航空航天技术的发展对高温材料的性能提出了苛刻的要求

发布时间：2016/12/23 0:06:57

碳/碳（C/C）复合材料具有高强度、高模量、高断裂韧性、高导热、隔热性能优异和低密度等优异特性，其密度为1.65～2.0g/cm3，仅为钢的四分之一；摩擦特性好，摩擦系数稳定，并可在0.2～0.45范围内调整；承载水平高，过载能力强，高温下不会熔化，也不会发生粘接现象；线膨胀系数小，高温尺寸稳定性好；使用寿命长，在同等条件下的磨损量约为粉末冶金刹车材料的1/3～1/7；更奇特的是，其强度随温度升高不降反升，是*能在2200℃以上保持高温强度的工程材料；在循环加载后还会出现剩余强度升高的现象，即所谓“疲劳强化”现象。

航空航天技术的发展对高温材料的性能提出了苛刻的要求，尤其是高性能航空发动机热结构件与空天飞行器热防护系统，在服役过程中要承受严重的烧蚀、高速气流的强冲击和大梯度的热冲击。传统金属材料的使用温度已经接近其极限，不能完全满足使用要求，开发新型超高温材料迫在眉睫。C/C复合材料的一系列优异特性，使得其用作飞行器热防护系统具有其他材料难以比拟的优势。

但是，C/C复合材料在高于450℃的有氧环境下极易氧化，在超高温极端环境下烧蚀严重，导致力学性能急剧下降。这成为阻碍其走向实用高温材料的*大制约因素。虽然通过基体改性可以部分缓解这个问题，但基体改性技术的防氧化温度与保护时间有限。从目前研究结果看，C/C复合材料高温长寿命防氧化必须依赖涂层技术。

目前开发的防氧化涂层体系主要有玻璃涂层、金属涂层和陶瓷涂层。玻璃涂层可以用于密封层材料或刹车盘非摩擦面的防氧化。金属涂层采用高熔点和低氧扩散系数的Ir，Hf，Cr，Mo等金属，对C/C复合材料进行防护。陶瓷涂层通常利用硅化物的高温氧化产物（玻璃态SiO2）填充涂层中的裂纹，阻挡氧气渗入。陶瓷涂层是目前高温防护效果*好的抗氧化涂层体系。

为进一步提高陶瓷涂层的性能，缓解陶瓷与C/C之间热膨胀系数的差异，相继开发了多相镶嵌、梯度、第二相增韧等陶瓷涂层体系。多相镶嵌涂层利用大量的相界面来松弛应力，缓解热失配。据报道，Si-MoSi2/SiC涂层经1400℃氧化100h后仅失重0.36%；在1500℃下可对C/C复合材料有效保护52小时。TaxHf1-xB2-SiC/SiC涂层在1500℃下的防氧化寿命可达到1480小时。梯度涂层使涂层与基体及多层涂层之间的组成呈连续分布，可消除界面应力，缓解涂层开裂趋势。据报道，（SiC/Si3N4）/C梯度涂层，可用于1500～1550℃抗氧化；在C/C复合材料表面引入C-SiC梯度涂层，可以有效缓解涂层与基体的热失配。将小尺寸的第二相引入陶瓷涂层中也可以提高韧性，减少涂层中裂纹。据报道，通过引入SiC，ZrO2纳米颗粒和SiC晶须，或将SiC，HfC纳米线引入涂层中，可以有效抑制涂层的开裂。

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