摘要
近年来，连续碳纤维增韧超高温陶瓷基复合材料(Cf/UHTCMCs)因具备超高温陶瓷材料的抗氧化烧蚀性能和碳纤维的强韧性，已成为高超声速飞行器鼻锥、翼前缘等极端热部件的重要候选材料。但材料制备过程中碳纤维易发生结构损伤及连续碳纤维与超高温陶瓷相的非均匀复合制约了Cf/UHTCMCs的工程化应用。本文创新性采用注浆/真空浸渍/先驱体浸渍裂解组合制备工艺制备了Cf/ZrB2-SiC复合材料，重点研究了热解碳涂层引入以及碳纤维含量对Cf/ZrB2-SiC复合材料微结构、力学性能、抗热冲击性能和抗氧化性能的影响，分析了Cf/ZrB2-SiC复合材料中热解碳涂层的作用机制，揭示了纤维含量-微结构-性能之间的内在关系，实现了连续碳纤维增韧超高温陶瓷材料的“强韧化”与“抗氧化”协同，为超高温陶瓷材料的工程化应用奠定了理论基础。 在微结构与力学性能方面，碳纤维表面热解碳涂层的引入虽然会降低Cf/ZrB2-SiC复合材料的致密度和密度，但弱化了纤维/陶瓷基体界面结合力，促进了裂纹扩展过程中纤维拔出、纤维桥联、裂纹偏转、裂纹分叉、裂纹终止等增韧机制发挥效应；协调了碳纤维与基体之间的热膨胀系数的失配，抑制了微观裂纹的产生，实现了复合材料力学性能的显著提升。当碳纤维含量一定时，33.3vol.%Cf-PyC/ZrB2-SiC复合材料的断裂韧性和断裂功分别为5.20±0.46MPa?m1/2和1629J/m2，较33.3vol.%Cf-AS/ZrB2-SiC复合材料分别提升约3倍和42倍。当碳纤维上均涂覆涂层时，随着碳纤维含量的提高(由8vol.%至33.3vol.%)，Cf-PyC/ZrB2-SiC复合材料中的ZrB2相含量以及密度、抗弯强度逐渐降低，而材料的断裂韧性和断裂功却呈现先提高后降低的趋势，21.3vol.%Cf-PyC/ZrB2-SiC复合材料的断裂韧性和断裂功最高，分别为8.20±0.55MPa?m1/2和2045J/m2。 在抗热冲击性能和抗氧化性能方面，在高温空气气氛下，热解碳涂层能作为牺牲层保护碳纤维、有效抑制碳纤维损伤，能够阻碍复合材料内部进一步氧化，维持碳纤维的增韧效果。当碳纤维含量一定时，33.3vol.%Cf-PyC/ZrB2-SiC复合材料的临界热冲击温差为776?C，较33.3vol.%Cf-AS/ZrB2-SiC复合材料提升了103?C，且在静态氧化实验后，后者试样纤维束几乎被完全氧化，氧化层也较前者厚；当碳纤维上均涂覆涂层时，随着碳纤维含量的提高(由8vol.%至33.3vol.%)，Cf-PyC/ZrB2-SiC复合材料的临界热冲击温差几乎没有变化(789?C，792?C，776?C)，但受益于较高的致密度，21.3vol.%Cf-PyC/ZrB2-SiC复合材料的氧化层最薄(62μm)，抗氧化性能最好。
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