陶瓷涂层 陶瓷涂层是目前研究得最为深入的抗氧化涂层 体系,一般采用硅化物陶瓷, 如SiC、Si3N4 和MoSi2 等[ 6 ] ,主要是利用其高温下反应生成的SiO2 ,一方面 填充涂层中的裂纹等缺陷,另一方面作为密封物质来 阻挡氧气的渗入. 由于SiO2 的氧扩散系数很低(在 1200℃时低于10- 13 g/ ( cm · s) ) , 因此能有效地对 C /C复合材料提供保护. 然而, C /C复合材料的热膨 胀系数仅为1. 0 ×10- 6 /℃,而一般的陶瓷材料热膨胀 系数明显高于该值,例如,MoSi2 和SiC的热膨胀系数 分别为8. 0 ×10- 6 /℃和4. 3 ×10- 6 /℃,基体与涂层 之间热膨胀系数因存在较大差异而易导致涂层在高 低温交变过程中开裂,形成的裂纹自然成为氧扩散通 道,这成为涂层制备的最大难点. 为解决这一问题,国 内外研究人员相继开发了多相镶嵌陶瓷、晶须增韧陶 瓷、纳米颗粒增韧陶瓷、梯度复合陶瓷等涂层体系. 第4期李贺军,等: C /C复合材料高温抗氧化涂层的研究现状与展望 的陶瓷颗粒弥散分布于热膨胀系数较低的陶瓷基体 中,以期构造多相镶嵌结构,旨在形成大量相界面,可 对涂层中的应力起到有效的松弛作用,缓解陶瓷涂层 与C /C复合材料热膨胀系数不匹配问题. 本课题组 采用包埋法将MoSi2 分散于SiC 基体中, 获得的 SiC2MoSi2双相镶嵌涂层具有极佳的防氧化性能,可在 1500℃静态空气中对C /C复合材料有效保护400h, 1600℃下有效保护200h以上[ 22 ] . 随后,国内外多家 机构对该类涂层进行了跟踪研究,例如, Zhao等[ 23 ]采 用料浆法在带有SiC 涂层的碳基体表面制备出 Si2MoSi2涂层,带有该涂层的试件在1400℃静态空气 中氧化100h后失重率为0. 36%;冉丽萍等[ 24 ]采用包 埋法与封闭处理制备的MoSi2 /SiC 复合涂层可在 1500℃静态空气中对C /C复合材料有效保护52h. 本 课题组采用两次包埋法在C /C复合材料表面制备了 新型的SiC2Al2O3 2莫来石多相镶嵌涂层[ 25 ] ,即第一次 包埋以Si、C为原料,制备SiC多孔涂层;第二次包埋 增加Al2O3、SiO2 为原料填充SiC涂层中的孔隙. 该涂 层在1500℃空气条件下可对C /C复合材料有效保护 130h,在1600℃空气条件下对C /C复合材料有效保 护80h. 近期, 本课题组采用两步包埋技术研制的 SiC2CrSi2涂层(图2)在1500℃下的防氧化寿命比单 层SiC延长近十倍[ 26 ] ;研制的MoSi2 2SiC2Si多相镶嵌 涂层在1500℃静态空气中的防氧化寿命达到 200h[ 27 ] ;研制的SiC2MoSi2 /WSi2 涂层C /C复合材料 在空气环境下1500℃氧化315h后仍未失重[ 28229 ] . 1. 3. 2 晶须增韧陶瓷涂层 针对C /C复合材料陶瓷涂层易开裂和剥落的问 题,作者提出了将晶须增韧的方法应用于C /C复合 材料高温防氧化涂层的新思路,并采用两步法成功制 备出SiC 晶须增韧SiC 涂层[ 30 ] 、SiC 晶须增韧 MoSi2 2SiC2Si多相涂层[ 31 ]和SiC晶须增韧SiC2CrSi2涂 层[ 32 ] . 该类涂层的制备过程如下:首先以Si、C、SiC晶 须等为原料,以蒸馏水为分散剂,添加适量粘结剂, 采用料浆法在C /C复合材料表面制备多孔的晶须层 图2 SiC2CrSi2 涂层表面SEM照片[ 27 ] Fig. 2 SEM image of the surface of SiC2CrSi2 coating[ 27 ] (图3) ;再以Si、硅化物等为原料,以氧化物为促渗 剂,采用包埋法将SiC和硅化物填充于晶须层中的孔 隙,从而形成致密的涂层. 在晶须层中设计多孔结构, 为后续包埋过程中硅化物的浸渗填充提供了空间,有 利于获得多相致密的涂层结构. 研究结果表明,在SiC 涂层中加入10wt% SiC晶须后,涂层的抗氧化性能大 大提高, 1500℃氧化310h后失重仅为0. 63%[ 30 ] . 通 过在MoSi2 2SiC2Si多相涂层中加入SiC晶须,使该涂 层试件在1500℃空气中氧化200h 后的失重率从 2. 31%降低至0. 33%[ 31 ] . 在SiC2CrSi2 涂层中加入 SiC晶须后,使得该涂层在1200～1500℃空气中的防护 能力大幅度提高[ 32 ] . 为充分发挥晶须的增韧作用,获得 分散更为均匀的晶须层,作者还发明了在C/C复合材 料表面原位合成高纯SiC晶须和SiC纳米线的制备方 法,采用化学气相反应法分别制备出高质量SiC晶 须[ 33 ]和SiC纳米线[ 34 ] ,若将其用于C/C复合材料高温 抗氧化陶瓷涂层的增韧相,有望获得更佳效果. |
