碳化硅纤维高温水氧环境模拟方法与流程

本发明涉及陶瓷纤维
技术领域：
，具体的涉及一种碳化硅纤维高温水氧环境模拟方法。
背景技术：
：先驱体转化法制备的连续碳化硅纤维(sicf)具有高强度、高模量、耐高温、易编织等特点，常作为各种复合材料的增强体使用。sic纤维增强增韧的陶瓷基复合材料(sicf-cmc)，具有高比强度、高比模量、优异的耐温性能，该材料已被广泛用于先进武器装备、航空航天、原子核能等领域。sicf-cmc使用在航空发动机上，与传统高温合金相比，能将工作温度提高200℃以上，结构减重30％以上，燃油效率能提高10％以上，可以显著提高发动机的抗疲劳性能，能为每架客机每年节省燃油费达百万美元以上。sicf-cmc成为了航空发动机实现提高推重比、减轻结构重量、升级换代的首选材料。目前世界上三大航空发动机制造公司，美国的通用电气公司生产的f414发动机，英国的罗尔斯·罗伊斯公司生产的遄达1000实验发动机，以及美国的普拉特·惠特尼公司生产的pw200系列旋翼发动机，均在整个航空发动机或者零部件上使用了sicf-cmc材料。在后续的leap系列等航空发动机上，将在更多高温部件上使用sicf-cmc。航空发动机工作时，由于燃料燃烧产物的释放，燃烧达到平衡时会在燃烧室内有10％左右的水蒸气产生。这意味着sicf-cmc将暴露在高温水氧耦合的环境中。尽管在正常使用条件下，sic纤维作为主要起增强增韧的复合材料支架，并不会直接接触到环境介质。但是在复合材料的实际制备中，不可避免地在复合材料基体中留下缺陷。同时sic纤维与基体物理参数的不同，sicf-cmc在高温服役过程中也会形成微裂纹，氧化介质会迅速通过这些缺陷和微裂纹扩散至纤维表面，导致部分纤维接触到高温介质。介质中含有的氧、水分等，在高温作用下，造成sic纤维迅速氧化，导致sic纤维强度严重下降。而目前使用较为广泛的，以hi-nicalon为代表的第二代sic纤维，在空气气氛1200℃下保温1小时后，强度保留率仅为50％左右。纤维氧化后强度严重下降，对整个燃烧室构件乃至整个发动机的安全都造成了隐患，sic纤维的高温氧化行为，不仅影响着sicf-cmc的使用寿命，更关系着整个构件的安全运行。目前，国外已经商品化的sic纤维主要包括：日本碳公司的nicalon系列sic纤维、日本宇部兴产公司的tyranno系列sic纤维和美国coiceramic公司的sylramic纤维。其中，日本碳公司的hi-nicalon纤维、hi-nicalons纤维和日本宇部兴产公司的tyrannosa纤维研究和应用最为广泛，国内外针对这些纤维在静态空气下的高温氧化性能研究较多，针对航空发动机等具体背景，在水氧耦合高温环境下的纤维氧化行为研究较少。国内sic纤维主要的生产单位包括国防科技大学、厦门大学和苏州赛力菲陶纤有限公司。目前，针对国产sic纤维水氧环境下的高温氧化行为研究还未见文献报道。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种碳化硅纤维高温水氧环境模拟方法，该发明解决了现有技术中无法模拟航空发动机服役环境下的温度和气流场条件，以准确检测sic纤维该环境下的高温氧化性能的技术问题。本发明提供一种碳化硅纤维高温水氧环境模拟方法，所用装置包括：氧气源、氩气源、用于产生水氧耦合混合气的蒸汽发生器、用于模拟高温水氧环境的管式炉，蒸汽发生器与管式炉通过管路相连通，待测试样品放置于管式炉内，氧气源和氩气源混合后与蒸汽发生器相连通；碳化硅纤维高温水氧环境模拟方法包括以下步骤：向放置有待测试样品的管式炉内通入氩气扫除空气后，对管式炉升温达到预定温度后，向管式炉内通入水氧耦合混合气，直至测试完成，之后在氩气氛中冷却待测试样品；氧气源和氩气源混合过程中氧气的流量为10-100ml/分钟，氩气的流量为100-190ml/分钟；预定温度为800-1600℃；蒸汽发生器的转速为150-450r/分钟，温度为60-90℃。进步一地，管式炉的升温速率为5-20℃/分钟。进一步地，扫除空气步骤和待测试样品冷却步骤中氩气的通入流量为100-300ml/分钟。进一步地，装置还包括混合罐，氧气源和氩气源分别通过管路与混合罐相连通，氧气源与混合罐相连通的管路上设置了流量阀；氩气源与混合罐相连通的管路上设置流量阀。进一步地，氩气源与混合罐相连通管路的一端伸入混合罐的底部；氧气源与混合罐相连通的管路的一端伸入混合罐的底部。进一步地，装置还包括用于对管式炉加热的发热体，发热体设置于管式炉的外侧。进一步地，装置还包括用于回收水蒸气的冷凝管，冷凝管与管式炉的出气口通过管路相连通。进一步地，冷凝管的出水口正对冷凝水收集器设置。进一步地，蒸汽发生器与管式炉相连通的管路上设置阀体。进一步地，管式炉进气口上设置氩气进气管，氩气进气管上设置阀体。本发明的技术效果：本发明提供碳化硅纤维高温水氧环境模拟方法，可以通过调控流量计流量、蒸汽发生器装束和速度参数对氩气、氧气和水混合气中各气体分压进行准确的调节与控制，可以较好的模拟航空发动机服役环境下的温度和气流场条件，为sic纤维水氧耦合条件下的高温性能测试提供测试平台。本发明提供碳化硅纤维高温水氧环境模拟方法，装置通用性好，不仅可以用于sic纤维测试，也可对碳纤维、氧化铝纤维等其他高性能纤维水氧耦合条件下的高温性能进行测试。具体请参考根据本发明的碳化硅纤维高温水氧环境模拟方法提出的各种实施例的如下描述，将使得本发明的上述和其他方面显而易见。附图说明图1是本发明提供的碳化硅纤维高温水氧环境模拟方法示意图；图2是对实施例1中所得材料采用本发明提供的碳化硅纤维高温水氧环境模拟方法进行水氧环境中高温性能测试后得到的碳化硅纤维的sem照片，a)是测试后纤维表面；b)是测试后纤维截面；c)是测试后纤维截面的背散射电子相。图例说明：1、流量阀；2、混合罐；3、蒸汽发生器；4、搅拌装置；5、温度计；6、第一气阀；61、氩气进气管；7、第二气阀；8、发热体；9、管式炉；10、测试样品；11、冷凝管；13、冷凝水收集器。具体实施方式构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。参见图1，本发明提供的碳化硅纤维高温水氧环境模拟方法，所用装置包括：氧气源、氩气源、用于产生水氧耦合混合气的蒸汽发生器3、用于模拟高温水氧环境的管式炉9，蒸汽发生器3与管式炉9通过管路相连通，待测试样品10放置于管式炉9内，氧气源和氩气源混合后与蒸汽发生器3相连通；碳化硅纤维高温水氧环境模拟方法包括以下步骤：向放置有待测试样品10的管式炉9内通入氩气扫除空气后，对管式炉9升温达到预定温度后，向管式炉9内通入水氧耦合混合气，直至测试完成，之后在氩气氛中冷却待测试样品10；氧气源和氩气源混合过程中氧气的流量为10-100ml/分钟，氩气的流量为100-190ml/分钟；预定温度为800-1600℃；蒸汽发生器3的转速为150-450r/分钟，温度为60-90℃。通过采用该装置并控制氧气和氩气混合时的流量，样品所处环境的温度以及蒸汽发生器3的转速和温度，从而实现精确的模拟碳化硅纤维所处的水氧环境，从而实现对器件的检测。该装置的其他部件参见图1，也可以按现有方法组装该装置。本发明中为了能准确控制sic纤维在管式炉9中所处的环境，以便能准确模拟水氧环境，本发明提供的方法通过流量计控制通入混合罐2中的氧气和氩气的量，通过控制水蒸气发生器中水温和转速来控制单位时间内通入管式炉9内的水的蒸发量。从而实现通入管式炉9内的水氧比例。从而实现准确的模拟该环境。优选的，管式炉9的升温速率为5-20℃/分钟。采用该升温速率能防止待测试样品10受温度聚变产生裂痕，而影响检测结果。优选的，扫除空气步骤和待测试样品10冷却步骤中氩气的通入流量为100-300ml/分钟。以便扫除空气，同时保证样品处于氩气环境中。优选的，装置还包括混合罐2，氧气源和氩气源分别通过管路与混合罐2相连通，氧气源与混合罐2相连通的管路上设置了流量阀1；氩气源与混合罐2相连通的管路上设置流量阀1。通过设置混合罐2能提高混合气体的混合效率，并便于控制氧气和氩气的流量。优选的，氩气源与混合罐2相连通管路的一端伸入混合罐2的底部；氧气源与混合罐2相连通管路的一端伸入混合罐2的底部。以便提高混合效率。优选的，该装置还包括用于对管式炉9加热的发热体8，发热体8设置于管式炉9的外侧。优选的，管式炉9的出气端离开的气体中，液体含量过高，可以通过设置冷凝管11回收其中的液体。收集后的液体冷凝后落入冷凝水收集器13中。优选的，蒸汽发生器3与管式炉9相连通的管路上设置阀体。以便对管式炉9内所通气体进行控制。优选的，管式炉9进气口上设置氩气进气管61，氩气进气管61上设置阀体。以便根据需要控制管式炉9内的气体。参见图1，所用装置可以为包括：氧气源、氩气源、用于混合氧气和氩气的混合罐2、蒸汽发生器3、用于容纳测试样品10的管式炉9和用于对管式炉9加热的发热体8，氩气源和氧气源分别通过管路与混合罐2相连通，氩气源和氧气源与混合罐2相连通的管路上分别设置流量阀1；混合罐2与蒸汽发生器3通管路相连通；蒸汽发生器3与管式炉9的一端通过管路相连通；蒸汽发生器3与管式炉9相连通的管路上设置用于控制水氧耦合气体的第二气阀7，管式炉9的进气端还设有氩气进气管61，氩气进气管61上设置有第一气阀6。蒸汽发生器3可以为市售设备，包括桶内灌注水的蒸汽筒、设置于蒸汽筒下方的加热装置、用于监控蒸汽温度的温度计5、蒸汽筒底面上设置有搅拌装置4，工作时打开加热装置对蒸汽筒加热，同时通入氩气和氧气并打开搅拌装置4，提高氧气和氩气与水的混合度，同时通过温度计5监控所产生蒸汽温度，超过预设温度时停止加热。通入氧气和氩气的管路伸入液面中。加热产生的蒸汽通过管路进入管式炉9中。本发明提供的方法具体包括以下步骤：(1)搭建sic纤维水氧环境中高温性能的测试装置；(2)设定管式炉9升温程序；(3)放入已知力学性能的sic纤维；(4)循环抽真空，通入高纯氩气过程3-5次；(5)在通入氩气气氛条件下，启动升温程序，加热管式炉9；(6)达到设定温度后，关闭独立的氩气流量计和第一气阀6；启动混合罐2前的氧气流量计和氩气流量计，调节蒸汽发生器3转速和温度，开启第二气阀7，通入水氧耦合混合气；(7)达到设定测试时间后，关闭第二气阀7，停止水氧耦合混合气通入，开启第一气阀6，在通入氩气气氛条件下纤维随炉冷却；(8)冷却至室温后取出纤维，对纤维的力学性能进行表征，并计算强度保留率；对纤维的元素组成、结构等进行相关测试。实施例以下实施例中所用物料和仪器均为市售。实施例1(1)搭建sic纤维水氧环境中高温性能的测试装置；(2)设定管式炉升温程序，升温速率控制在10℃/分钟，升温温度控制在1200℃；(3)放入sic纤维样品，在本实施例中，放入的sic纤维单丝强度为2.80gpa，模量为277gpa，氧含量为0.93wt％；(4)循环抽真空，通入高纯氩气过程3次，通入氩气的通入流量为300ml/分钟；(5)保持第一气阀6开启，第二气阀7关闭，在通入氩气气氛条件下，启动升温程序，加热管式炉9；(6)达到设定温度后，关闭独立的氩气流量计和第一气阀6；启动混合罐2前的氧气流量计和氩气流量计，氧气流量控制在100ml/分钟；氩气流量控制在190ml/分钟；调节蒸汽发生器3，转速控制在300r/分钟，温度控制在80℃，开启第二气阀7，通入水氧耦合混合气；(7)本实施例sic纤维考核时间为1小时，1小时后关闭第二气阀7，停止水氧耦合混合气通入，开启第一气阀6，在通入氩气气氛条件下纤维随炉冷却，通入氩气的通入流量为300ml/分钟；(8)冷却至室温后取出纤维，对纤维的力学性能进行表征，并计算强度保留率；对纤维的元素组成、结构等进行相关测试。实施例1中，氩气、氧气和水混合气中各气体分压的计算结果如表1所示。从表1可以看出，当控制条件为水温80℃，转速为300r/分钟，且ar和o2的气流量分别为180ml/分钟和20ml/分钟时，管式炉9中混合气氛ar，o2和h2o的分压比约为77.8：8.7：13.5，接近文献模拟发动机燃烧室报道的气体分压比例。表1水氧耦合装置的相关参数气体1小时内气体流量和蒸发水的质量单位时间物质的量管式炉9中分压ar180ml/分钟1.35×10-5mol0.778atmo220ml/分钟1.5×10-6mol0.087atmh2o1.51g2.3×10-6mol0.135atm实施例1中，sic纤维处于ar，o2和h2o分压比约为77.8：8.7：13.5的混合气氛中，1200℃保温1小时后的基本性能如表2所示。从表2的数据可以看出，sic纤维在水氧条件下具有较好的高温性能，1200℃保温1小时后强度仍保持在2.0gpa以上。表2实施例1条件下sic纤维水氧高温环境测试前后的基本性能图2是实施例1中，sic纤维水氧耦合高温测试后纤维的扫描电镜照片。从图2(a)中可以看出，纤维表面已经出现了较多的裂纹，图2(b)和图2(c)属于同一根纤维的不同成像模式，在图2(b)截面的二次电子相可以看出，纤维断裂源位于氧化层与内部纤维的界面上，在图2(b)纤维截面的背散射相可以看出，由于氧化层中氧含量要明显高于内部纤维，所以在背散射相中能够清晰看见约有780nm厚度的氧化层。实施例2(1)搭建sic纤维水氧环境中高温性能的测试装置；(2)设定管式炉9升温程序，升温速率控制在20℃/分钟，升温温度控制在800℃；(3)放入sic纤维样品，在本实施例中，放入的sic纤维单丝强度为2.80gpa，模量为277gpa，氧含量为0.93wt％；(4)循环抽真空，通入高纯氩气过程3次，通入氩气的通入流量为300ml/分钟；(5)保持第一气阀6开启，第二气阀7关闭，在通入氩气气氛条件下，启动升温程序，加热管式炉9；(6)达到设定温度后，关闭独立的氩气流量计和第一气阀6；启动混合罐2前的氧气流量计和氩气流量计，氧气流量控制在20ml/分钟；氩气流量控制在180ml/分钟；调节蒸汽发生器3，转速控制在450r/分钟，温度控制在90℃，开启第二气阀7，通入水氧耦合混合气；(7)本实施例sic纤维考核时间为1小时，1小时后关闭第二气阀7，停止水氧耦合混合气通入，开启第一气阀6，在通入氩气气氛条件下纤维随炉冷却，通入氩气的通入流量为100ml/分钟；(8)冷却至室温后取出纤维，对纤维的力学性能进行表征，并计算强度保留率；对纤维的元素组成、结构等进行相关测试。实施例2中，氩气、氧气和水混合气中各气体分压的计算结果如表3所示。从表3可以看出，当控制条件为水温90℃，转速为450r/分钟，且ar和o2的气流量分别为180ml/分钟和20ml/分钟时，管式炉9中混合气氛ar，o2和h2o的分压比约为73.0：8.1：18.9。表3水氧耦合装置的相关参数气体1小时内气体流量和蒸发水的质量单位时间物质的量管式炉9中分压ar180ml/分钟1.35×10-5mol0.730atmo220ml/分钟1.5×10-6mol0.081atmh2o2.28g3.5×10-6mol0.189atm实施例2中，sic纤维ar，o2和h2o分压比约为73.0：8.1：18.9的混合气氛中，1400℃保温1小时后的基本性能如表4所示。表4实施例2条件下sic纤维水氧高温环境测试前后的基本性能实施例3(1)搭建sic纤维水氧环境中高温性能的测试装置；(2)设定管式炉9升温程序，升温速率控制在5℃/分钟，升温温度控制在1000℃；(3)放入sic纤维样品，在本实施例中，放入的sic纤维单丝强度为2.80gpa，模量为277gpa，氧含量为0.93wt％；(4)循环抽真空，通入高纯氩气过程3次，通入氩气的通入流量为300ml/分钟；(5)保持第一气阀6开启，第二气阀7关闭，在通入氩气气氛条件下，启动升温程序，加热管式炉9；(6)达到设定温度后，关闭独立的氩气流量计和第一气阀6；启动混合罐2前的氧气流量计和氩气流量计，氧气流量控制在10ml/分钟；氩气流量控制在190ml/分钟；调节蒸汽发生器3，转速控制在150r/分钟，温度控制在70℃，开启第二气阀7，通入水氧耦合混合气；(7)本实施例sic纤维考核时间为1小时，1小时后关闭第二气阀7，停止水氧耦合混合气通入，开启第一气阀6，在通入氩气气氛条件下纤维随炉冷却，通入氩气的通入流量为150ml/分钟；(8)冷却至室温后取出纤维，对纤维的力学性能进行表征，并计算强度保留率；对纤维的元素组成、结构等进行相关测试。实施例3中，氩气、氧气和水混合气中各气体分压的计算结果如表5所示。从表3可以看出，当控制条件为水温60℃，转速为150r/分钟，且ar和o2的气流量分别为180ml/分钟和20ml/分钟时，管式炉9中混合气氛ar，o2和h2o的分压比约为85.0：9.5：5.5。表5水氧耦合装置的相关参数气体1小时内气体流量和蒸发水的质量单位时间物质的量管式炉9中分压ar180ml/分钟1.35×10-5mol0.850atmo220ml/分钟1.5×10-6mol0.095atmh2o0.578.8×10-7mol0.055atm实施例3中，sic纤维ar，o2和h2o分压比约为85.0：9.5：5.5的混合气氛中，1000℃保温1小时后的基本性能如表6所示。表6实施例3条件下sic纤维水氧高温环境测试前后的基本性能实施例4(1)搭建sic纤维水氧环境中高温性能的测试装置；(2)设定管式炉9升温程序，升温速率控制在20℃/分钟，升温温度控制在1600℃；(3)放入sic纤维样品，在本实施例中，放入的sic纤维单丝强度为2.80gpa，模量为277gpa，氧含量为0.93wt％；(4)循环抽真空，通入高纯氩气过程3次，通入氩气的通入流量为100ml/分钟；(5)保持第一气阀6开启，第二气阀7关闭，在通入氩气气氛条件下，启动升温程序，加热管式炉9；(6)达到设定温度后，关闭独立的氩气流量计和第一气阀6；启动混合罐2前的氧气流量计和氩气流量计，氧气流量控制在40ml/分钟；氩气流量控制在160ml/分钟；调节蒸汽发生器3，转速控制在300r/分钟，温度控制在80℃，开启第二气阀7，通入水氧耦合混合气；(7)本实施例sic纤维考核时间为1小时，1小时后关闭第二气阀7，停止水氧耦合混合气通入，开启第一气阀6，在通入氩气气氛条件下纤维随炉冷却，通入氩气的通入流量为300ml/分钟；(8)冷却至室温后取出纤维，对纤维的力学性能进行表征，并计算强度保留率；对纤维的元素组成、结构等进行相关测试。实施例4中，氩气、氧气和水混合气中各气体分压的计算结果如表7所示。从表7可以看出，当控制条件为水温80℃，转速为300r/分钟，且ar和o2的气流量分别为160ml/分钟和40ml/分钟时，管式炉9中混合气氛ar，o2和h2o的分压比约为69.4：17.3：13.3。表7水氧耦合装置的相关参数气体1小时内气体流量和蒸发水的质量单位时间物质的量管式炉9中分压ar160ml/分钟1.2×10-5mol0.694atmo240ml/分钟3×10-6mol0.173atmh2o1.51g2.3×10-6mol0.133atm实施例4中，sic纤维ar，o2和h2o分压比约为69.4：17.3：13.3的混合气氛中，1200℃保温1小时后的基本性能如表8所示。表8实施例4条件下sic纤维水氧高温环境测试前后的基本性能实施例5(1)搭建sic纤维水氧环境中高温性能的测试装置；(2)设定管式炉9升温程序，升温速率控制在10℃/分钟，升温温度控制在1200℃；(3)放入sic纤维样品，在本实施例中，放入的sic纤维单丝强度为2.80gpa，模量为277gpa，氧含量为0.93wt％；(4)循环抽真空，通入高纯氩气过程3次，通入氩气的通入流量为200ml/分钟；(5)保持第一气阀6开启，第二气阀7关闭，在通入氩气气氛条件下，启动升温程序，加热管式炉9；(6)达到设定温度后，关闭独立的氩气流量计和第一气阀6；启动混合罐2前的氧气流量计和氩气流量计，氧气流量控制在100ml/分钟；氩气流量控制在100ml/分钟；调节蒸汽发生器3，转速控制在300r/分钟，温度控制在80℃，开启第二气阀7，通入水氧耦合混合气；(7)本实施例sic纤维考核时间为1小时，1小时后关闭第二气阀7，停止水氧耦合混合气通入，开启第一气阀6，在通入氩气气氛条件下纤维随炉冷却，通入氩气的通入流量为100ml/分钟；(8)冷却至室温后取出纤维，对纤维的力学性能进行表征，并计算强度保留率；对纤维的元素组成、结构等进行相关测试。实施例5中，氩气、氧气和水混合气中各气体分压的计算结果如表9所示。从表9可以看出，当控制条件为水温80℃，转速为300r/分钟，且ar和o2的气流量分别为100ml/分钟和100ml/分钟时，管式炉9中混合气氛ar，o2和h2o的分压比约为43.4：43.4：13.2。表9水氧耦合装置的相关参数气体1小时内气体流量和蒸发水的质量单位时间物质的量管式炉9中分压ar100ml/分钟7.5×10-6mol0.434atmo2100ml/分钟7.5×10-6mol0.434atmh2o1.51g2.3×10-6mol0.132atm实施例5中，sic纤维ar，o2和h2o分压比约为43.4：43.4：13.2的混合气氛中，1200℃保温1小时后的基本性能如表10所示。表10实施例5条件下sic纤维水氧高温环境测试前后的基本性能本领域技术人员将清楚本发明的范围不限制于以上讨论的示例，有可能对其进行若干改变和修改，而不脱离所附权利要求书限定的本发明的范围。尽管己经在附图和说明书中详细图示和描述了本发明，但这样的说明和描述仅是说明或示意性的，而非限制性的。本发明并不限于所公开的实施例。通过对附图，说明书和权利要求书的研究，在实施本发明时本领域技术人员可以理解和实现所公开的实施例的变形。在权利要求书中，术语“包括”不排除其他步骤或元素，而不定冠词“一个”或“一种”不排除多个。在彼此不同的从属权利要求中引用的某些措施的事实不意味着这些措施的组合不能被有利地使用。权利要求书中的任何参考标记不构成对本发明的范围的限制。当前第1页12