碳-碳復(fù)合材料ZrSiO4-SiC復(fù)合抗氧化涂層的制備與性能研究.pdf

1、碳/碳復(fù)合材料具有許多優(yōu)秀的高溫物理化學(xué)機(jī)械性能,比如高的強(qiáng)度質(zhì)量比、熱膨脹系數(shù)低和良好的抗熱沖擊性,尤其是在高溫下具有優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度和彈性模量,因此碳/碳復(fù)合材料被廣泛應(yīng)用于制造各種航空發(fā)動機(jī)和航天器零部件。然而,碳/碳復(fù)合材料在氧化氣氛中,如果溫度在400℃以上,就會被快速氧化,從而大大限制了其應(yīng)用范圍和使用壽命。因此,碳/碳復(fù)合材料的的防氧化問題成為近年來研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題。有研究表明,在碳/碳復(fù)合材料表面用不同方法來制備涂層的

2、技術(shù)是提高碳/碳復(fù)合材料抗氧化能力的有效方法。然而,傳統(tǒng)制備方法,比如化學(xué)氣相沉積法、等離子噴涂法、溶膠.凝膠法和包埋法等,有的需要較高的制備溫度,有的需要進(jìn)行高溫?zé)崽幚?這在一定程度上對碳/碳復(fù)合材料有很大的損害,從而降低了材料的機(jī)械性能。因此,本研究以微米級硅酸鋯為原料,采用水熱電泳沉積法來克服現(xiàn)有技術(shù)的不足,在制備了SiC內(nèi)涂層的碳/碳復(fù)合材料表面制備ZrSiO4外涂層。通過X射線衍射(XRD)和帶元素分析功能的描電子顯微鏡(SE

3、M+EDS)等分析手段研究了各個(gè)工藝因素對涂層材料的成分、微觀結(jié)構(gòu)以及抗氧化性能的影響,并分析了復(fù)合抗氧化涂層的高溫氧化失效機(jī)理和氧化動力學(xué)。主要研究內(nèi)容和成果如下:
　　 采用固滲法在C/C復(fù)合材料表面制備了具有一定防氧化能力的SiC過渡層,所選用的包埋粉料為無機(jī)硅粉和無機(jī)炭粉,同時(shí)加入氧化鋁和氧化硼粉為促滲劑。結(jié)果表明:固滲法制備的碳化硅涂層由硅、α-碳化硅和β-碳化硅三種物相組成,涂層表面存在有微裂紋等缺陷。表面制備了Si

4、C涂層的碳/碳復(fù)合材料的防氧化能力顯著提高,SiC-C/C涂層試樣在1773K恒溫靜態(tài)空氣中氧化56小時(shí)后氧化質(zhì)量損失率為1.32%。SiC-C/C涂層試樣在高溫氧化過程中由于產(chǎn)生的CO和CO2氣體逸出,在涂層表面形成了無法自愈合的孔洞從而導(dǎo)致涂層最終失效。
　　 采用水熱電泳沉積法在SiC-C/C試樣表面制備ZrSiO4外涂層。硅酸鋯粉體在不同的有機(jī)懸浮介質(zhì)中穩(wěn)定性不同,其中在異丙醇中懸浮分散性最好,乙醇次之,丙酮的懸浮分散穩(wěn)

5、定性最差。著重研究了各工藝參數(shù)(懸浮液碘含量、沉積電壓、水熱溫度、沉積時(shí)間等)對制備ZrSiO4外涂層晶相組成、顯微形貌和抗氧化性能的影響。最佳工藝條件是懸浮液中碘含量C=0.8g/L,沉積電壓U=200V,水熱溫度T=373K,沉積時(shí)間t=9min。水熱電泳沉積涂層動力學(xué)表明,涂層沉積規(guī)律受ZrSiO4帶電微粒的擴(kuò)散移動速率所控制,經(jīng)計(jì)算得采用水熱電泳沉積法制備ZrSiO4涂層的沉積活化能為25.45kJ/mol。ZrSiO4/SiC

6、復(fù)合涂層試樣在1573～1773K范圍內(nèi)具有良好的抗氧化性能,在1773K靜態(tài)空氣中氧化380h后復(fù)合涂層試樣氧化失重率為0.23%,經(jīng)過380h氧化后復(fù)合涂層試樣彎曲強(qiáng)度較未氧化前下降了26.05%。ZrSiO4/SiC復(fù)合涂層具有良好的耐熱沖擊性能,在經(jīng)歷68次從室溫到1773K連續(xù)熱震循環(huán)后失效,這是由于在連續(xù)熱震循環(huán)中復(fù)合涂層內(nèi)產(chǎn)生了貫穿性裂紋從而導(dǎo)致涂層失效。隨著氧化時(shí)間的延長,復(fù)合涂層試樣的氧化激活能出現(xiàn)先增大后減小的趨勢。