碳化硅陶瓷基復(fù)合材料表面環(huán)境障涂層結(jié)合強(qiáng)度

蘇超群，鄧龍輝，劉若愚，蔣佳寧，云海濤，李 歸，苗小鋒，陳文博*，易出山，劉 俐，董淑娟，曹學(xué)強(qiáng)*

（1 中國(guó)航發(fā)南方工業(yè)有限公司，湖南 株洲 412002；2 武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070）

SiC 陶瓷基復(fù)合材料（SiC-based ceramic matrix composites，SiC-CMC）在航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域有重大應(yīng)用前景。航空發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比與渦輪前燃?xì)鉁囟扔兄苯雨P(guān)系。美國(guó)F119 發(fā)動(dòng)機(jī)推重比為10，燃?xì)鉁囟葹?700 ℃，葉片為單晶鎳基高溫合金且需熱障涂層保護(hù)，裝備于F-22 和F-35 戰(zhàn)機(jī)。對(duì)于推重比12~15 的發(fā)動(dòng)機(jī)，采用層板冷卻技術(shù)，可獲得500~600 ℃的溫降效果，但還有100~200 ℃溫度缺口，可采用SiC-CMC 來(lái)解決［1-5］。SiC-CMC 密度小、耐高溫，如果熱端部件采用SiC-CMC，發(fā)動(dòng)機(jī)整體質(zhì)量可降低30%以上，燃?xì)鉁囟忍嵘?800 ℃，同時(shí)大幅降低冷卻氣用量，是替代高溫合金的理想材料［6-10］。

SiC-CMC 在高溫干燥環(huán)境中，具有高強(qiáng)度、良好穩(wěn)定性；但在航空發(fā)動(dòng)機(jī)服役環(huán)境下，穩(wěn)定性急劇惡化，導(dǎo)致裸基體無(wú)法直接使用。突破這一瓶頸的有效途徑是在SiC-CMC 表面制備抗水氧腐蝕、抗燃?xì)鉀_刷和抗熱沖擊性能優(yōu)異的環(huán)境障涂層（environmental barrier coatings，EBCs），SiC-CMC/EBCs 作為一個(gè)整體才能實(shí)現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用［11-16］。

EBCs 與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度，對(duì)于EBCs 壽命起關(guān)鍵作用，但相關(guān)研究報(bào)道較少，數(shù)據(jù)區(qū)別較大。Zhai等［17］測(cè)試了化學(xué)氣相滲透（chemical vapor infiltration,CVI）工藝制備的復(fù)合材料基體（CVI-CMC）的結(jié)合強(qiáng)度為5.8 MPa，基體斷裂發(fā)生在SiC 纖維布之間的界面。采用飛秒激光燒蝕的方法在基體表面加工1.5 mm×0.1 mm×0.5 mm 的凹槽，結(jié)合強(qiáng)度提高5.5%、達(dá)到6.2 MPa，斷裂發(fā)生在EBCs/基體界面。Caren 等［18］研究表明，EBCs 與Al2O3/Al2O3復(fù)合材料的結(jié)合強(qiáng)度僅2 MPa，斷裂發(fā)生在EBCs/基體界面；采用飛秒激光燒蝕方法在基體表面加工出凹槽，EBCs 結(jié)合強(qiáng)度提高到12 MPa，斷裂發(fā)生在基體表層。張樂等［19］報(bào)道，采用真空等離子噴涂技術(shù)在SiC-CMC 基體表面噴涂Si層以及Si/Yb2Si2O7層，Si 層與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度為30.48 MPa，Si/Yb2Si2O7雙層與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度為26.23 MPa。羅志新等［20］，以SiC 燒結(jié)體為基體，基體表面粗糙度Ra≈3 μm，用大氣等離子噴涂（atmospheric plasma spraying，APS）技術(shù)噴涂Si 層，Si 層與基體的結(jié)合強(qiáng)度為12.5~16 MPa，斷裂主要發(fā)生在Si/基體界面，Si 層部分?jǐn)嗔选?/p>

EBCs 與SiC-CMC 基體的結(jié)合強(qiáng)度，不同文獻(xiàn)報(bào)道的數(shù)據(jù)相差很大。為了研究結(jié)合強(qiáng)度的極限值，本工作收集前驅(qū)體浸漬裂解（precursors impregnation pyrolysis，PIP）制備的PIP-CMC［21］，CVI-CMC［22］和反應(yīng)熔滲法（melt infiltration，MI）制備的MI-CMC［23］基體、SiC 燒結(jié)體以及不同生長(zhǎng)方向的單晶Si，在基體表面采用APS 技術(shù)制備EBCs，研究結(jié)合強(qiáng)度的影響因素。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 原材料

本工作所用材料包括SiC-CMC 基體（CVI，PIP，MI 三種工藝制備）、SiC 燒結(jié)體（中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所）、軸向分別是［400］和［111］晶向的單晶Si 圓片各1 件（直徑?200 mm，純度99.9999%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同），大連理工大學(xué)）。EBCs 涂層材料：Si 粉由多晶硅破碎、篩分（粒度0.30~0.85 mm，純度99.9%）所制得；其他材料如Yb2Si2O7和LaMgAl11O19（LMA）都是由對(duì)應(yīng)的組成氧化物在1400 ℃以上高溫固相合成，然后噴霧造粒，粒度0.12~0.85 mm。

1.2 EBCs 制備

為了降低機(jī)械加工對(duì)基體的損傷，用金剛石線切割機(jī)或金剛石慢速切割機(jī)將基體切割成長(zhǎng)和寬10~15 mm、厚3~5 mm 的方形試片，這些小試片將用于制備EBCs 并測(cè)試結(jié)合強(qiáng)度。

在制備EBCs 之前，SiC-CMC 基體表面用平面磨床拋光，上下兩面平行度≤20 μm。基體經(jīng)過噴砂后，表面粗糙度Ra達(dá)到3~5 μm，不能產(chǎn)生肉眼可見的凹坑。將噴砂后的基體進(jìn)行超聲波清洗、酒精浸泡、110 ℃烘干。

EBCs 制備采用APS 方法：自動(dòng)熱噴涂系統(tǒng)，F(xiàn)4噴槍，氬氣流量為35 L/min，H2氣流量為12 L/min，噴槍功率為42 kW（電流600 A，電壓70 V），噴涂距離為100 mm，噴槍移動(dòng)速度為800 mm/s。

1.3 測(cè)試表征

樣品的晶體結(jié)構(gòu)采用X 射線衍射儀表征（XRD，CuKα，λ=0.15405 nm），掃描速度8（°）/min。樣品的微觀結(jié)構(gòu)采用掃描電鏡（SEM，EV010）觀察。采用維氏硬度計(jì)（HV1202）測(cè)試單晶硅不同晶面的硬度，載荷200 g，取最少五次測(cè)量結(jié)果的平均值作為最終結(jié)果。

EBCs 與SiC-CMC 基體的結(jié)合強(qiáng)度都比較低。為了降低結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試過程中對(duì)拉棒本身質(zhì)量對(duì)結(jié)合強(qiáng)度的影響，對(duì)拉棒材質(zhì)為高強(qiáng)鋁合金（拉伸強(qiáng)度400 MPa 以上），對(duì)拉棒切削成啞鈴形，每件對(duì)拉棒的質(zhì)量≤50 g，測(cè)試原理見圖1。測(cè)試設(shè)備為CMT5105型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。對(duì)拉棒與樣品之間的黏結(jié)采用E7 膠。為了降低E7 膠向多孔材料內(nèi)部滲透，在膠的固化過程中，EBCs 面朝下、基體朝上倒立固定在樣品架上。

2 結(jié)果與分析

2.1 涂層結(jié)構(gòu)以及基體對(duì)結(jié)合強(qiáng)度的影響

目前，國(guó)際上研究和使用最多的EBCs，從SiCCMC 基體表面至涂層表層，大致可以分為如下三種：（1）SiC-CMC/Si/莫來(lái)石，SiC-CMC/Si/BSAS；（2）SiC-CMC/Si/莫來(lái)石/BSAS；（3）SiC-CMC/Si/Yb2O3?nSiO2。這三種結(jié)構(gòu)中，Si 是通用的黏結(jié)層，差別是表層材料不同（即莫來(lái)石、BSAS 或Yb2O3?nSiO2）。圖2是EBCs 的截面結(jié)構(gòu)。在結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試過程中，樣品的斷裂發(fā)生在強(qiáng)度最薄弱的部位，可能出現(xiàn)的斷裂部位包括：SiC-CMC 內(nèi)部、Si 層內(nèi)部、SiC-CMC/Si 層界面、其他涂層內(nèi)部或兩者之間的界面。研究發(fā)現(xiàn)，其他涂層內(nèi)部或兩者之間界面的結(jié)合強(qiáng)度都遠(yuǎn)超前三者，在結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試過程中不會(huì)發(fā)生斷裂。因此，本工作僅討論前三者。

圖2 SiC-CMC 表面EBCs 的截面結(jié)構(gòu)（紅色箭頭表示拉伸載荷F 的方向）Fig.2 Section structure of EBCs on SiC-CMC surface（red arrow with F showing the load direction）

CMC 的骨架結(jié)構(gòu)是纖維編織體，體積分?jǐn)?shù)為30%~40%。MI-CMC 的纖維一般不編織而是分散鋪層。圖3 是纖維編織的三種典型模式。航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件基本都是薄壁件，厚度一般為2~5 mm。因此，航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件上最常用編織模式是纖維布的簡(jiǎn)單疊層（即2D+縫合，如圖3（a）所示），在z軸方向用纖維束將纖維布縫合在一起，加強(qiáng)z方向的結(jié)合強(qiáng)度。纖維的長(zhǎng)度方向即x和y方向，CMC 的強(qiáng)度都很高，常溫下的拉伸強(qiáng)度達(dá)到200 MPa 以上。CMC 強(qiáng)度最弱的方向是纖維布疊層方向即圖3（a）中的z方向，也是CMC 的厚度方向。z方向的纖維少、強(qiáng)度低。如果z方向的縫合纖維在機(jī)械加工過程中被磨斷，CMC 就容易分層。三維四向、三維五向、2.5D 和3D的纖維編織方式，能提高CMC 在每個(gè)方向的拉伸強(qiáng)度。但是，無(wú)論什么編織方式，表面纖維被磨損后都會(huì)導(dǎo)致CMC 表層結(jié)合強(qiáng)度顯著下降。本工作收集了PIP-CMC，CVI-CMC 和MI-CMC 基體，測(cè)試了這三種基體本身在厚度方向的拉伸強(qiáng)度（或稱纖維布層間結(jié)合強(qiáng)度），結(jié)果見表1，基體斷裂部位的形貌見圖4。大多數(shù)CMC 的層間結(jié)合強(qiáng)度在5~8 MPa 之間，低的只有2 MPa，很少超過8 MPa，與纖維長(zhǎng)度方向的強(qiáng)度相差巨大。

表1 結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果Table 1 Results of bonding strength tests

圖3 SiC-CMC 纖維的編織方式 （a）2D+縫合；（b）2.5D；（c）3DFig.3 Fiber weaving modes for SiC-CMC （a）2D+suture；（b）2.5D；（c）3D

圖4 SiC-CMC 結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試 （a）斷裂面；（b）CVI-CMC 基體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 SiC-CMC bonding strength test （a）fracture surface；（b）stress-strain curve of CVI-CMC substrate

圖4 為SiC-CMC 結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試。如圖4（a）所示，經(jīng)過結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試后，PIP-CMC 和CVI-CMC 基體沿著纖維布疊層方向斷裂，斷裂都發(fā)生在表層向下約0.5 mm 的部位，基體斷裂部位可以看到明顯的長(zhǎng)纖維拔出現(xiàn)象，斷裂層的厚度約0.5 mm，而且有許多碎裂纖維。圖3（a）為SiC-CMC 纖維的編織方式，每一層纖維布的厚度約0.5 mm。無(wú)論什么工藝制備的SiCCMC，表面都很粗糙、凹凸不平，表面需要經(jīng)過機(jī)械磨削才能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)部件的尺寸和粗糙度需求。表面經(jīng)過磨削，必然會(huì)損傷纖維，因此結(jié)合強(qiáng)度也會(huì)下降。在PIP-CMC 和CVI-CMC 基體的斷裂層表面，可以看到許多纖維碎屑，都是磨削造成的。圖4（b）是CVICMC 樣品在結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試過程中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，樣品的結(jié)合強(qiáng)度達(dá)到6.8 MPa；當(dāng)應(yīng)變達(dá)到0.23 mm時(shí)，拉伸應(yīng)力達(dá)到層間結(jié)合強(qiáng)度的極限值，纖維布之間開始分離并出現(xiàn)纖維拔出現(xiàn)象，但此時(shí)沒有完全分離，殘余強(qiáng)度為3 MPa 左右；當(dāng)應(yīng)變達(dá)到0.30 mm 時(shí)，纖維布之間完全分離。

MI-CMC 工藝制備的基體，沒有纖維編織工序，纖維鋪層長(zhǎng)度方向是發(fā)動(dòng)機(jī)部件的長(zhǎng)度方向或者拉伸強(qiáng)度需求最大的方向。沿著纖維疊層方向拉伸斷裂后，斷裂部位大致處于基體的中心，斷裂面沒有纖維碎屑。MI-CMC 基體致密度高，纖維的長(zhǎng)度方向與表面平行。因此，在磨拋過程中，表面纖維碎裂少，表面和內(nèi)部的強(qiáng)度相差不明顯，斷裂面沒有纖維碎屑現(xiàn)象。

SiC-CMC 纖維布之間的界面是SiC-CMC/EBCs體系中結(jié)合最薄弱的部位，目前的工藝很難使層間結(jié)合強(qiáng)度超過8 MPa。為了研究EBCs 結(jié)合強(qiáng)度的極限，本工作采用SiC 燒結(jié)體代替SiC-CMC 基體。SiC基體很致密，表觀密度為3.13 g/cm3，達(dá)到理論密度的97.5%。SiC-CMC 表面噴砂后的粗糙度Ra=3.0 μm，APS 制備EBCs，然后測(cè)試結(jié)合強(qiáng)度，達(dá)到14.1 MPa，基體完好，圖5 是斷裂面外觀。斷裂主要發(fā)生在SiC 基體與Si 層的界面，基體表面還黏附了部分Si 層，即有部分?jǐn)嗔寻l(fā)生在Si 層內(nèi)部。從斷裂面的形貌可以得出，Si層的拉伸強(qiáng)度已接近14.1 MPa。

圖5 SiC/EBCs 結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試后的斷裂面Fig.5 Fracture surface of SiC/EBCs after bonding strength test

2.2 單晶Si 的拉伸強(qiáng)度

從圖5 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果判斷，APS 制備的Si 層拉伸強(qiáng)度已接近14.1 MPa。為了獲得Si 層的拉伸強(qiáng)度極限，本工作研究了單晶Si 的拉伸強(qiáng)度。單晶Si 的純度達(dá)到99.9999%以上，內(nèi)部缺陷很少，其拉伸強(qiáng)度是Si 材料的極限。無(wú)論用什么方法制備Si 層，都會(huì)有許多微孔和微裂紋，其拉伸強(qiáng)度不可能超過單晶Si。

單晶Si 的晶體結(jié)構(gòu)與金剛石相同，屬于面心立方，包含四個(gè)Si 正四面體。單晶Si 是脆性材料，而且有很強(qiáng)的各向異性，主要是由于單晶Si 沿不同晶面和晶向原子的排列密度不同，不同晶面之間的晶面間距差異也造成了單晶Si 性能的差異。單晶Si 除了存在各向異性以外，還存在對(duì)稱性。相互平行的晶面，晶體的排列密度相同，這些晶面是彼此等效的，例如（100），（010），（001）等六種晶面完全等效，通常把這些等效的晶面記作｛100｝晶面族。除此之外，最常見的單晶Si 晶面族還有｛110｝和｛111｝晶面族。圖6 為單晶Si 的三種主要晶面結(jié)構(gòu)示意圖［24］。

圖6 單晶Si 的晶體結(jié)構(gòu)（a 為晶胞尺寸）［24］Fig.6 Crystal structure of single crystal Si（a is the cell dimension）［24］

單晶Si 有三個(gè)重要的晶面即（100），（110）和（111）。圖7 為晶面（100），（110）和（111）的原子排布和晶面間距示意圖［24］。單晶Si 在不同晶向的晶面間距是：（100）晶面間距a，（110）晶面間距（111）晶面間距（400）與（100）同軸，有相同的晶面間距。三種晶面各向異性的主要原因是晶面間距差異。（100）及（110）晶面原子層分布規(guī)律為AAA-AAA 型，（111）晶面為ABAB-ABAB 型；同時(shí)（111）晶面原子分布最不規(guī)律，存在雙層排面（111），且（111）晶面間距最大，晶面間結(jié)合最弱，因此單晶Si 容易沿（111）晶面發(fā)生解理。（100）晶面間距最小，（110）晶面間距居中。因此，在單晶Si 的三個(gè)晶向中，［100］晶向的拉伸強(qiáng)度最大，［111］最弱，［110］居中。

圖7 單晶Si 的鍵密度和晶面間距［24］Fig.7 Bond density and interplanar spacing of Si single crystal［24］

本工作測(cè)試了兩個(gè)單晶Si 樣品在不同晶向的拉伸強(qiáng)度，結(jié)果見表1，取樣方式見圖8。XRD（圖9）分析表明，圖8（a）中的x晶向是［400］，與［100］平行；圖8（b）中的x晶向是［111］。這兩個(gè)單晶Si 樣品的晶面非常純，沒有檢測(cè)到其他衍射峰。將圖8（a）中的單晶Si 沿三個(gè)相互垂直的方向切割出厚度5 mm、長(zhǎng)寬15 mm 的方片，兩個(gè)垂直于［400］晶向的側(cè)面晶向分別命名為［0YZ］-1 和［0YZ］-2。在XRD 測(cè)試中，（400）和（111）晶面的衍射峰強(qiáng)度達(dá)到1.2×106以上，但［0YZ］-1和［0YZ］-2 兩個(gè)晶向的衍射峰強(qiáng)度非常弱，其中［0YZ］-1 在小角度區(qū)間出現(xiàn)兩個(gè)衍射峰、強(qiáng)度僅在5×102以下，其強(qiáng)度與（400）和（111）晶面的衍射峰強(qiáng)度相比可以忽略不計(jì)，在單晶Si 的標(biāo)準(zhǔn)衍射圖譜（PDF No.27-1402）中沒有對(duì)應(yīng)的峰。

圖8 兩個(gè)單晶Si 樣品的晶向（a）及取樣方式（b）Fig.8 Growth direction（a） of two Si single crystals and sampling（b）

圖9 單晶Si（S-Si）和大氣等離子噴涂Si涂層（APS-Si）的XRD 圖譜Fig.9 XRD patterns of Si single crystal （S-Si） and Si coating deposited by atmospheric plasma spraying （APS-Si）

單晶Si 三個(gè)晶向的拉伸強(qiáng)度分別是［400］=15.0 MPa，［0YZ］=9.3 MPa，［111］=4.1 MPa，斷裂都發(fā)生在樣品厚度方向的中間部位，其中［400］和［111］斷裂面的形貌見圖10。單晶Si 最重要的三個(gè)晶向中，（100）面間距最小，（110）面間距居中，（111）面間距最大，因此［100］晶向的拉伸強(qiáng)度最大，［110］居中，［111］最弱。［400］與［100］是同軸的晶向。測(cè)試（400），（0YZ）和（111）晶面的維氏硬度HV0.2分別為10.4，8.0 GPa 和10.1 GPa，（400）晶面的硬度比（111）高一些，其中（400）和（111）晶面的硬度與文獻(xiàn)［24］相似。

圖10 單晶Si 結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試后的斷裂面Fig.10 Fracture surface of Si single crystals after bonding strength tests

APS 方法制備的Si 涂層，截面結(jié)構(gòu)見圖11，金相法測(cè)試其孔隙率為11.5%。APS-Si 屬于多晶態(tài)，其XRD 見圖9。Si 的熔點(diǎn)為1410 ℃。在APS 過程中，等離子火焰的溫度高達(dá)8000 ℃，Si 粉進(jìn)入等離子火焰后被快速熔化，以200~300 m/s 的速度撞擊到基體上并被快速冷卻生成涂層，冷卻速度達(dá)到1×106K/s以上。由于Si 的熱導(dǎo)率較高，因此Si 層的結(jié)晶度也較高。Si 熔滴在冷卻過程中，優(yōu)先生長(zhǎng)的方向是生長(zhǎng)速度最快的晶向。在單晶Si 中，［111］晶向的晶面間距最大，生長(zhǎng)活化能最低，生長(zhǎng)最快；［400］晶向的晶面間距最小，生長(zhǎng)活化能最大，生長(zhǎng)最慢。所以，在APS-Si 涂層的XRD 衍射峰中，（111）衍射峰的強(qiáng)度最大，（400）的強(qiáng)度最低，（220）的強(qiáng)度居中，這三個(gè)峰的衍射強(qiáng)度之比是I（400）∶I（220）∶I（111）=1∶10.2∶16.7。

圖11 APS（APS-Si）（a）和HVOF（HVOF-Si）（b）方法制備的Si 涂層截面SEM 圖Fig.11 Cross-section SEM images of Si coatings made by APS （APS-Si）（a） and HVOF （HVOF-Si） （b）

采用超音速火焰噴涂（high velocity oxygen-fuel，HVOF）方法制備Si 層，其截面結(jié)構(gòu)見圖11，圖像法測(cè)試其孔隙率為3.4%，明顯比APS-Si 涂層致密。HVOF 的火焰溫度為2300 ℃，火焰流速高達(dá)6 馬赫，Si 顆粒在火焰中停留時(shí)間很短，氧化程度低。采用HVOF 方法在PIP-CMC 基體表面制備Si層，用APS 方法制備其他陶瓷層，測(cè)試樣品的結(jié)合強(qiáng)度為7.3 MPa，樣品斷裂也是發(fā)生在PIP-CMC 基體表面向內(nèi)約0.5 mm 的部位。盡管結(jié)合強(qiáng)度比APS 方法制備的涂層提高了1.4 MPa，但沒有本質(zhì)性的差別，在結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試誤差范圍內(nèi)，因?yàn)镃MC 本身的層間結(jié)合強(qiáng)度才是CMC/EBCs 體系的決定因素。

Si 粉、APS-Si 和HVOF-Si 涂層的XRD 譜圖見圖12。這三個(gè)狀態(tài)Si 的XRD 衍射峰強(qiáng)度比例是：（1）Si粉，I（400）∶I（220）∶I（111）=1∶12.1∶29.2；（2）HVOF-Si 層，I（400）∶I（220）∶I（111）=1∶10.5∶18.9；（3）APS-Si 層，I（400）∶I（220）∶I（111）=1∶10.2∶16.7。在HVOF-Si 涂層的制備過程中，PIP-CMC 基體溫度為200~300 ℃，HVOF 火焰中Si 熔滴冷卻速度很快，在基體表面凝固形成涂層時(shí)，生長(zhǎng)活化能最低的（111）面優(yōu)先生長(zhǎng)。在APS-Si涂層的制備過程中，PIP-CMC 基體溫度為500~700 ℃，APS 火焰中的Si 熔滴冷卻速度慢一些，優(yōu)先生長(zhǎng)的也是（111）面，但（400）晶面的相對(duì)強(qiáng)度高一些。這一現(xiàn)象說明，在制備Si 涂層時(shí)，基體溫度高、熔滴冷卻速度慢有利于高強(qiáng)度晶面（400）的生長(zhǎng)，例如低壓等離子噴涂（low pressure plasma spraying，LPPS）和等離子噴涂-物理氣相沉積（plasma spraying-physical vapor deposition，PS-PVD）。但是，無(wú)論采用什么方法制備Si 層，結(jié)合強(qiáng)度最弱的晶面（111）都優(yōu)先生長(zhǎng)，結(jié)合強(qiáng)度最強(qiáng)的晶面（400）都是次要組成。

圖12 Si 粉（P-Si），APS-Si 和HVOF-Si 涂層的XRD 圖譜Fig.12 XRD patterns of Si powder （P-Si）， APS-Si and HVOF-Si

通過研究單晶Si 在不同晶向的拉伸強(qiáng)度以及Si涂層制備方法對(duì)晶向生長(zhǎng)的影響可得Si 涂層的拉伸強(qiáng)度極限值是15.0 MPa，不可能超過單晶Si 的晶向［400］。

采用APS 方法在SiC 燒結(jié)體表面（粗糙度Ra=8 μm）制備莫來(lái)石或Yb2Si2O7涂層，樣品的結(jié)合強(qiáng)度都在20 MPa 以上，涂層脫落發(fā)生在基體與涂層之間的界面，說明莫來(lái)石或Yb2Si2O7涂層本身的拉伸強(qiáng)度超過20 MPa。因此，如圖2 中的EBCs 所示，其他層是SiC-CMC/EBCs 體系中結(jié)合強(qiáng)度最大的部位。

3 結(jié)論

（1）CMC 基體SiC 纖維布疊層之間的層間結(jié)合強(qiáng)度，是影響SiC-CMC/EBCs 體系結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果的一個(gè)主要因素。在目前的制備工藝條件下，SiC 纖維布疊層之間的結(jié)合強(qiáng)度在8 MPa 以內(nèi)。如果改善制備工藝，比如纖維的編織方式和SiC 基質(zhì)的燒結(jié)方式等，提高基體在z軸方向的結(jié)合強(qiáng)度，整個(gè)體系的結(jié)合強(qiáng)度也能隨之提高。

（2）SiC-CMC/EBCs 體系結(jié)合強(qiáng)度的另一個(gè)決定性因素是Si 層的拉伸強(qiáng)度。目前，國(guó)際上通用的黏結(jié)層材料都是Si，其熔點(diǎn)為1410 ℃，最高使用溫度1350 ℃，是目前性能最好的黏結(jié)層材料。但是，受晶體生長(zhǎng)選擇性的影響，強(qiáng)度最弱的晶面（111）優(yōu)先生長(zhǎng)、強(qiáng)度最大的晶面（400）生長(zhǎng)緩慢，無(wú)論采用什么方法制備涂層，很難獲得純（400）晶面，結(jié)合強(qiáng)度難以突破15.0 MPa。

（3）通過SiC-CMC 基體制備方法改進(jìn)，層間結(jié)合強(qiáng)度有望大幅提高；或者采用其他氧化物材料作為黏結(jié)層，體系的結(jié)合強(qiáng)度也有可能大幅提升。