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炭纤维増强陶瓷基复合材料抗机化涂层技术
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| 发布时间：
2022/7/15 |
炭纤维增强陶瓷基复合材料具有优异的高温力学性能和热性能，住惰性环境中超过2000度仍能保持强度、模量等力学性能不降低，具有良好的断裂韧性和耐磨性能、低线膨账系数、高热导率、高气化温度和良好的抗热震性能，导致材料失效。这是影响炭纤维增强陶瓷基复合材料在氧化性气氛中应用的致命因素，目前应用较多的是对表面进行抗氧化涂层处理来改善炭纤维增强陶瓷基复合材料的抗氧化性。
一、抗氧化涂层的要求
抗氧化涂层的基本功能是将基体材料与外部的氧化气氛隔离。要有效地实现其隔离功能，抗氧化涂层体系必须满足一些基本要求：
①涂层材料在所保护温度范围内稳定，涂层体系和基体材料有良好的粘接作用，涂层与基体及涂层与涂层之间不剥落(分离)；
②涂层材料与基体间有相近的线膨胀系数；
③涂层材料氧和炭的扩散系数低；
④涂层材料与基体问有好的化学和物理相容性；
⑤作为结构部件使用中通常会受热流的冲蚀，在这种环境中使用涂层材料必须有良好的抗冲蚀性能。
效果较好的涂层是复合涂层，具有长期抗氧化性，基本组成是粘接层、功能层和阻挡层，粘接层的热膨胀系数通常与基体接近并有良好粘接作用；功能层在氧化气氛下能对涂层裂纹进行自愈合修复；阻挡层能抵抗气流冲蚀。例如采用SiC涂层和自愈合玻璃涂层(莫来石、A12 03或硅)。
二、粘接层材料
粘接层的功能是粘接基体与涂层系统，减少涂层与基体间的线膨胀系数不匹配的影响，阻挡基体材料组成元素向外扩散与功能层材料发生反应，从而达到提高界面物理化学相容性目的。粘接层材料最常用的是SiC和Si3 N4，它们有与基体材料相近的线膨胀系数，为了降低线膨胀系数，可以在制备涂层时加入低线膨胀系数的材料，如BN和石英等。
三、功能层材料
功能层的作用是利用可流动玻璃态物质填封涂层的微裂纹，阻止氧进入。P2 05、B2 03、Si02等玻璃态氧化物是最早用于功能层的材料，单独使用时P2 05的温度限制在600℃以下，B2 03在600～1100℃，Si02在1100℃以上。涂层多是将它们按比例混合，以实现其在全温度范围的封填作用，也可掺人难熔氧化物，如 TiOz、ZrOz、Y2 03、Sc2 03、Laz 03、Si02、A12 03、Ce02等，以降低涂层的挥发性，实现更大温度范围的封填作用。目前常用的功能层材料是能氧化形成玻璃态物质的化合物，如B4C、TiB2、Si-B、Si-W、Si-HI?、Si-Z等。
四、阻挡层材料
阻挡层的功能是阻挡氧气进入材料内部，抵抗气流冲蚀。耐冲蚀层的材料一般采用致密的、表面蒸气压低的氧化物陶瓷材料。Seechan计算出耐冲蚀材料合适的最大饱和蒸气压为10～mmHg，表7为一些氧化物在饱和蒸气压为10-3 mm时对应的温度。
表7 氧化物饱和蒸气压为10-3mmHg时对应的温度
氧化物 | Hf02 | Y2 03 | TbOz | ZrOz | BeO | Alz03 | CaO | Ti02 | Si02 | MgO | 温度 | 2475 | 2250 | 2239 | 2239 | 2027 | 1905 | 1875 | 1780 | 1770 | 1695 |
SiC氧化后生成的固相产物为Hf02；Si3N4氧化后生成Si2 N20。Si2 N20具有致密的网络结构，被认为是高温氧气环境下最稳定的氮化物之一，是防氧化的良好屏障，因此适合作为材料抗氧化体系的最外层。
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