摘要
随着航天事业的快速发展，卫星、空间站等航天器将会越来越多地进入太空。其中低地球轨道是各类航天器聚集最集中的区域。在距离地球表面100千米到1000千米的低地球轨道环境（Low-Earth Orbit，LEO）中服役时，航天器绕地球轨道运行过程中会反复进出地球阴影，导致受到环境温度（-120～120℃）的交替变化。目前对碳/碳（Carbon/Carbon，C/C）复合材料的空间极端温度环境性能还鲜有系统报道。研究C/C复合材料在空间极端温度环境中的性能变化和损伤机制，对于促进C/C复合材料在空间环境中的应用、丰富C/C复合材料极端温度性能数据库、优化C/C复合材料结构设计准则等方面具有重要意义。 采用等温化学气相渗透工艺和2.5D针刺碳纤维预制体制备C/C复合材料，然后对C/C复合材料进行基体和涂层改性，利用聚合物前驱体浸渍裂解工艺制备了SiC、ZrB2和ZrC陶瓷基体改性C/C复合材料（C/C-SiC-ZrC-ZrB2），利用包埋法制备了SiC涂层C/C复合材料（SiC-SiCnw-C/C）。采用地面设备模拟了空间极端温度环境条件，系统研究了C/C复合材料及其改性材料在模拟空间极端温度环境下的微观结构、热物理性能和力学性能的变化规律。通过室温和1500℃之间的氧化试验，研究了空间极端温度环境损伤对改性C/C复合材料抗氧化性能的影响。主要研究内容和结果如下： 研究了空间极端温度环境中C/C复合材料的微观结构演化。结果表明，通过C/C复合材料中“CF/PyC界面”有限元模型计算可知，碳纤维和热解碳基体的收缩效应使得CF/PyC界面在低温阶段（室温～-120℃）出现局部脱粘，而当温度从-120℃升高到120℃过程中脱粘界面逐渐“闭合”，界面会发生“重建”。在空间极端温度环境中，极端温度热循环对C/C复合材料微观结构的损伤主要表现在碳纤维/热解碳基体界面脱粘、微裂纹的产生及碳纤维束内纤维之间的聚合减弱。空间极端温度热循环作用使得C/C-SiC-ZrC-ZrB2复合材料中产生垂直和平行于CF/PyC界面的微裂纹。随着循环次数的增加，这两种微裂纹的交替传播导致了C/C-SiC-ZrC-ZrB2复合材料的微观结构损伤。空间极端温度热循环使得SiC-SiCnw-C/C复合材料中C/C基体和SiC涂层的界面结合强度逐渐降低。 探讨了空间极端温度热循环对C/C复合材料热膨胀行为和热传导性能的影响。结果表明，在空间极端温度热循环过程中，热失配产生的缺陷效应与热解碳基体晶体结构转变效应同时存在。C/C复合材料热物理性能的变化主要取决于这两种效应的竞争作用。长时间的极端温度热循环作用下缺陷效应远远大于晶体结构转变效应，一方面材料中逐渐增多的缺陷可以吸收和抵消部分膨胀使得热膨胀系数降低，另一方面，这些缺陷还会加剧声子散射，使得热传导的通道产生堵塞，导致C/C复合材料的热导率下降。极端温度热循环后C/C-SiC-ZrC-ZrB2复合材料和SiC-SiCnw-C/C复合材料的热膨胀系数和热导率均下降。这主要是由于在这两种复合材料中存在多组分界面，有利于在循环热应力作用下缺陷的产生，为热膨胀提供空间。同时，缺陷的增多增大使得声子散射增强，平均自由程下降，材料传递热量的能力降低。 通过分析极端温度热循环后C/C复合材料的弯曲、剪切及压缩强度的变化，阐明了空间极端温度环境中C/C复合材料的力学性能演变机制。结果表明，碳纤维的负膨胀效应在热解碳基体中产生的“高应力接触点”是C/C复合材料的弯曲强度在50次循环后出现提高的主要原因，之后弯曲强度随着循环次数的增加而降低，200次循环后保持初始强度的85.84%。C/C-SiC-ZrC-ZrB2复合材料的弯曲强度随着极端温度热循环次数的增加，在50次后提高了25.88%，200次后保持初始强度的83.03%。SiC-SiCnw-C/C复合材料的弯曲强度随着循环次数的增加而显著降低，200次循环后，其弯曲强度仅为初始强度的52.74%。随着极端温度热循环次数的增加，C/C复合材料及其改性材料的弯曲断裂失效均表现出从脆性模式向类似假塑性模式转变的趋势。 揭示了经历空间极端温度环境后C/C-SiC-ZrC-ZrB2复合材料和SiC-SiCnw-C/C复合材料抗氧化性能的变化及其氧化失效机理。结果表明，C/C-SiC-ZrC-ZrB2复合材料的失重随着极端温度热循环次数的增加而增大，200次循环后失重14.96%。在氧化试验过程中有两种类型的氧化损伤导致极端温度热循环后C/C-SiC-ZrC-ZrB2复合材料产生失效：（ⅰ）在材料表面出现大量的孔隙和微裂纹；（ⅱ）在材料内部出现基体开裂和裸露的碳纤维被侵蚀。SiC-SiCnw-C/C复合材料的失重随着极端温度热循环次数的增加先较小后增大，在100次循环后出现最低值3.68%，200次后达到14.31%。极端温度热循环100次后SiC-SiCnw-C/C抗氧化性能的提高主要归因于适当的极端温度热循环作用和SiC纳米线的增韧机理，使得熔融状态的SiO2玻璃相可以有效愈合涂层中出现的部分缺陷。
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