碳/碳复合材料MoSi2涂层的防氧化研究

研究了碳/碳复合材料MoSi₂防氧化涂层的性能.结果表明,MoSi₂涂层系统具有1500℃长时间防氧化作用,在1500℃时,带涂层的碳/碳复合材料长时间氧化失重速率稳定在2.43×10-5g/m2·s,242小时的氧化失重为0.57%,该质量损失表现为涂层系统自身蒸发损耗;同时,MoSi₂涂层具有良好的自愈性和抗热震性.     

碳/碳复合材料防护涂层的抗氧化行为研究

对碳/碳复合材料MoSi₂-SiC 复相陶瓷抗氧化涂层在1650℃以下温度的等温氧化动力学、以及涂层的结构与组成对抗氧化性能的影响进行了研究, 阐明了涂层的抗氧化过程及机理。通过对涂层的显微形貌、相组成及成分的观察与分析, 进一步提出了合理的涂层结构。结果表明, 碳/碳复合材料MMoSi₂-SiC 复相陶瓷涂层的抗氧化性能取决于氧在涂层中的扩散过程。     

两种抗氧化碳/碳复合材料的高温氧化行为

用恒温热重法测定了表面经化学气相渗 SiC 的碳布层叠和碳毡抗氧化碳/碳复合材料在1300℃、空气中的氧化失重速率,并研究其高温氧化行为。氧化动力学测定结果表明,碳布层叠和碳毡抗氧化碳/碳材料在1300℃空气中1h 的平均氧化失重速率分别为0.024和0.033g/m~2·s。两种材料的氧化失重速率随氧化时间延长而减小。研究表明,材料表面 SiC 涂层中的微裂纹缺陷作为环境中氧的快速扩散通道,使得涂层底部基体的碳发生氧化。在达到稳态后,氧化速率限制过程为反应气体和产物气体通过 SiC 涂层底部气体边界层的扩散过程。     

原位反应法制备Cf/SiC复合材料MoSi2-SiC-Si涂层

以C_f/SiC复合材料为基体, 采用原位反应法制备了MoSi₂-SiC-Si涂层, 借助XRD、扫描电镜及能谱对涂层的结构及组成进行了分析研究, 并考查了其高温抗氧化性能. 结果表明, 涂层总厚度约120μm, 主要由MoSi₂、SiC和Si组成. MoSi₂-SiC-Si涂层具有优异的高温抗氧化性能, 在1500℃静态空气中氧化96h, 涂层试样失重仅1.8%. 涂层试样失重的主要原因是由于氧气通过涂层中的贯穿性裂纹与C_f/SiC复合材料基体发生了反应.     

Mo5Si3-MoSi2/SiC复合涂层的高温抗氧化行为分析

采用化学气相反应法和料浆刷涂反应法,在石墨表面制备了Mo₅Si₃-MoSi₂/SiC复合涂层,借助X射线衍射仪、扫描电镜及能谱等分析手段,研究了涂层的结构;通过恒温抗氧化实验及热力学分析,重点研究了涂层的高温抗氧化行为。结果表明：在1823 K的氧化氛围中,复合涂层中的Mo₅Si₃、MoSi₂组元易氧化生成MoO₃气体并导致涂层失重;而氧化初期(0～6 h)涂层试样的增重则主要与SiC的惰性氧化主导有关。由于复合涂层各组元在高温下都能氧化生成SiO₂玻璃,使涂层具有良好的高温抗氧化及热震性能;经20 h、16次循环热震实验后,涂层试样的氧化失重率只有3.78%。     

SiC-MoSi2涂层C/C复合材料的动态氧化行为研究

C/C复合材料在使用过程中往往经受急冷急热与高温燃气冲刷。为了研究涂层C/C复合材料的动态氧化行为及失效机制,本文对SiC/MoSi_2涂层C/C复合材料试样的全温抗氧化性能以及抗冲刷性能进行测试分析.结果表明:SiC/MoSi_2涂层试样具有良好的高温抗燃气氧化冲刷性能,在经历1 600℃高温燃气冲刷55.5 h,10次室温～1 600℃～室温急冷急热考核后,失重率仅为7.68%;涂层试样在高温风洞中动态氧化失效的原因是位于缺陷氧化最敏感温度处的试样微区的氧化损耗最为严重,导致试样在该微区处的力学性能显著下降,使其无法承受气动载荷而发生断裂.     

SiC/MoSi2-Si-Cr-B/玻璃涂层碳/碳复合材料抗氧化行为研究

采用两步包埋法及料浆涂刷-烧结法在二维碳布叠层碳/碳复合材料表面依次制备了SiC/MoSi2-Si-Cr-B包埋涂层及磷酸盐玻璃外涂层,研究了其在950℃静态空气环境中自由状态的抗热震、防氧化性能及不同弯曲变形状态下的防氧化性能,并借助X射线衍射分析仪及扫描电子显微镜对涂层试样的组成成分及微观组织形貌进行了分析.结果表明:950℃自由状态下该涂层体系的氧化失重率为负值,抗热震、防氧化效果良好;磷酸盐玻璃层在950℃软化熔融呈粘流态,可填补涂层内的裂纹和孔洞,阻止氧的入侵,有效提高了涂层整体的抗热震及抗氧化性能;但弯曲变形状态下,涂层试样的氧化失重率随形变量的增加而提高,形变会在一定程度上降低碳/碳复合材料抗氧化涂层的保护效果,加速材料的氧化失效.     

基体改性碳/碳复合材料抗氧化影响规律探析

碳/碳复合材料(以下简称C/C)在空气中400℃以上显着氧化,目前所采用的防氧化涂层不能很好地解决涂层与基体间热膨胀所带来的裂纹问题,我们认为,同时着重于C/C本身改性及其涂层的抗氧化性提高,是大大改善其抗氧化性能的有效途径.本论文就是基于这一出发,点,在C/C基体中加ZrO₂、SiO₂、SiC等玻璃陶瓷粉,并且将数学工具引入实验,得到了基体添加剂对C/C抗氧化性的影响规律,实验结果表明,SiO₂、B₄C等玻璃陶瓷粉显着改善C/C的抗氧化性能,大大降低氧化烧蚀率.     

A3-3碳/碳复合材料的氧化动力学研究

本文采用等温氧化实验方法,在800～1000℃、氧分压21.3kPa的条件下研究了A3-3碳/碳复合材料的氧化动力学行为;借助质谱全元素分析技术研究了杂质催化对其氧化速率的影响,并利用扫描电镜观察分析了氧化反应前后A3-3碳/碳复合材料的表面形貌。研究结果表明:A3-3碳/碳复合材料在氧化时,其氧化速率开始时随氧化失重和氧化时间的增加而迅速增大,然后趋向一个稳定值;其稳定氧化速率为:r=119exp(-15613/RT)mg/cm2·h;此时,其氧化速率不受杂质催化的影响,其抗氧化能力与氧化时间和氧化失重无关;影响A3-3碳/碳复合材料抗氧化能力的主要因素是酚醛树脂炭的抗氧化能力。     

碳/碳复合材料SiC/MoSi_2/ZrO_2涂层体系氧化烧蚀性能

抗氧化涂层技术是解决碳/碳复合材料高温抗氧化性的最有效技术途径之一。为了提高材料在1 800℃以上的高温抗氧化性能,首次采用包埋法、涂刷法和等离子喷涂法在碳/碳复合材料表面制备出SiC/MoSi_2/ZrO_2梯度抗氧化涂层体系。采用SEM/EDS、结合力和粗糙度测试对涂层表面及断面形貌进行微观分析,利用等离子风洞对整个涂层体系进行氧化试验。结果表明:基体、过渡层和高温抗氧化层之间结合力良好,高温抗氧化层厚度均匀、结构致密。经等离子风洞氧化600s后,涂层表面温度达到1 850℃,氧化质量失重速率仅为3.15×10~(-6) g/(cm~2·s)。表明SiC/MOSi_2/ZrO_2梯度抗氧化涂层体系在1 800℃以上的高温环境下具有很好的抗氧化性能。     

炭/炭复合材料高温抗氧化MoSi2/SiC复合涂层及其抗氧化特性

采用两段式包埋法和封闭处理的复合新工艺制得抗氧化性优良的MoSi₂/SiC复合梯度C/C复合材料高温抗氧化涂层。涂层由内至外结构为:SiC过渡层→SiC致密层→MoSi₂/SiC双相层→以MoSi₂为主的外层。对未封闭处理的涂层,制备过程中高温保温时间长的氧化失重少,1200℃、1300℃空气中氧化失重比1400℃、1500℃氧化失重大。用正硅酸四乙酯对涂层表面进行封闭处理,凝胶形成的SiO₂可充填涂层表面裂纹并覆盖在涂层表面。在1500℃空气中氧化一定时间后,未封闭处理的涂层试样表现为氧化失重;封闭处理后的试样为氧化增重,氧化52h仍然只有1.28%的增重,封闭处理使涂层的抗氧化性能明显改善。      

多涂层炭/炭复合材料抗1500℃燃气冲刷性能的研究

为提高炭/炭(C/C)复合材料的抗高温燃气冲刷性能,分别采用包埋法、化学气相沉积法和料浆法在其表面制备了三层涂层.借助扫描电镜、电子能谱等测试手段对涂层试样的微观结构进行了分析,同时研究了涂层C/C复合材料在高温风洞环境中的抗冲刷性能,并分析了涂层在燃气冲刷环境下的失效原因.结果表明:三层涂层由MoSi2-SiC-Si多相内涂层、SiC中间层和玻璃外涂层构成,其厚度分别为80μm, 20μm和80μm.该复合涂层可在1500℃风洞环境下对C/C复合材料有效保护53h.涂层在高温风洞中防氧化失效是由于涂层在热冲击以及承受气流冲击的恶劣环境下开裂引起的.     

高温氧化及热震对SiC/ZrB2-SiC/SiC涂层炭/炭复合材料力学行为的影响

为提高炭/炭(C/C)复合材料的高温抗氧化性能,同时分析涂层制备及高温氧化对涂层材料力学行为的影响,在C/C复合材料表面采用反应熔渗、料浆涂刷结合化学气相沉积工艺制备了SiC/ZrB2-SiC/SiC三层高温抗氧化涂层。利用SEM和XRD分析复合涂层的微观结构和相组成,考察涂层复合材料1500℃高温抗氧化和1500℃-室温的抗热震性能,研究高温氧化及热震对涂层C/C复合材料力学行为的影响。结果表明,复合涂层试样1500℃静态空气环境下具有优异的抗氧化及抗热震性能:1500℃氧化20 h后试样保持增重,1500℃至室温热震50次后增重为0.69%。因涂层制备过程中粉料的渗入反应,复合材料弯曲强度增长了7.08%。在经历1500℃氧化20 h和1500℃至室温50次热震后,涂层复合材料弯曲强度有所下降,且因材料界面结合力的减弱使得纤维拔出特征明显,材料塑性断裂特征增强。     

涂敷含硼硅玻璃SiC涂层的C/SiC复合材料空气氧化行为

以2D C/SiC复合材料为基底, 采用聚合物裂解工艺(Polymer plyen)制备了含硼硅玻璃SiC自愈合涂层。利用扫描电镜对含硼硅玻璃SiC涂层的2D C/SiC复合材料氧化前后的微结构形貌进行了分析。研究了含硼硅玻璃SiC涂层的C/SiC复合材料在静态空气中700℃、 1000℃和1200℃下的氧化行为, 并分析了涂层层数对C/SiC复合材料氧化行为的影响。结果表明: 含硼硅玻璃SiC涂层在该温度下形成的玻璃相可以较好地封填表面缺陷(裂纹和孔洞); 并且随温度升高及涂层层数增加, 试样在氧化过程中质量减少率降低, 氧化后的强度保持率提高。      

包埋法制备SiC涂层内残留Si的高温抗氧化作用机制

采用包埋法在C/C基体上制备了SiC涂层, 借助X射线衍射仪(XRD)和扫描电镜(SEM)对涂层的相组成及微观形貌进行了观察和分析, 研究了涂层在1500℃静态空气中的氧化行为, 并进一步阐述了涂层的抗氧化机制。结果显示: 包埋法制备的涂层由α-SiC、 β-SiC及游离Si组成, 经XRD半定量分析得到不同工艺制备的涂层中游离Si含量不同; 游离Si含量越高涂层越致密; 氧化性能显示涂层中适量的游离Si有利于涂层的抗氧化, 当涂层中游离Si质量分数为1.3%和2.9%时其抗氧化性能均较好, 在1500℃静态空气中氧化7 h失重率分别为0.19%和0.16%。      

等离子喷涂炭/炭复合材料Cr-Al-Si涂层显微结构及高温抗氧化性能

采用等离子喷涂法在涂覆SiC内涂层的炭/炭复合材料表面制备了Cr-Al-Si外涂层。采用XRD和SEM分析了涂层的物相组成及微观结构, 并测试了复合涂层炭/炭复合材料试样在1500℃静态空气中的抗氧化性能。结果表明: 合金外涂层主要由Al_3.21Si_0.47、 Cr₃Si及Al₂O₃组成, 厚度约为120μm, 无穿透性裂纹; 多孔结构单一β-SiC内涂层的防氧化能力较差, 氧化10h后涂层试样的氧化失重就接近10%, 外加Cr-Al-Si涂层后, 涂层试样的氧化性能显著提高, 氧化61 h后试样的失重仅为5.3%。      

Y_2Si_2O_7晶须增强MoSi_2复合涂层的制备及性能

采用水热电泳沉积法在C/C-SiC复合材料表面制备了Y2Si2O7晶须增强MoSi2复合抗氧化外涂层。采用X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对涂层的相组成和显微结构进行了表征。研究了Y2Si2O7晶须对复合涂层显微结构和抗氧化性能的影响。结果表明:Y2Si2O7晶须对复合涂层的显微结构和抗氧化性能有较大的影响。与MoSi2/SiC涂层相比,Y2Si2O7-MoSi2/SiC复合涂层均匀、致密,无显微裂纹。在静态空气氧化过程中,Y2Si2O7晶须有效阻止了外涂层的开裂,提高了涂层的抗氧化性能。该复合涂层试样在1773 K下氧化100 h,失重仅为0.73%,相应的失重速率仅为1.48×10-5g.cm-2.h-1。     

包埋浸渗/气相沉积二步法在C/C复合材料表面制备SiC涂层

采用包埋浸渗法和化学气相沉积(CVD)法相结合在炭/炭(C/C)复合材料表面制备了SiC涂层, 借助扫描电镜、能谱分析以及X射线衍射等检测手段对涂层的微观组织形貌、元素分布和物相组成进行了观察与分析. 结果表明:包埋法制备的SiC涂层与C/C复合材料基体的界面处形成了梯度过渡层, CVD法制备的涂层十分致密, 有效填充了包埋SiC涂层中的孔隙, 因此, 二步法制备的SiC涂层具有良好的防氧化性能, 涂层试样在1500℃静态空气中氧化60h失重率仅为2.01%. 试样失重的主要原因是其在高低温热循环过程中氧气从涂层中的微裂纹扩散至基体表面, 从而引起基体氧化所致.