摘要
C/C-SiC-ZrB2(CT)具有密度低、宽温域抗氧化抗烧蚀性能优异等特点，未来有望用于制造高功率密度柴油机活塞。活塞服役过程中受到燃气高频冲击，出现烧蚀时，相关零部件服役寿命大幅缩短，然而陶瓷基复合材料针对这一服役环境的烧蚀研究鲜有报道。铝合金热导率高，可做为复合材料的塑韧性组元，引入CT后有望降低其服役过程中的表面温度、改善力学性能，进而提高CT抗烧蚀性能，同时可缩短材料制备周期、降低成本。本论文针对高功率密度柴油机活塞的使用工况，研究铝合金封填对CT高频脉冲烧蚀的影响。 本论文结合热梯度化学气相沉积、前驱体浸渍裂解和压力浸渗法分别制备低密度CT、高密度CT、CT-Al12Si、CT-Al12Si4Cu，通过金相显微镜、扫描电子显微镜、EDS、XRD对测试前后材料的微观形貌、元素分布、物相等进行分析，以期明确铝合金封填对CT显微组织、压缩行为、热物理特性、摩擦磨损性能的影响，重点研究对其高频往复脉冲烧蚀的影响规律及机制。研究结果表明： （1）铝合金封填导致CT密度升高，孔隙率降低。铝合金填充进CT孔隙，与碳基体形成互穿网络结构。合金基体填充过程中ZrB2-SiC颗粒受到熔体冲击，其中部分颗粒从包绕碳纤维的热解碳周围弥散到合金基体中。Cu元素的添加时，合金基体内部存在Al2Cu第二相。 （2）铝合金封填导致CT压缩强度提高；低密度CT、高密度CT表现为假塑性断裂，CT-Al12Si、CT-Al12Si4Cu表现为脆性断裂；断口分析表明，铝合金封填强化了碳纤维与基体的结合。铝合金封填导致CT热导率、热膨胀系数提高，发射率降低；合金基体增大了CT中电子平均自由程，较少的孔隙降低了CT中空气的隔热作用，合金基体的高热膨胀系数增大了复合材料热膨胀变化，铝较低的发射率是复合材料发射率变化的主要原因。 （3）铝合金封填导致CT冲蚀率降低，冲蚀机制由纤维拔出、基体断裂向合金基体产生犁沟、切削转变。接触摩擦磨损中，铝合金封填导致CT摩擦系数降低，质量磨损率升高，线磨损率降低，较少的孔隙减小CT厚度去除，合金基体生成Al2O3增大CT质量；随着转速提高，CT-Al12Si与高密度CT摩擦系数差值先增大后减小，质量磨损率差值逐渐增大，线磨损率差值先增大后减小；随着载荷增大，CT-Al12Si与高密度CT摩擦磨损系数差值先增大后减小，质量磨损率差值先减小后增大，线磨损率差值先增大后减小。 （4）烧蚀测试表明，随着单次冲击时长缩短，CT-Al12Si烧蚀率降低速率大于高密度CT，在单次冲击时长较长时，CT-Al12Si烧蚀率较高，铝合金以熔化、挥发的形式影响材料烧蚀，单次冲击时长短至0.2s时，两种复合材料烧蚀率相近，CT-Al12Si烧蚀以开裂和碳的氧化为主；随着燃气温度降低，CT-Al12Si烧蚀率降低速率大于高密度CT，700℃时，CT-Al12Si烧蚀率低于高密度CT，低孔隙率是其主要原因；随着冲击次数从500次增加至2000次，CT-Al12Si烧蚀率均低于高密度CT，其表面温度较低，热化学烧蚀相对较弱。在燃气高频脉冲条件下，合金基体可通过提高热导率的方式增强CT散热能力，降低CT表面温度，从而提高CT的抗烧蚀能力。
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