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碳/碳(C/C)复合材料是一种能在超高温条件下工作的高温结构材料,在航空航天领域具有广阔的应用前景。防氧化是碳/碳复合材料在高温有氧气氛下应用的前提条件,目前的研究结果尚达不到严酷环境下的应用要求,碳/碳复合材料高温抗氧化涂层下一阶段将重点解决室温至1700℃全温度段和高温燃气高速冲刷环境下对碳/碳复合材料的氧化保护问题。本文先是进一步优化了包埋法制备SiC内涂层的工艺配方,并测试了其高温抗氧化性能;之后重点研究了水热电泳沉积硅酸钇外涂层工艺因素的影响,采用XRD、SEM和氧化性能测试等分析手段研究了涂层的显微结构和性能,并进行了氧化动力学分析。主要研究内容和成果如下:
以硅粉、石墨粉为包埋原料及MgO、Al2O3和B2O3等为促渗剂,采用二次固渗工艺在C/C复合材料表面制备了Si-α-SiC-β-SiC复合涂层。并采用X-射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对复合涂层进行了表征。结果表明:一次固渗后的涂层为Si-β-SiC涂层,两次固渗后可以获得致密的Si-α-SiC-β-SiC复合涂层,涂层厚约300μm,具有致密的表面和断面结构,没有开裂和孔隙等缺陷。氧化性能测试表明:在1500℃的静态空气气氛下氧化200小时后,Si-α-SiC-β-SiC复合涂层能对C/C复合材料进行有效保护,涂层试样的失重仅为4.42×10-4g.cm-2。
研究了水热电泳沉积温度、电压和时间对硅酸钇涂层显微结构的影响,调整硅酸钇悬浮液浓度为20g/L,碘含量为0.6g/L,电压为220V,在120℃温度下水热电泳沉积15min后,可以在C/C-SiC基体表面获得均匀致密、厚度为100μm的硅酸钇涂层。硅酸钇涂层的沉积受硅酸钇带电颗粒在悬浮液中扩散机制所控制,涂层沉积的激活能为17.8kJ/mol。
在硅酸钇涂层表面制备了玻璃涂层。结果表明:在1500℃的静态空气气氛下氧化50小时后,SiC/硅酸钇/玻璃复合涂层能对C/C复合材料进行有效保护,涂层试样的失重仅为3.52×10-4g.cm-2。同时涂层能在1500℃以内的温度范围对基体进行全温度段保护。涂层在600-800℃的温度区间内氧化失重与时间符合直线规律,其氧化激活能为83.8kJ/mol;在800-1200℃的温度范围内氧化失重受到几个因素的共同制约,氧化情况比较复杂;在1200-1500℃温度范围内氧化失重与时间成直线规律,涂层的氧化激活能为97.7kJ/mol。