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C/C复合材料具有一系列优异性能,是目前极少数可在2000℃以上保持较好力学性能的材料,被广泛用于航空和航天技术领域。但是,C/C复合材料在温度超过500℃的氧化气氛下迅速氧化,这大大限制了其应用,因此C/C复合材料的氧化保护问题成为了近年来的研究热点之一。研究表明,高温长寿命防氧化必须依赖于表面涂层技术,特别是多层复合涂层技术。然而,目前的涂层制备要么在高温下进行,要么需要较高的后处理温度,这会在一定程度上损伤C/C复合材料,降低材料的力学性能。因此,本研究以纳米碳化硅和微米二硅化钼为原料,采用水热电泳沉积法克服了上述现有技术的缺点在低温下于包埋法预先制备了SiC内涂层的C/C复合材料表面制备SiCn-MoSi2复合外涂层。借助X射线衍射仪(XRD)和带能谱的扫描电镜(SEM+EDS)等分析手段研究了工艺因素对涂层物相组成和显微结构及抗氧化性能的影响,并分析了复合抗氧化涂层的高温氧化失效机理。主要研究内容和成果如下:
以硅粉、石墨粉为包埋原料及Al2O3和B2O3等为促渗剂,利用二次包埋法在C/C复合材料表面制备了SiC内涂层。结果表明:固渗法制备的SiC内涂层由Si、α-SiC和β-SiC三相组成,涂层表面存在明显的微裂纹;带有SiC涂层的C/C复合材料的抗氧化能力明显提高,SiC-C/C涂层试样在1500℃下氧化34小时后单位面积的氧化失重达5.8×10-3g/cm2,试样失效;这主要是由于涂层氧化后产生的SiO和CO气体逸出,在涂层表面形成了难以愈合的孔隙所造成的。
采用水热电泳沉积法在SiC-C/C试样表面制备SiCn-MoSi2复相外涂层。考察了SiCn-MoSi2粉体在有机悬浮液中的分散稳定性,其悬浮液在异丙醇中的分散稳定性最好。悬浮液中MoSi2含量对SiCn-MoSi2复相外涂的显微结构和高温抗氧化性能有着有较大的影响,结果表明,当悬浮液中MoSi2含量为60wt％的时,制备的复合涂层试样具有最佳的高温抗氧化性能。重点研究了制备工艺参数(悬浮液碘含量、沉积电压、水热温度、沉积时间等)对SiCn-MoSi2复相外涂层物相组成、显微结构和抗氧化性能的影响,优化工艺参数为悬浮液含碘浓度CI=0.6g/L,沉积电压U=180V,水热温度T=140℃及时间t=10min。SiCn-MoSi2/SiC复合涂层具有优异的高温抗氧化性能,可在1500℃下的静态空气中保护C/C基体346小时后,单位面积的氧化失重率仅为3.72×10-3g/cm2,复合涂层试样在1600℃下静态氧化80小时后,质量损失为3.6×10-3g/cm2。SiCn-MoSi2/SiC复合涂层具有优异的抗热震能力,在经过80次1500℃与室温间的热震循环后失效,复合涂层的失效是由于试样在多次热循环后形成了贯穿性裂纹所致。
最后尝试采用水热电泳沉积法在SiC-C/C复合材料表面制备致密而且无裂纹的MoSi2抗氧化涂层。所制备的MoSi2/SiC涂层具有优异的氧化保护能力,可在1500℃下保护C/C复合材料长达346h失重为2.49×10-3g/cm2。动力学研究表明,在稳定氧化阶段,MoSi2/SiC-C/C试样的高温氧化行为以1608℃为界线有所不同,在1350～1608℃之间的氧化活化能为120.96kJ/mol;在1608～1650℃之间的氧化活化能为82.41kJ/mol。