炭/炭復合材料高溫防氧化陶瓷涂層的研究新進展

褚衍輝,付前剛,李賀軍,李克智

(西北工業(yè)大學炭/炭復合材料工程技術(shù)研究中心,西安710072)

炭/炭復合材料高溫防氧化陶瓷涂層的研究新進展

褚衍輝,付前剛,李賀軍,李克智

(西北工業(yè)大學炭/炭復合材料工程技術(shù)研究中心,西安710072)

陶瓷涂層技術(shù)是解決炭/炭(C/C)復合材料高溫易氧化難題的有效手段。本文闡述了C/C復合材料的氧化過程與抗氧化途徑,綜述了近年來國內(nèi)外C/C復合材料高溫防氧化單相、多相鑲嵌,梯度復合,晶須增韌以及多層復合等陶瓷涂層體系的最新研究進展,并就陶瓷涂層目前存在的問題以及下一步研究的重點提出了一些見解。

炭/炭復合材料;防氧化;陶瓷;涂層

炭/炭(C/C)復合材料是以炭纖維為增強相的炭基復合材料。該材料密度小(理論密度為2.2g· cm-3),僅為鎳基高溫合金的1/4,陶瓷材料的1/2,具備炭材料所有的熱性能。它具有無可比擬的超高溫力學性能、高比強度、優(yōu)異的抗燒蝕性能、高溫下強度保持率高等特點,在航空、航天及軍事領域具有廣泛的應用前景[1]。然而,該材料在高于400℃的氧化氣氛下將會發(fā)生氧化,氧化失重會導致其力學性能急劇下降[2]。如不加以保護,C/C復合材料就難以在高溫下滿足使用要求?？寡趸夹g(shù)是國際上公認的C/C復合材料應用中最難突破的瓶頸,解決該材料的高溫易氧化難題也成為熱結(jié)構(gòu)C/C復合材料的關鍵之一。

1 C/C復合材料的氧化過程及抗氧化途徑

C/C復合材料的氧化主要有以下幾個步驟[3]:(1)反應氣體向炭材料表面?zhèn)鬟f;(2)反應氣體吸附在炭材料表面;(3)在表面進行氧化反應;(4)氧化反應生成氣體的脫附;(5)生成氣體向相反方向的傳遞。針對C/C復合材料的上述氧化過程,目前所采取的提高C/C復合材料抗氧化性能的方式主要有兩種[4]:一是以材料本身對氧化反應進行反催化為前提的內(nèi)部基體改性技術(shù),即在C/C復合材料制備過程中就對炭纖維和基體炭進行改性處理,使它們本身具有較強的抗氧化能力;二是以防止含氧氣體接觸擴散為前提的外部抗氧化涂層技術(shù),即在C/C復合材料表面制備耐高溫氧化的涂層,利用高溫涂層隔離氧和C/C基體來達到防氧化的目的?；w改性技術(shù)一般用于1000℃以下或2500～3100℃短時間防氧化,高溫長壽命防氧化必須依賴涂層技術(shù)。

圍繞C/C復合材料防氧化涂層技術(shù),國內(nèi)外研究人員做了大量理論和實驗研究,采用了多種措施,包括玻璃質(zhì)涂層、金屬涂層、陶瓷涂層等。玻璃涂層是利用玻璃在高溫下的流動性和潤濕性來保護C/C基體材料,一般僅應用于靜態(tài)環(huán)境中;貴金屬涂層,特別是金屬Ir,具有高熔點、低氧滲透率等特點,高溫防氧化能力較好,但這類涂層與C/C復合材料基體結(jié)合力差的問題尚未得到解決,因此在高溫高速氣流沖刷條件下難以勝任防護要求;陶瓷涂層是目前最有希望,也是研究的最為廣泛深入的抗氧化涂層體系。

作者就近年來國內(nèi)外在C/C復合材料防氧化陶瓷涂層領域的研究情況進行綜述,同時對該方面下一步的研究重點進行了展望。

2 C/C復合材料陶瓷涂層的研究現(xiàn)狀

很多陶瓷材料具有高熔點、高溫化學性能穩(wěn)定、抗氧化性能優(yōu)良等特點,被廣泛地應用于C/C復合材料抗氧化涂層。最初開發(fā)的陶瓷涂層是單相碳化物涂層,如SiC,B4C,HfC等。制約陶瓷涂層實際應用的難點是其脆性,為解決單相陶瓷涂層易開裂問題,國內(nèi)外研究學者相繼開發(fā)了多相鑲嵌陶瓷、晶須增韌陶瓷、梯度復合陶瓷、多層復合陶瓷等涂層體系。

2.1 單相陶瓷涂層

硅基陶瓷材料是目前研究最深入、發(fā)展最成熟的陶瓷抗氧化涂層體系[5]。它的抗氧化機理是通過在材料表面合成硅基陶瓷化合物涂層,其中所含的硅化物先與氧反應生成SiO2,一方面填充涂層中的裂紋等缺陷,另一方面作為密封物質(zhì)來阻擋氧氣的滲入。由于SiO2的氧擴散系數(shù)很低(在1200℃時為10-13g· cm-1·s-1,220℃時為10-11g·cm-1·s-1),因此能有效對C/C復合材料提供氧化保護。目前應用最成熟的單相抗氧化陶瓷涂層是SiC和Si3N4,部分硅化物,如WSi2,MoSi2和TaSi2,在高溫下也可與氧反應生成SiO2,但由于硅化物陶瓷熱膨脹系數(shù)與C/C復合材料存在較大差異,而易導致涂層在高低溫交變過程中開裂,這些裂紋為氧擴散至C/C復合材料基體提供了通道,不利于涂層的防氧化,因而硅化物陶瓷不適合單獨作為涂層使用。

通常采用CVD法和包埋法制備SiC和Si3N4涂層。但由于CVD法工藝復雜且成本高,近年來發(fā)展了一些低成本的替代工藝。Chen M.M.等人[6]采用反應燒結(jié)工藝,將適量硅粉和環(huán)氧樹脂混合并涂覆在C/C復合材料上得到預涂層,利用預涂層中硅粉與1800℃燒結(jié)溫度下環(huán)氧樹脂熱解所得到碳的反應制備SiC涂層。包埋法雖然制備過程簡單,但是涂層的均勻性難以控制,且因涂層的制備溫度較高,冷卻過程中涂層易開裂。

C/C復合材料的熱膨脹系數(shù)僅為1.0×10-6℃-1,而一般的陶瓷材料熱膨脹系數(shù)明顯高于C/C,例如, MoSi2和SiC的熱膨脹系數(shù)分別為8.0×10-6℃-1和 4.3×10-6℃-1,當涂層由高溫冷卻到室溫時,涂層內(nèi)部會產(chǎn)生拉應力,使涂層出現(xiàn)裂紋。對于單相涂層而言,這些裂紋往往貫穿整個涂層,因此,單相陶瓷涂層技術(shù)難以為C/C復合材料提供長期抗氧化,需要采取改進措施。

2.2 多相鑲嵌陶瓷涂層

多相鑲嵌陶瓷的原理是將熱膨脹系數(shù)較高的陶瓷顆粒彌散分布于熱膨脹系數(shù)較低的陶瓷基體中,以期構(gòu)造多相鑲嵌結(jié)構(gòu),旨在形成大量相界面,可對涂層中的應力起到有效的松弛作用,緩解陶瓷與C/C復合材料熱膨脹系數(shù)不匹配問題。多相鑲嵌結(jié)構(gòu)的增韌機理主要有微裂紋化、相轉(zhuǎn)變、裂紋偏轉(zhuǎn)等。裂紋偏轉(zhuǎn)機理源于在基體/分散相界面上圍繞分散相粒子形成應力場,該應力場是由于模量或熱脹系數(shù)不匹配而引起的,也會造成局部的張應力與壓縮應力。裂紋擴展時,必然選擇局部的張應力區(qū)域而不會進入局部的壓縮應力區(qū)域,故會偏轉(zhuǎn)裂紋的擴展方向,達到增韌目的[7]?；诖怂悸?研究者們在陶瓷涂層中引入彌散第二相,在涂層中形成的相界面可起到阻止裂紋擴展的作用,避免貫穿性裂紋的形成;同時,多相陶瓷中的彌散相在高溫熔化的狀態(tài)下具有較強的浸滲能力,能有效填充涂層中的孔隙,進而提高涂層的致密性。

硅化物,如MoSi2,WSi2,CrSi2等,具有良好的高溫穩(wěn)定性,但與C/C復合材料熱膨脹系數(shù)相差太大,如單獨將其作為C/C防護涂層,由于熱膨脹系數(shù)差異較大而引起的殘余應力會導致涂層的開裂和剝落,使涂層失去抗氧化作用。西北工業(yè)大學C/C復合材料研究中心以Si,C,硅化物等粉料為原料,采用包埋法在C/C復合材料表面制備出SiC2MoSi22Si,SiC2Mo2 Si22Si/MoSi2,SiC2MoSi2/WSi2,SiC2CrSi2等多相鑲嵌涂層,由此形成的相界面對涂層中的應力起到有效的松弛作用,成功地解決了硅化物與C/C復合材料熱膨脹系數(shù)不匹配的問題。李賀軍等[8]采用兩次包埋技術(shù)制備了MoSi22SiC2Si多相涂層,MoSi2和Si不僅存在于涂層表面,而且深入浸滲至涂層內(nèi)部,形成了多相鑲嵌的結(jié)構(gòu)。大量的相界面對涂層中的應力起到了有效的松弛作用,即使當涂層出現(xiàn)裂紋時,相界面使裂紋尖端應力緩和,阻止裂紋進一步擴展,從而在一定程度上可避免形成導致涂層失效的穿透性裂紋,很好地解決了MoSi2與C/C復合材料熱膨脹不匹配的問題;同時,熔融Si具有較強的浸滲能力,能填充包埋法制備的涂層中的孔隙,有效提高涂層的致密性,而且可以增加相界面的數(shù)量,提高涂層的抗氧化能力。氧化實驗表明,該涂層體系具有優(yōu)良的高溫抗氧化性能,可在空氣環(huán)境下1500℃抗氧化200h以上,涂層失重率僅為1104%。為了把SiC2MoSi22Si涂層抗氧化溫度提高到1700℃,作者所在課題組[9]采用包埋技術(shù)制備出SiC2MoSi22Si/M oSi2涂層,該涂層具有優(yōu)良的高溫抗氧化性能。研究表明,該涂層可在空氣環(huán)境下1700℃抗氧化107h以上,目前國內(nèi)外關于如此高溫長壽命抗氧化能力涂層的報道較少。此外,SiC2MoSi2/WSi2涂層可使C/C復合材料在空氣環(huán)境下1500℃氧化252h后失重率僅為1.56%[10],SiC2CrSi2涂層在1500℃下的防氧化壽命比單層SiC延長近10倍[11]。

山西煤化所趙娟等[12]采用料漿法在帶有SiC涂層的炭基體表面制備出Si2MoSi2鑲嵌涂層,帶有該涂層的試件在1400℃靜態(tài)空氣中氧化100h后失重率為0.36%。中南大學冉麗萍等[13]采用包埋法與封閉處理制備的MoSi22SiC鑲嵌涂層可在1500℃靜態(tài)空氣中對C/C復合材料有效保護52h。黃劍鋒等[14]采用兩次包埋法在C/C復合材料表面制備了SiC2A l2O32莫來石多相鑲嵌涂層,該涂層在1500℃空氣條件下可對C/C復合材料有效保護130h,在1600℃空氣條件下對C/C復合材料有效保護80h。

2.3 梯度陶瓷涂層

陶瓷涂層中的裂紋除了可以采用玻璃密封層來填補外,還可以通過制作梯度涂層從根本上消除裂紋。由于梯度涂層使得涂層與基體兩相濃度呈連續(xù)分布,多相涂層之間組成呈連續(xù)分布,實現(xiàn)熱膨脹系數(shù)梯度分布,消除了界面應力,緩解了陶瓷涂層的開裂趨勢,從而達到提高抗氧化目的[15]。Y.C.Zhu等[16]制備了以功能梯度(Si3N4+SiC)/C層為內(nèi)涂層和以CVD2 Si為外涂層的雙層涂層體系,在1550℃氧化20h后,試件失重率遠低于1%。日本的T.Morimoto等[17]提出了SiC2C梯度內(nèi)層,稀土元素耐火氧化物外層的雙層設計思想,以Y2O3為原料合成了樣品并進行了初步的研究,其抗氧化溫度可達1650℃,研究指出,內(nèi)外層的化學與力學性能匹配性問題,依然是此類抗氧化涂層的關鍵。

SiC陶瓷熱膨脹系數(shù)是C/C復合材料的4～5倍,采用傳統(tǒng)包埋法制備的SiC涂層因熱應力較大而易開裂。此外,C/C復合材料屬于多相結(jié)構(gòu),其表面的炭纖維難以硅化,導致SiC涂層厚度不均勻,該問題一直影響SiC涂層的防氧化效果。針對上述問題,西北工業(yè)大學C/C復合材料研究中心提出了在SiC涂層與C/C復合材料間引入預炭層的新方法,即首先以酚醛樹脂、石墨粉等為原料,采用涂刷2高溫處理在C/C復合材料表面制備出預炭層,使C/C復合材料表層結(jié)構(gòu)一致,確保后期涂層的均勻性;再通過高溫下熔融硅的浸滲反應,將預炭層轉(zhuǎn)化為C2SiC梯度復合涂層,從而有效緩解了SiC與C/C的熱膨脹失配,預炭層的引入將SiC涂層在1500℃下的防氧化壽命提高了近三倍[18]。

等離子噴涂技術(shù)制備的涂層由于存在孔隙率高、與基體結(jié)合力弱等缺陷,一直被認為難以制備出長壽命防氧化涂層。黃劍鋒等[19,20]采用等離子噴涂法在SiC內(nèi)涂層的表面制備了梯度組分的硅酸釔復合涂層,涂層的成分可以通過調(diào)整噴涂粉體原料中SiO2和Y2O3的配比來控制,這種梯度過渡涂層的形成有效緩解了硅酸釔外涂層與SiC內(nèi)涂層間的熱膨脹失配,提高了涂層的界面結(jié)合力。針對等離子噴涂法制備的涂層孔隙較多的缺陷,采用料漿法在硅酸釔涂層表面施加硼硅酸鹽玻璃密封涂層,有效封填了硅酸釔涂層中的孔隙,大大提高了涂層的高溫抗氧化性能,帶有梯度過渡的SiC/Y4Si3O12/Y2Si2O7/Y2SiO5/玻璃復合涂層的C/C復合材料試件在1500℃下氧化164h后失重僅為1.64%;在1600℃下氧化116h后失重小于2%。等離子噴涂制備梯度硅酸釔復合涂層新工藝,解決了傳統(tǒng)等離子噴涂制備涂層結(jié)合力差、孔隙多等關鍵問題,使該方法制備C/C復合材料長壽命防氧化涂層成為可能。

ZrO2具有高溫穩(wěn)定、耐沖刷和耐腐蝕等特點,但高溫下氧氣滲透率較高,不宜單獨作為抗氧化涂層使用。為解決該問題,研究人員利用溶膠2凝膠法容易實現(xiàn)成分梯度變化的特點,以ZrOCl2·8H2O和正硅酸乙酯為前驅(qū)體,在C/C復合材料多孔SiC內(nèi)涂層的表面采用該方法制備了九層梯度成分過度的ZrO22SiO2復合涂層[21,22],在1500℃下該梯度復合涂層的有效防氧化時間比單層SiC涂層增加了近十倍。研究發(fā)現(xiàn),涂層經(jīng)過預分解處理,可有效解決溶膠2凝膠法制備的涂層開裂問題,延長涂層的抗氧化壽命。通過對ZrO22SiO2梯度復合涂層C/C在不同溫度下的氧化失重進行分析,表明該涂層體系的高溫氧化是一個受氧在涂層晶界、缺陷等處的擴散控制過程。溶膠2凝膠法制備的涂層中凝膠體在高溫下分解收縮而成的微裂紋等缺陷,是該涂層體系失效的主要原因。

2.4 晶須增韌陶瓷涂層

陶瓷晶須為具有一定長徑比(直徑0.3～1μm,長30～100μm)且缺陷很少的陶瓷小單晶,因而具有很高的強度,是一種非常理想的陶瓷基復合材料的增韌增強體。近年來晶須代替短纖維增韌的陶瓷基復合材料發(fā)展很快,并取得了很好的韌化效果[23-25]。晶須增韌陶瓷基復合材料的強韌化機理大體同纖維增韌陶瓷基復合材料相同,即主要靠晶須的拔出橋連與裂紋轉(zhuǎn)向機制對陶瓷強度和韌性的提高做出貢獻。

針對C/C復合材料陶瓷涂層易開裂和剝落的問題,并受晶須增韌陶瓷的啟發(fā),本課題組提出了將晶須增韌的方法應用于C/C復合材料高溫防氧化涂層的新思路,采用料漿與包埋兩步法成功制備出SiC晶須增韌Si2SiC涂層,SiC晶須增韌MoSi22SiC2Si多相涂層和SiC晶須增韌SiC2CrSi2涂層。該類涂層的制備過程如下:首先,以Si,C,SiC晶須等為原料,以蒸餾水為分散劑,添加適量黏結(jié)劑,采用料漿法在C/C復合材料表面制備多孔的晶須層;再以Si,硅化物等為原料,以氧化物為促滲劑,采用包埋法將SiC和硅化物填充于晶須層中的孔隙,從而形成致密的涂層。研究結(jié)果表明,在SiC涂層中加入10%(質(zhì)量分數(shù))SiC晶須后,SiC晶須在該涂層中取向雜亂、分散均勻,這種結(jié)構(gòu)有利于晶須增韌效果,使該涂層的抗氧化性能大大提高,1500℃靜態(tài)空氣中可對C/C復合材料有效保護310h以上[26],在1600℃靜態(tài)空氣中可對C/C復合材料有效保護128h,涂層試件經(jīng)歷1600℃靜態(tài)空氣3m in∴100℃沸水熱循環(huán)50次后試件失重2.76%[27]。通過在MoSi22SiC2Si多相涂層中加入10%SiC晶須后,由于一方面引入MoSi2可以降低SiC涂層的氧化速率,提高SiC涂層的高溫穩(wěn)定性,延長其高溫防氧化時間,另一方面借助SiC晶須增韌的作用以及MoSi2和Si的摻雜,形成了致密的多相鑲嵌涂層,該涂層中存在大量的相界面,可有效阻止裂紋的擴展,提高涂層的韌性,避免穿透性裂紋的生成,進而使該涂層試件在1500℃空氣中氧化200h后的失重率從2.31%降低至0.33%[28]。在SiC2CrSi2涂層中加入SiC晶須后,使得該涂層在1200～1500℃空氣中的防護能力大幅度提高[29]。

2.5 多層復合陶瓷涂層

多層復合陶瓷抗氧化涂層設計的概念是把功能不同的抗氧化涂層結(jié)合起來,讓他們發(fā)揮各自的作用,從而達到更滿意的抗氧化效果。G.Savage[30]提出了4層抗氧化涂層思想,其結(jié)構(gòu)由內(nèi)而外依次為:(1)過渡層,用以解決C/C復合材料基體與涂層之間熱膨脹系數(shù)不匹配的矛盾;(2)阻擋層,為氧氣的擴散提供屏障,防止材料氧化;(3)密封層,提供高溫玻璃態(tài)流動體系,愈合阻擋層在高溫下產(chǎn)生的裂紋;(4)耐燒蝕層,阻止內(nèi)層在高速氣流中的沖刷損失、在高溫下的蒸發(fā)損失以及在苛刻氣氛里的腐蝕損失。這4層結(jié)構(gòu)的設計構(gòu)思被認為是適合1800℃以上抗氧化防護的涂層技術(shù)。郭海明和Wang等借鑒此思想分別制備了結(jié)構(gòu)為TiC/SiC/ZrO22MoSi2涂層[31]和LaB2Si/聚碳硅烷/ SiO2復合陶瓷涂層[32],但是其抗氧化效果均不是太理想,沒有達到預期效果,其抗氧化溫度停留在1300℃左右。Fedrico Smeacetto等[33]在C/C復合材料SiC涂層表面制備了3層抗氧化涂層,其內(nèi)層為β2SiC,中間層為MoSi2+硼硅鹽玻璃,外層為Y2O3+硼硅鹽玻璃,其中間層與外涂層均采用料漿法制備,帶有該涂層體系的C/C試件在1300℃靜態(tài)空氣中氧化150h后失重率低于1%。李賀軍等[34]采用兩步包埋技術(shù)在C/C復合材料表面制備出具有3層結(jié)構(gòu)的SiC/MoSi22Ti2 Si22SiC/MoSi22TiSi22SiC復合涂層,使涂層可在1500℃靜態(tài)空氣中防氧化79h。侯黨社等[35]采用包埋技術(shù)在C/C復合材料表面制備SiC2TaSi2/MoSi2抗氧化復合涂層,結(jié)果表明,該涂層具有優(yōu)異的抗氧化和抗熱震性能,在1500℃氧化326h和經(jīng)過23次1500℃至室溫間的急冷急熱后,帶有該涂層的C/C試樣失重僅為0.97%。黃劍鋒等[36]提出了一種在氧化性氣氛下制備硅酸鹽涂層的新方法——原位反應法,以Si和Y2O3為原始粉料,采用該方法在C/C復合材料SiC內(nèi)涂層表面制備出硅酸釔中間層,采用料漿法制備硼硅酸鹽玻璃外涂層,該3層復合涂層可在1600℃下對C/C復合材料有效保護200h以上。

C/C復合材料作為高溫熱結(jié)構(gòu)材料具有十分優(yōu)異的力學性能,氧化或涂層處理后其力學性能都將發(fā)生改變,而且涂層C/C作為高溫熱結(jié)構(gòu)部件使用時,往往需要在極短時間內(nèi)經(jīng)受高溫到低溫的急冷急熱,這種熱震對C/C復合材料力學性能的影響也很關鍵。張雨雷[37]等采用包埋法和涂刷法在C/C復合材料表面制備了一種新型的C/SiC/Si2Mo2Cr復合高溫抗氧化涂層,結(jié)果表明,制備的多相涂層結(jié)構(gòu)致密,涂層后C/C復合材料抗彎強度有所增大,斷裂特征由假塑性向脆性轉(zhuǎn)變,涂層試樣經(jīng)1500℃至室溫20次熱震后,氧化失重率為3.05%,試樣抗彎強度降低,塑性增強。

3 展望

目前,C/C復合材料作為熱結(jié)構(gòu)材料之一,高溫抗氧化一直是其研究領域的熱點和難點。近年來開發(fā)的多種陶瓷涂層使得C/C復合材料高溫抗氧化性能大幅度提高。然而,C/C復合材料高溫抗氧化陶瓷涂層研究仍有許多問題期待解決。

3.1 提高陶瓷涂層的抗熱震性能

陶瓷涂層的脆性是其在實際應用過程中最難突破的瓶頸。目前所開發(fā)的陶瓷涂層體系防氧化失效的主要原因是因陶瓷涂層與C/C基體的熱膨脹系數(shù)不匹配,使涂層中存在較大的熱應力,導致涂層在高低溫交變過程中易開裂。盡管采用多相鑲嵌、梯度復合、晶須增韌、多層復合等涂層技術(shù)在一定程度上緩解了陶瓷涂層的開裂趨勢,但仍需要在新型涂層技術(shù)的開發(fā)、涂層工藝改進、涂層結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面做大量工作,進一步提高陶瓷涂層的抗熱震性能。

3.2 提高陶瓷涂層的抗高頻震動與抗高溫沖刷性能

C/C復合材料的許多應用環(huán)境并非簡單的靜態(tài)空氣條件,而是要承受高溫燃氣的沖刷,使用環(huán)境較為惡劣,這就要求其涂層不僅具有良好的防氧化性能,而且要經(jīng)受高速粒子的沖擊,即具有良好的抗沖刷性能。此外,在動態(tài)氧化環(huán)境下,試樣還需承受巨大的高頻震動、熱沖擊和溫度梯度,這些因素均對C/C復合材料高溫防氧化陶瓷涂層提出了更為苛刻的要求。因此,需要采取一定的措施保障陶瓷涂層在實際苛刻服役環(huán)境下的防氧化效果。例如,通過在靜態(tài)空氣環(huán)境下具有優(yōu)良防氧化性能的陶瓷涂層中引入自愈合組元、抗沖刷組元和構(gòu)造梯度結(jié)構(gòu),以及進一步提高陶瓷涂層與基體的界面結(jié)合強度。

3.3 低溫至高溫全溫域范圍內(nèi)的防氧化技術(shù)

目前工作中所研制的高溫陶瓷涂層防氧化溫度范圍較窄,即大多數(shù)高溫陶瓷涂層在1500～1600℃恒溫下具有良好的防氧化性能,但在較低的溫度下的防氧化性能反而下降,其主要原因是在較低溫度下陶瓷涂層中存在開放性裂紋。通過在高溫陶瓷涂層中引入硼化物,或者構(gòu)造功能梯度涂層結(jié)構(gòu),以及使用基體改性技術(shù)和涂層技術(shù)相結(jié)合的方法,有望制備出在全溫域范圍內(nèi)具有優(yōu)良防氧化性能的陶瓷涂層。

3.4 針對復雜構(gòu)件的涂層技術(shù)

目前所報道的一些抗氧化研究結(jié)果大多數(shù)屬于針對簡單小塊試樣的陶瓷涂層,將陶瓷涂層應用于大型復雜零件表面,尚需研究其制備工藝穩(wěn)定性、涂層均勻性和完整性問題。此外,多數(shù)情況下,C/C復合材料零件需要和其他零件配合使用,這就要求其涂層不僅具有防氧化性能,而且要有一定的耐摩擦磨損性能或者一定的結(jié)合強度。

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Advancement of High2temperature Oxidation Resistant Ceramic Coatings fo r Carbon/Carbon Composites

CHU Yan2hui,FU Qian2gang,L IHe2jun,L I Ke2zhi (C/C Composite Research Center,No rthw estern Polytechnical University,Xi’an 710072,China)

Ceramic coating was a logical method for p rotection of carbon/carbon(C/C)composite against high temperatures.The oxidation p rocess and anti2oxidation techniques w ere introduced.The new advancement of oxidation resistant ceramic coatings,including single2phase,multi2phasemosaic, gradient,w hisker toughening and m ulti2layer composite coatings,w ere review ed.In addition,the p rotection and failure mechanism s of some coatings at high temperature w ere discussed.The p resent p roblem s and the main research direction of ceram ic coatings fo r C/C composites w ere also p roposed.

carbon/carbon composite;oxidation;ceramic;coating

TB332

A

100124381(2010)0820086206

國家自然科學基金資助項目(50802075)

2009203222;

2010206209

褚衍輝(1987—),男,碩士,主要研究方向:抗氧化涂層技術(shù),

付前剛(1979—),男,博士,副教授,主要研究方向:抗氧化涂層技術(shù),聯(lián)系地址:陜西省西安市友誼西路127號西北工業(yè)大學541信箱(710072),E2mail:fuqiangang@nwpu.edu.cn

E2mail:chu2yan2hui@163.com