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陶瓷涂层有望使C/C复合材料实现在超高温氧化环境中的氧化防护

发布时间：2015/10/16 0:08:42

      C / C 复合材料不但具有密度小、比强度大、线胀系数低、导热导电能力高、耐腐蚀、摩擦因数稳定等优点，而且还具有耐烧蚀、抗热震、热稳定性好等一系列优异的高温性能，特别是在超过 2000℃的高温环境中仍具有良好的强度保持率，是一种理想的轻质耐高温结构材料。但是 C/C 复合材料在超过 400℃有氧环境中易氧化，导致其力学性能及各项物理化学性能迅速下降，这限制了它在航空航天领域的应用与推广，因此稳定持久的抗氧化防护已成为 C/C 复合材料工程化应用的关键。

抗氧化涂层技术是提高其高温长时间抗氧化性能*直接有效的方法，抗氧化涂层能有效地隔离碳材料和外部有氧氛围的扩散接触，其中陶瓷涂层特别是硅基陶瓷是目前使用*为广泛的涂层物质。

硅基陶瓷涂层主要是利用了SiO2玻璃的高温自愈合功能和低氧透特性。由于SiO2的氧扩散系数很低，因此能有效地对碳基体提供氧化保护。此类硅基陶瓷与碳材料不仅具有良好的化学物理相容性，而且还具有相近的线胀系数，因而是理想的碳材料高温抗氧化涂层物质。据报道，采用化学气相沉积法在 C/C 复合材料表面制备 SiC 多层涂层，可将 C/C 复合材料的抗氧化性能提升到 1250℃；用包埋法在 C/C 复合材料表面制备 SiC 涂层，可在 1500℃的空气氛围中对 C/C 复合材料有效保护约 12 h。为获得结构致密抗氧化性能更优异的抗氧化涂层，许多金属硅化物如 MoSi2、TaSi2、CrSi2、Ti-Si2等也被引入 SiC 涂层并取得了较好的抗氧化效果。例如，采用包埋法先制得了 SiC 涂层，然后用Si、Ta、Mo 混合粉对 SiC 涂层进行包埋浸渗，*终在C / C 复合材料表面制备了 SiC -TaSi2/ MoSi2复合涂层，在 1500℃氧化326 h，且经23 次循环热震后，失重率仅为 0.97%。

硅基涂层虽然在 1200～1650℃具有良好的氧化防护效果，但在 1800℃以上其应用受到很大的限制。在高于 1700℃ 时，硅基涂层 + SiO2+ C 系统中的 SiO 和CO 的蒸气压将远远超出环境压力，形成气泡，引起涂层破坏。此外，当温度高于 SiO2熔点( ＞ 1730℃)时，SiO2蒸气压变大，涂层自身挥发损耗加剧; 而在此温度段，随着温度的升高，SiO2的黏度将急剧降低，氧渗透率也逐渐变大，因此，在高速气流或燃气冲蚀下，涂层不仅容易剥落，而且还极易被氧化而迅速消耗。为实现 1800℃以上的超高温长时间氧化防护，抗氧化涂层必须寻找新的涂层体系。根据目前的研究结果，超高温陶瓷主要包括一些过渡族金属的难熔硼化物、碳化物和氮化物，如 ZrB2、HfB2、TaC、HfC、ZrC、HfN 等，它们的熔点均在 3000℃ 以上，且具有良好的化学稳定性和极优异的耐烧蚀性能。在高温氧化环境中，它们氧化产物不但熔点高( ZrO2，HfO2熔点均高于 2700℃) ，而且具有相对低的蒸气压和热导率，因此，在 C/C 复合材料表面制备超高温陶瓷涂层将有望实现其在超高温( ＞1800℃) 氧化环境中的氧化防护。