碳/碳复合材料超高温抗氧化铱涂层研究现状

综述了碳/碳复合材料抗氧化铱涂层的制备技术,阐述了该涂层应用存在的问题及解决方法,并对碳/碳复合材料超高温抗氧化铱涂层的发展趋势进行了展望。     

碳/碳复合材料SiC/W-Al-Si涂层微观结构及抗氧化性能

分别采用包埋法、料浆法在碳/碳（C/C）复合材料表面制备了碳化硅（SiC）内涂层、W-Al-Si合金外涂层,借助XRD和SEM分析了所得涂层的物相组成和微观结构,并测试了带有单一SiC涂层、SiC/W-Al-Si双涂层碳/碳复合材料试样在1500℃静态空气中的抗氧化性能。结果表明：富Si的SiC内涂层结构疏松,仅能为碳/碳基体提供数小时的防氧化保护;W-Al-Si合金外涂层主要由WSi2和W（Si,Al）2两相组成;SiC/W-Al-Si双涂层厚度约为100μm,其抗氧化性能明显优于单一SiC涂层,氧化19 h后涂层试样的质量损失未超过5%;有望进一步通过优化W-Al-Si外涂层料浆比例,避免因为与SiC内涂层热膨胀不匹配而产生透性裂纹,从而发挥出超过19 h后SiC/W-Al-Si双涂层的氧化防护潜力。     

SiC 涂层对不同碳基体氧化防护行为的研究

为了提高碳材料的抗氧化性能,采用料浆烧结法在石墨和C/C复合材料上制备了SiC 抗氧化涂层.测试了SiC涂层在1200℃的高温下对不同碳基体的氧化防护能力,利用扫描电子显微镜 (SEM)、X-射线衍射仪(XRD)对涂层结构进行分析.结果表明:SiC涂层对不同碳材料的抗氧化防护行为有很大差异,在1200℃的高温下SiC涂层对石墨具有较好的抗氧化性能,而对C/C复合材料的氧化防护性能较差.     

包埋/溶胶凝胶两步法制备碳/碳复合材料表面抗氧化涂层

采用结合包埋法和溶胶凝胶法(sol-gel)在碳/碳(C/C)复合材料表面制备了SiC-SiC/TaC涂层,借助扫描电镜、X射线衍射等手段对涂层的微观组织形貌和物相组成进行观察与分析.结果表明:该包埋工艺中SiC为晶须状生长形成具有晶须增韧的涂层,且溶胶-凝胶法制备的外涂层致密有效的填充了SiC晶须间空隙并完全覆盖,涂层厚度由4μm增加至8μm,从而具备良好的防氧化性能.涂层试样在1000℃静态空气中氧化2h,质量损失在2％以内,远低于纯C/C试样及单一SiC涂层保护C/C试样.     

热解碳涂层对Cf/Al复合材料热膨胀性能的影响

采用真空挤压吸渗工艺制备了不同厚度热解碳（PyC）涂层的碳纤维增强铝基（C_f/Al）复合材料,研究了热解碳涂层对C_f/Al复合材料热膨胀性能的影响。结果表明,热解碳涂层均匀而致密,可有效地保护碳纤维;对C_f/Al复合材料的热膨胀性能进行测试表明,与碳纤维表面无涂层的C_f/Al复合材料相比,当热解碳涂层的厚度约为70 nm时,碳纤维表面具有热解碳涂层的C_f/Al复合材料的热膨胀系数减小了24%;在一定的厚度范围内（70~250 nm）,随着热解碳涂层厚度的增加,碳纤维表面具有热解碳涂层的C_f/Al复合材料界面结合强度和滑移阻力逐渐减小,热膨胀系数逐渐增大。     

MoSi2涂层高温抗氧化性能研究进展

综述了MoSi2作为C/C复合材料和难熔金属的高温抗氧化涂层的氧化性能的研究进展,比较研究了MoSi2高温抗氧化涂层的制备工艺,提出了MoSi2涂层技术的未来发展方向,即研发高温长寿命高可靠性抗氧化涂层、超高温抗氧化涂层,以满足航空发动机及航天飞机在恶劣工况条件下的使用要求.     

磁控溅射法制备碳/碳复合材料 SiC/MoSi2-ZrB2 涂层的结构及抗氧化性能研究

通过磁控溅射法在碳/碳复合材料表面成功制得了SiC/MoSi2-ZrB2陶瓷涂层并对结构及其在高温有氧环境中的抗氧化性能进行了研究。结果表明制备的SiC/MoSi2-ZrB2陶瓷涂层呈柱状晶结构且均匀性良好,其在1273K和1773K的有氧环境中氧化60min失重率分别是5.6×10-2 g/cm2 和 6.3×10-2 g/cm2。     

磁控溅射法制备碳/碳复合材料SiC/MoSi_2-ZrB_2涂层的结构及抗氧化性能研究（英文）

通过磁控溅射法在碳/碳复合材料表面成功制得了SiC/MoSi_2-ZrB_2陶瓷涂层并对其结构及其在高温有氧环境中的抗氧化性能进行了研究。结果表明制备的SiC/MoSi_2-ZrB_2陶瓷涂层呈柱状晶结构且均匀性良好,其在1273和1773 K的有氧环境中氧化60 min失重率分别是5.6×10~(-2)和6.3×10~(-2) g/cm~2。     

SiC-Glass涂层碳/碳复合材料的中低温氧化行为及机制研究

为揭示具有良好高温(1300～1600 ℃)抗氧化性能的SiC-Glass涂层在中低温(500～1200 ℃)条件下的氧化防护性能,对SiC-Glass涂层碳/碳(C/C)复合材料的中低温氧化行为和机制进行了系统研究.结果表明,SiC-Glass涂层C/C复合材料的中低温氧化失重服从直线规律,但氧化机制存在温度依赖性,可分为2个区段:(1) 低温区(500～800 ℃),氧化失重速率与温度服从Arrhenius关系,氧化主要受控于氧在涂层缺陷内的扩散速率;(2) 在中温区(800～1200 ℃),氧化失重速率与温度不服从Arrhenius关系,氧化过程受氧在涂层缺陷中的扩散、SiC内涂层材料的氧化、Glass外涂层的部分熔融愈合等多种因素联合控制.对比分析表明,SiC-Glass涂层的中低温抗氧化性能不及其高温抗氧化性能优异.中低温下,涂层缺陷愈合不充分是导致这一现象的主要原因.     

Si/Zr质量比对SiC/ZrC涂层微观结构及其抗氧化性能的影响

采用反应熔体浸渗工艺在C/C复合材料表面制备了SiC和SiC/ZrC抗氧化涂层,并利用XRD、SEM和EDS等分析手段研究了浸渗粉料中Si/Zr质量比对抗氧化涂层的相组成和微观结构的影响,考察了SiC和SiC/ZrC涂层在1 400℃静态空气气氛中的抗氧化性能,初步探讨了SiC/ZrC涂层的抗氧化机制。研究结果表明,随着浸渗粉料中Si/Zr质量比由4.5∶1.5降至2∶4,制得的SiC/ZrC涂层表面涂层致密性呈现先增后降的趋势,而涂层厚度则逐渐减小。当Si/Zr质量比为3∶3时,制得SiC/ZrC涂层C/C复合材料表现出优良的抗氧化性能,在空气气氛中1 400℃氧化6h后增重0.5%左右,而SiC涂层C/C复合材料在相同条件下氧化5h后失重率达到26.71%。SiC/ZrC涂层优异的抗氧化性能与其表面形成的一层致密、连续的ZrSiO4-SiO2-ZrO2玻璃膜有关。     

SiC涂层对C/C复合材料高温氧乙炔焰烧蚀性能影响

采用化学气相反应法在C/C复合材料表面制备抗氧化SiC涂层,借助X射线衍射仪、扫描电镜及能谱等分析手段,研究涂层的结构;通过氧乙炔焰烧蚀试验考察SiC涂层对C/C复合材料高温耐烧蚀性能影响。结果表明:SiC涂层可明显提高C/C复合材料的高温短时耐烧蚀性能,经过20 s的高温氧乙炔焰烧蚀后,C/C复合材料试样的线烧蚀率和质量烧蚀率分别为13μm/s和6.6 mg/s,SiC涂层试样的线烧蚀率和质量烧蚀率分别为22μm/s和0.5 mg/s;在烧蚀中心区,涂层试样的烧蚀以升华分解为主,同时还伴有氧化烧蚀和微区机械剥蚀;在烧蚀过渡区,涂层的烧蚀机制以热氧化和燃气冲刷为主;而在烧蚀边缘区,涂层的烧蚀则主要表现为弱氧化烧蚀。     

Microstructure and oxidation of multi-layer MoSi2-CrSi2-Si coatings for SiC coated carbon/carbon composites

Multi-layer MoSi₂-CrSi₂-Si anti-oxidation coatings with different compositional ratios were prepared on the surface of SiC coated carbon/carbon (C/C) composites by a two-step pack cementation method. The microstructure and anti-oxidation performance of the coating were studied. The results show that the multi-layered coatings could protect the C/C composites from oxidation in air at 1773 K for 1000 h or 1873 K for 750 h, respectively. The anti-oxidation performance of the multi-layer MoSi₂-CrSi₂-Si coating is mainly attributed to their dense and microcrack-free structure, appropriate thermal expansion coefficient and the well dispersed MoSi₂ and CrSi₂ in the coating.     

HfC-TaC改性对C/SiC-ZrC复合材料静态氧化行为的影响

利用HfC-TaC对C/SiC-ZrC陶瓷基热结构复合材料进行改性,提升C/SiC-ZrC材料的抗氧化性能。结合前驱体浸渍裂解和化学气相沉积法制备陶瓷基复合材料,并通过静态氧化实验（1600 ℃/5 h和1600 ℃/20 h）检验其抗氧化性能。结合弯曲强度测试和失重情况分析,发现HfC-TaC可以有效改善C/SiC-ZrC复合材料的氧化行为,且能够使其满足力学性能要求。借助X射线衍射仪、扫描电子显微镜和能谱仪等仪器,对复合材料的晶相结构、微观结构等进行了分析,结果显示：均匀的元素分布和基体中各陶瓷组元间良好的融合度是C/SiC-ZrC复合材料抗氧化性能提升的原因。     

ZrC-SiC-MoSi2涂覆C/C-SiC-ZrC陶瓷基复合材料在氧乙炔焰下的烧蚀行为及机理(英文)

为进一步提高C/C复合材料在不同烧蚀环境下的烧蚀性能,采用浆料刷涂法在C/C-SiC-ZrC陶瓷基复合材料上制备Zr含量分别为34%和60%(质量分数)的ZrC-SiC-MoSi₂涂层,并且利用氧乙炔焰研究涂层C/C-SiC-ZrC复合材料在3种不同氧气及乙炔流量下的烧蚀行为。结果表明：随着Zr含量的增加,涂层内部的ZrC和SiC颗粒尺寸明显减小,且颗粒分布更加均匀。Zr含量为60%的涂层线烧蚀率随氧气和乙炔流量的增加而增加,而Zr含量为34%的涂层线烧蚀率随氧气和乙炔流量的增加,先增加后降低。此外,详细讨论ZrC-SiC-MoSi₂涂层在不同条件下的烧蚀机理。随着氧气和乙炔流量的增加,主要的烧蚀机制由氧化变为氧化和蒸发的结合作用,最后变为氧化、蒸发及剥蚀的结合作用。     

Si-Mo-SiO2 oxidation protective coatings prepared by slurry painting for C/C-SiC composites

Three types of Si-Mo-SiO₂ coatings: two single-layered ones by different slurry paintings and a final sintering, and three-layered one by triple paintings followed by sintering each time, have been fabricated on the surface of C/C-SiC composites. The coatings were composed of SiC, MoSi₂, Si and SiO₂. The two single coatings had a microstructure with many pinholes and deep microcracks and had no obvious protection for C/C-SiC composites in air in the range of 1273-1673 K. While the triple Si-Mo-SiO₂ coating had a microstructure with much less defects and could provide more than 100 h protection at 1473-1673 K in air and kept intact in the course of 50 cycles of thermal shock test between 1673 K and 373 K. The excellent anti-oxidation ability and thermal shock resistance of the triple Si-Mo-SiO₂ coating can be attributed to its relatively integral microstructure and the self-sealing of microcracks during oxidation.     

TaSi2改性ZrB2/SiC复合粉末制备及涂层抗氧化性能研究

目的 提高ZrB2/SiC涂层的致密性及抗氧化烧蚀能力。方法 设计向ZrB2/SiC涂层中掺杂TaSi2,以提升ZrB2/SiC涂层的致密度和抗氧化性能。首先通过喷雾造粒法制备了4种不同成分配比的复合团聚粉,然后采用大气等离子喷涂(APS)在C/C基体表面制备了4种团聚粉复合涂层,最后使用氧-乙炔火焰法对所制备的涂层进行了烧蚀考核。结果 通过涂层致密度对比发现,随着TaSi2的增加,涂层共晶区会有所增加,涂层致密度得到了明显改善。通过烧蚀考核发现,TaSi2的加入能够增加SiO2的含量,并产生热稳定性好的TaZr2.75O8。此外致密TaZr2.75O8的产生还能够有效改善涂层的抗氧化烧蚀性能。结论 最终得出的ZrB2/SiC涂层硅化物掺杂改性方案为30%TaSi2/42%ZrB2/28%SiC(体积分数)大气等离子喷涂制备的抗氧化烧蚀涂层,其在1 600 ℃烧蚀5 min后的质量损失率为‒1.70×10^‒4 g/s。     

石墨和C/C复合材料表面ZrB2-SiC陶瓷涂层的研究进展

C/C复合材料具有优异的高温力学性能,是航空航天领域最具发展前景的结构材料之一,但在高温含氧环境中的氧化问题严重地限制了其实际应用。涂层技术是提升基体抗氧化能力的有效手段,因ZrB_2-SiC陶瓷涂层具有优异的抗氧化、抗烧蚀、抗热震等性能,非常适合作为C/C复合材料的高温防护涂层。首先,介绍了ZrB_2-SiC陶瓷涂层在氧化和烧蚀过程中组织结构的演变规律,阐明了该涂层的高温防护机理;然后,综述了该涂层的主要制备方法(包埋法、CVD、等离子喷涂)及每种方法的优点与不足,并对不同方法所制备涂层的抗氧化性和抗烧蚀性进行了比较;之后,针对该涂层研究和应用中存在的问题,如涂层致密性差、元素分布不均匀、应用温度范围窄、与基体热匹配性差等,从粉体改性和掺杂改性两方面总结了该涂层的改性研究现状,重点阐述了对ZrB_2-SiC粉末进行喷雾造粒和感应等离子球化处理对于提升等离子喷涂涂层性能的重要意义;最后,从涂层制备、涂层结构设计、涂层改性、涂层性能测试等方面,指出了该涂层体系存在的主要问题和未来的发展方向。     

Influence of hydrothermal treatment temperature on oxidation modification of C/C composites with aluminum phosphates solution by a microwave hydrothermal process

Carbon/carbon (C/C) composites were modified with an aluminum phosphates solution by a novel microwave hydrothermal (MH) process in order to improve their low temperature oxidation resistance. Results show that a H₃PO₄ or HPO₃ continuous molten layer with some regular, white cubic Al(PO₃)₃ crystallites are obtained on the surface of the modified composites. The anti-oxidation property of the composites after modification improves with the increase of the MH temperature from 393 to 473 K. The oxidation rate is almost constant after oxidation at 873 K for 6 h. The formation of annular structure of Al(PO₃)₃ is helpful to improve the oxidation resistance of the composites.     

Anti-oxidation properties of ZrB2 modified silicon-based multilayer coating for carbon/carbon composites at high temperatures

To improve the anti-oxidation ability of silicon-based coating for carbon/carbon (C/C) composites at high temperatures, a ZrB₂ modified silicon-based multilayer oxidation protective coating was prepared by pack cementation. The phase composition, microstructure and oxidation resistance at 1773, 1873 and 1953 K in air were investigated. The prepared coating exhibits dense structure and good oxidation protective ability. Due to the formation of stable ZrSiO₄–SiO₂ compound, the coating can effectively protect C/C composites from oxidation at 1773 K for more than 550 h. The anti-oxidation performance decreases with the increase of oxidation temperature. The mass loss of coated sample is 2.44% after oxidation at 1953 K for 50 h, which is attributed to the decomposition of ZrSiO₄ and the volatilization of SiO₂ protection layer.