ПОВЕДЕНИЕ КОМПОЗИТА CF/ZRB2-SIC, ПОЛУЧЕННОГО МЕТОДОМ КЕРАМИЧЕСКИХ ПРЕПРЕГОВ, В ВЫСОКОЭНТАЛЬПИЙНОМ ГАЗОВОМ ПОТОКЕ
Authors: А.В. УТКИН , Д.А. БАННЫХ , М.А. ГОЛОСОВ , А.Т. ТИТОВ , Н.И. БАКЛАНОВА 
Published: November 2024

Высокотемпературные керамические материалы Cf/ZrB2-SiC, состоящие из тугоплавкой матрицы ZrB2-SiC, армированной непрерывными углеродными волокнами (Cf), представляют повышенный интерес для разработки теплозащиты нового поколения двигательных установок, призванных работать в экстремальных условиях температур, механических нагрузок и агрессивных газовых потоков. В фокусе исследований таких композитов - окислительная и абляционная устойчивость, которые являются определяющими характеристиками для практического применения высокотемпературных материалов. В настоящей работе высокотемпературные композиты Cf/ZrB2-SiCбыли получены методом керамических препрегов, основанном на пропитке углеродного жгута керамической суспензией, формировании однонаправленных керамических лент с последующей их выкладкой, пиролизом и силицированием. Методом электронной микроскопии с привлечением энерго-дисперсионного анализа, выполненного при разных ускоряющих напряжениях, изучена морфология и распределение фаз по объему керамических композитов Cf/ZrB2-SiC. Впервые исследовано поведение таких материалов в условиях воздействия скоростного потока плазмы при температуре вплоть до 2100 °С. Давление воздуха составляло 0.35 МПа, расход воздуха - 6 м3/ч. Композит демонстрирует устойчивое поведение вплоть до 2000 °С в течение 300 с. Проведен сравнительный анализ микроструктуры композита до и после газодинамических испытаний. Определены фазовый и элементный состав, а также морфология сечения композита. Показано, что абляционная устойчивость композита обусловлена формированием сложной микроструктуры, в которой можно выделить несколько подслоев, каждый из которых препятствует диффузии кислорода внутрь композита. Повышение температуры до 2100 °С приводит к значительной деградации композита. Полученные данные могут быть использованы для дальнейшего совершенствования состава высокотемпературных композитов, пригодных для устойчивого функционирования деталей и узлов энергетических установок в экстремальных условиях.
High-temperature ceramic materials Cf/ZrB2-SiC consisting of a refractory ZrB2-SiC matrix reinforced with continuous carbon fibres (Cf) are of intense interest as candidates for the development of next-generation thermal protection for propulsion systems designed to operate under extreme conditions of temperature, mechanical load, and aggressive gas flows. The focus of these studies is on the oxidative and ablative stability, which is crucial for the practical application of high-temperature materials. In the present work, high-temperature Cf/ZrB2-SiC composites were prepared by the ceramic prepreg method based on carbon fibre tow impregnation with ceramic slurry, formation of unidirectional ceramic ribbons, followed by their lay-up, pyrolysis, and silicon melt infiltration. The morphology and phase distribution over the volume of ceramic Cf/ZrB2-SiC composites have been studied by electron microscopy with energy-dispersive spectroscopy performed at different accelerating voltages. For the first time, the behaviour of such materials under the conditions of exposure to high-speed plasma flow at temperatures as high as 2100 °С has been investigated. Air pressure was 0.35 MPa, air flow rate was 6 m3/h. The composite demonstrates rather stable behaviour up to 2000 °С for 300 s. A comparative analysis of the composite microstructure before and after gas dynamic tests has been carried out. The phase and elemental composition, as well as the cross-sectional morphology of the composite, are determined. It is shown that the ablative stability of the composite is due to the formation of complex microstructure, in which several sublayers can be distinguished, and each of them prevents oxygen diffusion inside the composite. Temperature increase up to 2100 °С leads to a significant degradation of the composite. The obtained data can be used for further improvement of the composition of high-temperature composites suitable for the stable functioning of power system parts and units under extreme conditions.