C/C复合材料SiC/W-Mo-Si抗氧化复合涂层研究

为了防止C/C复合材料高温氧化,采用两步包埋法在其表面制备SiC/W-Mo-Si抗氧化复合涂层,研究了促渗剂B2O3和制备温度对该复合涂层在1500℃静态空气中防氧化能力的影响.结果表明,在第一步包埋粉料中含有B2O3会增加SiC过渡层缺陷含量,降低单一SiC涂层和复合涂层抗氧化性能.第二步包埋制备外涂层的适宜温度为2 250℃,所形成的复合涂层结构致密,有良好的自愈性和优异的抗氧化性能.能在1 500℃保护C/C复合材料抗氧化170 h以上.产生穿透性裂纹是涂层失效的主要原因.     

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.     

C/C复合材料SiC/ZrB_2-MoSi_2复合涂层的抗氧化机制

采用包埋法和刷涂法在C/C复合材料基体上制备SiC/ZrB2-MoSi2抗氧化涂层,并利用SEM和XRD等测试手段对抗氧化涂层的组织结构、抗氧化性能和抗氧化机制进行了研究。研究结果表明,SiC内涂层可有效解决外涂层ZrB2-MoSi2与C/C复合材料基体间热膨胀系数差异较大的难题。刷涂法制备的ZrB2-MoSi2外涂层虽然有大量的龟裂纹,但涂层试样在1500℃空气中氧化10 h,失重率仅为3.58%,涂层具有很好的自愈合能力,表现出优异的高温抗氧化性能和抗热震性能。     

不同氧化物对C／C复合材料SiC涂层性能的影响

分别以MgO、Al2>O3和B2O3为添加剂,利用包埋法在炭/炭(C/C)复合材料表面制取了单层SiC涂层,并在这三种SiC涂层表而采用相同包埋工艺得到SiC外涂层.研究了这三种氧化物对SiC涂层组织结构及抗氧化性能的影响.通过SEM、EDS和XRD分析表明,以MgO为添加剂得到的单层SiC涂层疏松且含有大量孔洞;以Al2O3为添加剂得到的涂层较为致密,但存在部分孔洞;以B2O3为添加剂时涂层均匀、致密.在1500℃空气介质中的氧化实验表明,以B2O3为添加剂的双层SiC涂层(～200μm)可有效保护C/C复合材料200h不被氧化.     

C／C复合材料MoSi2-Mo5Si3／SiC涂层的制备及组织结构

采用化学气相反应法和料浆刷涂反应法,在C/C 复合材料表面制备了MoSi2-Mo5Si3/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,对涂层的形成、组织结构进行了研究,并初步考察了涂层的高温抗氧化性能.结果表明:制备的复合涂层厚度为40μm左右,主要由β-SiC、MoSi2及少量的Mo5Si3组成. 1350°C等温氧化10h后,复合涂层试样的氧化失重率只有1.21%,明显低于C/C复合材料SiC单涂层试样,其高温抗氧化性能得到明显的提高.因此,与C/C复合材料SiC单涂层相比,经封填改性制得的复合涂层结构更致密,具有良好的高温抗氧化性能.     

改性C/C复合材料高温抗氧化研究现状

C/C复合材料超高温氧化防护问题严重限制了高超声速飞行器的快速发展。C/C复合材料高温氧化防护措施主要有两种,即涂层技术和基体改性技术。综述了SiC陶瓷改性C/C复合材料以及ZrC、ZrB_2、HfC等超高温陶瓷改性C/C复合材料的研究现状,并对C/C复合材料高温抗氧化研究方向提出了一些见解。     

C/C复合材料的SiC/Si-B4C涂层在500~1 500℃的抗氧化机制

为提高C/C复合材料的宽温域抗氧化性能,开发了一种新型SiC/Si-B₄C复合涂层,利用热重法对C/C复合材料的SiC/Si-B₄C复合涂层进行氧化试验,研究了试样从室温到1 500℃的氧化行为,在1 500℃保温2 h后,试样增重仅为2.21%。分别对SiC、Si和B₄C三种粉体进行了不同温度（500~1 500℃）的氧化试验,分析了涂层各组分的高温氧化行为,阐明了SiC、Si和B₄C的有效抗氧化温域,通过氧化动力学计算得到SiC和Si的氧化活化能分别为196.7 kJ/mol和167.3 kJ/mol。结果表明,SiC/Si-B₄C涂层中各组分的抗氧化性能形成了良好的协同作用,复合涂层具有良好的宽温域自愈合能力,在600~1 500℃范围内表现出良好的抗氧化性能。     

C/C复合材料MoSi2-Mo5Si3/SiC涂层的制备及组织结构

采用化学气相反应法和料浆刷涂反应法, 在C/C复合材料表面制备了MoSi₂-Mo₅Si₃/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, 对涂层的形成、组织结构进行了研究, 并初步考察了涂层的高温抗氧化性能. 结果表明: 制备的复合涂层厚度为400μm左右, 主要由β-SiC、MoSi₂及少量的Mo₅Si₃组成. 1350℃等温氧化10h后, 复合涂层试样的氧化失重率只有1.21%, 明显低于C/C复合材料SiC单涂层试样, 其高温抗氧化性能得到明显的提高. 因此, 与C/C复合材料SiC单涂层相比, 经封填改性制得的复合涂层结构更致密, 具有良好的高温抗氧化性能.     

C/C复合材料的抗氧化研究

C/C复合材料有多种优异性能,但是在高温含氧条件下易于氧化.为了能充分发挥其优良作用,必须进行抗氧化处理.目前国内外主要的抗氧化方法中,涂层法与纤维改性法和基体改性法相比,是目前最有效的抗氧化方法.分析比较了玻璃涂层、陶瓷涂层、金属涂层以及复合涂层4种抗氧化体系的研究现状,展望了发展抗氧化涂层的意义及前景.     

C/C复合材料基体改性研究现状

基体改性是对C/C复合材料进行氧化防护的主要措施之一.综合国内外近几年的研究报道,重点介绍了3种基体改性方法,指出基体置换法将是今后的研究重点,而SiC陶瓷是比较理想的置换炭基体的材料.综述了化学气相渗透法(CVI)、先驱体转化法(PIP)和液相渗硅法(LSI)制备C/C-SiC复合材料的优点及其不足.对C/C复合材料的抗氧化研究方向提出了一些见解.     

C/C复合材料表面水热电泳沉积SiCn/SiC复合抗氧化涂层研究

采用水热电泳沉积法在SiC-C/C复合材料表面制备纳米碳化硅（SiC_n）涂层. 采用XRD和SEM对涂层的晶相组成、表面和断面的微观结构进行了表征. 主要研究了水热沉积温度对涂层的结构及高温抗氧化性能的影响, 并分析了涂层试样在1600℃的高温氧化气氛下失效行为. 结果表明：纳米碳化硅涂层主要由β-SiC组成. 涂层的致密程度和厚度随着水热沉积温度的升高而提高. 随着水热温度的提高, 涂层试样的抗氧化性能也有明显的提高. 在120℃水热沉积温度下制备的涂层试样可在空气气氛1500℃下有效保护C/C复合材料202h,而氧化失重仅为2.16×10^-3g/cm². 在1600℃下氧化64h后失重为3.7×10^-3g/cm². 其高温失效是由于长时间的氧化挥发后表面SiO2膜不能完全封填表面缺陷, 内涂层中产生了贯穿性的孔隙所致.     

ZrB2 coating for the oxidation protection of carbon fiber reinforced silicon carbide matrix composites

In order to improve the anti-oxidation performance of carbon fiber reinforced silicon carbide matrix (C/SiC) composites, ZrB₂ coating was prepared on the surface of C/SiC composites by a two-step technique of pack cementation method. The anti-oxidation properties of coated composites were investigated. The results showed that ZrB₂ coating was obtained by the method, which was homogenous and dense. The weight loss percentage of the coated composites was only 1.52 after oxidation in air at 1500 °C for 30 min, which exhibited excellent oxidation resistance.     

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。      

渗硅工艺制备ZrB2-SiC涂层的微观结构与抗氧化性能

为了提高陶瓷基复合材料的抗氧化性能,分别采用气相、液相渗硅工艺制备了ZrB₂-SiC涂层,利用静态氧化试验测试了ZrB₂-SiC涂层的抗氧化性能,并分析了涂层的微观结构演化过程。结果表明：气相渗硅工艺制备的涂层抗氧化性能更优良,氧化试验后在涂层表面形成一层致密结构的氧化物层,有效抑制氧化性气体向涂层内部扩散,提高涂层的高温抗氧化防护能力。由于液相渗硅工艺制备的涂层存在残留硅成分和微裂纹,导致涂层高温抗氧化防护能力较差。     

ZrB2-SiC/(C/C)复合涂层材料微观结构与静态氧化特性

采用涂刷法在C/C复合材料表面制备了ZrB₂-SiC复合涂层,采用XRD和SEM分析了涂层的相组成和微观结构,并研究了ZrB₂-SiC/（C/C）复合涂层材料在1 200℃和1 500℃的静态氧化性能。结果表明:ZrB₂-SiC涂层结构致密,无明显的孔洞和裂纹;涂层有效改善了材料的抗氧化性能,经1 200℃静态氧化60 min后,ZrB₂-SiC/（C/C）复合涂层材料失重率仅为2.4%,1 500℃时失重率增大至15%,小于无涂层保护的C/C复合材料（~35%）。ZrB₂-SiC/（C/C）复合涂层材料氧化后,形成了含有ZrO₂等高熔点颗粒的玻璃态SiO₂氧化膜,能够有效抑制氧的扩散,从而提高了C/C复合材料抗氧化性能。      

Oxidation behavior of green coke-based carbon–ceramic composites incorporating micro- and nano-silicon carbide

The oxidation resistance of the carbon–ceramic composites developed using green coke-based carbon and carbon black as carbon source, boron carbide, and micro- and nano-silicon carbide was carried out in the temperature range of 800 to 1,200 °C. Silicon carbide particulate as such and silicon carbide obtained by the reaction of green coke and silicon provided micro silicon carbide while silicon and carbon black and sol–gel silica and carbon black used as silicon carbide precursors led to the formation of nano-silicon carbide. The oxidation resistance of these composites at 800 to 1,200 °C for 10 h showed that the size of the silicon carbide influenced the oxidation resistance. The weight gain due to protective coating formed on oxidation was higher in composites containing nano-silicon carbide as compared to the composites containing micro silicon carbide.     

Preparation and characterization of multilayered ZrO<Subscript>2</Subscript> coatings on silicon carbide fibers for SiC/SiC composites

We have studied the surface morphology, phase composition, and oxidation resistance of multilayered tetragonal zirconia coatings produced on silicon carbide fibers by a sol-gel process and measured the tensile strength of individual fibers as a function of the number of layers in the coating. SiC-fiber-reinforced silicon carbide minicomposites have been prepared through pyrolysis of an organosilicon polymer, and their fracture surfaces have been examined. Using microindentation, we have determined the critical fiber-matrix debonding stress. The results demonstrate that the ZrO₂ coating on the fibers has the form of uniform, weakly bonded layers. The presence of a multilayered ZrO₂ interphase alters the fracture behavior of the SiC/SiC composites. The fiber debond stress in the composites markedly decreases with an increase in the number of layers in the interphase.     

BAS系微晶玻璃抗氧化涂层的制备与性能

利用2层不同软化温度和不同热膨胀系数的BaO-Al₂O₃-SiO₂(BAS)系微晶玻璃, 采用浆料涂覆—浸渍—多层共烧的方法制备了2种双层同组分和1种双层不同组分的C_f/SiC复合材料抗氧化涂层。3种结构的BAS系微晶玻璃涂层完整、 无明显缺陷, 涂层与C_f/SiC复合材料的结合状态良好, 有助于提高C_f/SiC复合材料的抗氧化性能。双层不同组分的BAS系微晶玻璃涂层在1200~1350 ℃范围内对提高C_f/SiC复合材料抗氧化性能的作用显著, 失重速率和失重量均明显减小。与未包覆涂层的复合材料相比, 包覆双层不同组分涂层的复合材料经历600次(每次保温10 min)热冲击后的失重降低了1/2~2/3, 保留的强度提高了7~15倍。      

C/C复合材料ZrB2基超高温陶瓷涂层的研究进展

ZrB₂基超高温陶瓷因其优异的高温抗氧化和烧蚀等性能,成为C/C复合材料理想的热防护涂层材料。本文从以下几个方面对C/C复合材料表面用ZrB₂基超高温陶瓷涂层的研究现状进行了综述:介绍了ZrB₂基超高温陶瓷涂层体系的主要制备技术,并对比了其制备的涂层抗氧化性和抗烧蚀性,总结了各制备方法的优点与不足;从单元、双元、三元材料掺杂改性的角度,详述了ZrB₂基复合涂层常见的材料体系,总结了其改性思路;介绍了ZrB₂基涂层在多层结构设计与开发方面的研究现状。最后简要展望了ZrB₂基超高温陶瓷涂层未来的研究方向。     

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。