炭纖維増強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料抗機(jī)化涂層技術(shù)

發(fā)布時(shí)間： 2022/7/15

　　炭纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料具有優(yōu)異的高溫力學(xué)性能和熱性能，住惰性環(huán)境中超過(guò)2000度仍能保持強(qiáng)度、模量等力學(xué)性能不降低，具有良好的斷裂韌性和耐磨性能、低線膨賬系數(shù)、高熱導(dǎo)率、高氣化溫度和良好的抗熱震性能，導(dǎo)致材料失效。這是影響炭纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料在氧化性氣氛中應(yīng)用的致命因素，目前應(yīng)用較多的是對(duì)表面進(jìn)行抗氧化涂層處理來(lái)改善炭纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的抗氧化性。
　　一、抗氧化涂層的要求
　　抗氧化涂層的基本功能是將基體材料與外部的氧化氣氛隔離。要有效地實(shí)現(xiàn)其隔離功能，抗氧化涂層體系必須滿足一些基本要求：
　?、偻繉硬牧显谒Ｗo(hù)溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定，涂層體系和基體材料有良好的粘接作用，涂層與基體及涂層與涂層之間不剝落(分離)；
　　②涂層材料與基體間有相近的線膨脹系數(shù)；
　?、弁繉硬牧涎鹾吞康臄U(kuò)散系數(shù)低；
　　④涂層材料與基體問(wèn)有好的化學(xué)和物理相容性；
　?、葑鳛榻Y(jié)構(gòu)部件使用中通常會(huì)受熱流的沖蝕，在這種環(huán)境中使用涂層材料必須有良好的抗沖蝕性能。
效果較好的涂層是復(fù)合涂層，具有長(zhǎng)期抗氧化性，基本組成是粘接層、功能層和阻擋層，粘接層的熱膨脹系數(shù)通常與基體接近并有良好粘接作用；功能層在氧化氣氛下能對(duì)涂層裂紋進(jìn)行自愈合修復(fù)；阻擋層能抵抗氣流沖蝕。例如采用SiC涂層和自愈合玻璃涂層(莫來(lái)石、A12 03或硅)。
　　二、粘接層材料
　　粘接層的功能是粘接基體與涂層系統(tǒng)，減少涂層與基體間的線膨脹系數(shù)不匹配的影響，阻擋基體材料組成元素向外擴(kuò)散與功能層材料發(fā)生反應(yīng)，從而達(dá)到提高界面物理化學(xué)相容性目的。粘接層材料最常用的是SiC和Si3 N4，它們有與基體材料相近的線膨脹系數(shù)，為了降低線膨脹系數(shù)，可以在制備涂層時(shí)加入低線膨脹系數(shù)的材料，如BN和石英等。
　　三、功能層材料
　　功能層的作用是利用可流動(dòng)玻璃態(tài)物質(zhì)填封涂層的微裂紋，阻止氧進(jìn)入。P2 05、B2 03、Si02等玻璃態(tài)氧化物是最早用于功能層的材料，單獨(dú)使用時(shí)P2 05的溫度限制在600℃以下，B2 03在600～1100℃，Si02在1100℃以上。涂層多是將它們按比例混合，以實(shí)現(xiàn)其在全溫度范圍的封填作用，也可摻人難熔氧化物，如 TiOz、ZrOz、Y2 03、Sc2 03、Laz 03、Si02、A12 03、Ce02等，以降低涂層的揮發(fā)性，實(shí)現(xiàn)更大溫度范圍的封填作用。目前常用的功能層材料是能氧化形成玻璃態(tài)物質(zhì)的化合物，如B4C、TiB2、Si-B、Si-W、Si-HI?、Si-Z等。
　　四、阻擋層材料
　　阻擋層的功能是阻擋氧氣進(jìn)入材料內(nèi)部，抵抗氣流沖蝕。耐沖蝕層的材料一般采用致密的、表面蒸氣壓低的氧化物陶瓷材料。Seechan計(jì)算出耐沖蝕材料合適的最大飽和蒸氣壓為10～mmHg，表7為一些氧化物在飽和蒸氣壓為10-3 mm時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度。
　　表7 氧化物飽和蒸氣壓為10-3mmHg時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度

氧化物	Hf02	Y2 03	TbOz	ZrOz	BeO	Alz03	CaO	Ti02	Si02	MgO
溫度	2475	2250	2239	2239	2027	1905	1875	1780	1770	1695

　　通常，氧化物如ZrOz、Yz 03、Tb02等，在高溫2000℃時(shí)仍具有較高的熱穩(wěn)定性。但大多數(shù)的氧化物同時(shí)還有其他一些特點(diǎn)，如CaO對(duì)溫度十分敏感，因此，在選用耐腐蝕層材料時(shí)必須綜合考慮這些因素。siC和Si3 N4的致密涂層可在1700~1800℃表現(xiàn)出極好的抗氧化功能，同時(shí)，S配和si3 Nl都有極高的硬度和抗沖蝕強(qiáng)度。SiC涂層可用包埋固滲的方法，而采用CVD方法制備的 B-SiC層具有更好的的抗氧化效果。
　　SiC氧化后生成的固相產(chǎn)物為Hf02；Si3N4氧化后生成Si2 N20。Si2 N20具有致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，被認(rèn)為是高溫氧氣環(huán)境下最穩(wěn)定的氮化物之一，是防氧化的良好屏障，因此適合作為材料抗氧化體系的最外層。

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