上 － 分析 了影响其氧 化行 为的主要 因素． 并对复合 材料的 自愈合抗 氧化性进行 了韧
经 过 一 定 的 氧化 时 间后 ， 试 样 从 石 英管 中取
图 ２ 复 合材 料 在 １ ０ ０ ０（ 、 恒 温 氧 化 过程 中 的重 量 变 化
Ｆｉ ｇ ．２ Ｉ ￣ ａ ） ｈ ｅ ｒ ｍａ ｌ ｏ ｘ ｉ ｄ ａ ｔ ｉ ｏｎ ｂｅ ｈａ ｖｉ ｏ ｒ ｏ ｆ Ｂ４ Ｃ— Ｓ ｉ Ｃ／ ｃ ｃ ａ ｍｐ ｏ￣ ｉ ｔ ｅ ￥ａ ｔ １ ０ ０ ０ Ｃ
５ ． ７ ， １ ７ ．３ 。
１ ０ ０ ０Ｃ恒 温 氧 化 时 （ 如 图 ２所 示 ） ， 各 试 样 的重 量变 化 规律 与 ８ ０ ０ Ｃ氧 化 时 基 本 类 似， 即 氧化 ２小 时后 ， 试样 已进 入 自愈 合抗 氧 化 阶段 ， 但 重量 变 化存 在较 大 差 异 。 氧 化 ２小
＋ 第一作 者： 郭叠 贵。 男・ ２ ７岁 ， 博 士生 ． 主要 从 事 炭 陶 复 合 材 料 的 氧 化 行 为 与 结 构 设 计 研 究 临稿 日期 ： １ ９ ９ ８ — ０ ｌ 一 ２ ０
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第 １期
郭 全贵等 ： ｃ Ｓ ｉ Ｃ／ ｃ复合材料高温 自愈合抗 氧化性 能研究
率升 高， 机械性能下降 。因此对炭材 料进 行氧化防护处理是使得炭材料能在高温和氧 化性 气氛中稳定、 可靠工作 的前提 。 在炭基体中弥散 陶瓷粒子制备匀质性的
炭／ 陶 复 合 材 料 的方 法 ＿ ‘ 近 些 年 来 引 起 了材 ＿曩 ●
的 自愈合抗氧化行 为， 并对各 因素的影 响进 行分析 ， 在此基础上 ， 可根据复合材料的用途 和工作条件 ， 达到设计具有高温 自愈合抗氧 化性炭／ 陶复合材料结构的 目的。
中试样 重 量 变化 幅 度很 小 。 在８ ０ ０Ｃ氧 化 时 ， 试样表 面的 Ｂ Ｃ粒 子
鉴于 Ｂ Ｓ １ ５ １ ０试 样 在 １ ０ ０ ０ Ｃ氧化 时 已经
有较 大 幅度 的 失重 ， 所以 １ ２ ０ ０ ‘ Ｃ的恒 温 氧 化 行 为只 考察 了 Ｂ Ｓ ２ ０ １ ０ ， Ｂ Ｓ ２ ０ ２ ０ ， Ｂ Ｓ １ ５ ３ ０三种 试 样 。从 图 ３可 以看 出 ， Ｂ Ｓ ２ ０ １ ０几乎 随氧 化 时 间呈 线性 失 重 ， 而Ｂ Ｓ ２ ０ ２ ０只是 在 氧 化 １ ｏ 分 钟 后 重 量 略 有下 降 （ 约为 ０ ． ５ ） ， 随 氧 化 过程的进行 ， 失重反而减小 ， 氧 化 １小 时后 ， 失重 为 ０ ． ３ ， 在 随 后 的 氧化 阶 段 （ １ － ５小 时） ， 重 量 变 化非 常小 ， 氧化 ５小 时 后 ， 失 重仍 为０ ． ３ ， 呈现 出非 常好 的 自愈 台 抗 氧 化性 能 。Ｂ Ｓ １ ５ ３ ０与 Ｂ Ｓ ２ ０ ２ ０有着 相似 的重 量 变化 规律， 也 有 着较 好 的 自愈 台抗 氧化 性 能 。
料视为整体匀质性复合材料 当复合材料处 于 高 温 和 氧 化 气 氛 中时 ， 试 样 表 面 的 炭 颗 粒
首先 被 氧 化 ， 并 引起 失 重 ｛ 而 分 布 在试样 表面 的 陶瓷 粒子 也 将氧化 转 变成 相 应 的 陶瓷 氧化 物， 并引 起 增重 。 当炭 基 体 引起 的氧 化 失重 高 于 陶 瓷粒 子 氧 化 引起 的增 重 时 ， 试样 表 现 为 失重 ； 反 之则 表 现为 增重 。 复 合材 料 的 自愈 合 抗 氧 化性 则 取决 于试 样表 面 生成 的陶 瓷氧 化 物 的 量 及 其 物性 （ 粘性、 对 基 体 材 料 的 润 湿
随后 的 氧化 阶 段 （ ２ － １ ０小 时 ） ， 各 试 样 的重 量 变化 较 小 ， 说 明试 样 已进 入 自愈 合 抗 氧 化 阶 段 。氧化 ｌ ｏ小 时 后 ， Ｂ Ｓ １ ５ １ ０失 重 ３ ． ９ ， 而
Ｂ Ｓ ２ ０ １ ０ ， １ ￣２ ０ ２ ０ ， Ｂ ＳＩ ５ ３ ０增 重分 别 为 ２ ． ６ ，
雨谥，
面， 起 到 自我 保护 的作 用 ， 从 而 在很 大程 度上 抑 制 或 完 全 阻 止 氧 化 反 应 的发 生 ， 从而 赋 予 炭／ 陶复 合 材 料 良好 的高 温抗 氧化 性 能 。 炭／ 陶 复合 材 料 的 自愈 合抗氧 化性 与炭 ／ 陶 复合 材 料 的组成 （ 陶瓷 粒 子 的种类 、 含量及 陶 瓷 组 份 的 配 比） 、 氧 化温 度 、 氧化 气 氛 等 因 素 密切 相关 。 考察 不 同组 成 的炭／ 陶 复合 材 料
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出， 放 入干 燥 器 冷 却 ， 然 后 在 分 析 天平 上 （ 精 确 到万 分之 一 克 ） 称重 ， 并计 算 试 样 的重量 变
化情 况 。
８ ０ ０ Ｃ恒 温氧化 时（ 如 图 ｌ所 示 ） ， 试样 的
重量 变 化 主要 在前 ２个小 时 ， 氧化 ２小 时后 ， Ｂ Ｓ１ ５ １ ０失 重 ２ ．９ ， 而 Ｂ Ｓ ２ ０ １ ０ ， Ｂ Ｓ ２ ０ ２ ０ ，