C/SiC复合材料表面莫来石与硅酸钇涂层的制备及抗氧化机制研究

摘要

C/SiC复合材料是目前综合性能最好、发展与应用最为成熟的一种连续纤维增强陶瓷基复合材料，针对它的抗氧化技术的研究在未来很长时间内仍旧是影响其应用水平的重要因素。本文在综述 C/SiC复合材料抗氧化技术进展和硅酸钇抗氧化涂层研究进展的基础上，设计了以高固含量Al2O3-SiO2溶胶、Y2O3+硅树脂泥浆为原料，分别制备莫来石和硅酸钇涂层以及二者的复合涂层的研究方案。论文研究了涂层的制备，在分析表征涂层组成、微观结构、抗氧化性能及其演变行为的基础上，探讨了涂层的抗氧化机制。
　　采用高固含量 Al2O3-SiO2溶胶为原料制备了莫来石涂层，相比于从无机盐或有机盐出发的溶胶技术，通过浸渍提拉法可以明显提高效率，且涂层整体致密，与基板结合良好。莫来石涂层具有优良的抗氧化保护效果，在1400℃下氧化30 min后，复合材料的强度保留率仍为87.07±7.7％；当氧化温度升高到1500℃、1600℃时，涂层中富余 SiO2的粘性流动能够有效封填裂纹和孔隙，使得涂层抗氧化效果得到明显提升，氧化30 min后的弯曲强度几乎没有变化，强度保留率分别为109.77±8.5%、98.72±2.8%。随着氧化温度进一步升高或时间进一步延长，复合材料基板中含有自由碳会与涂层中的富余 SiO2发生碳热还原反应，导致涂层局部发泡，抗氧化性能下降。
　　采用氧化钇和硅树脂制备了硅酸钇涂层。将两者混合后先经800℃氧化裂解再在1400℃下热处理能够完全转化成硅酸钇，通过改变两者比例可以在 Y2Si2O7和Y2SiO5之间调节涂层的相组成。通过浸渍提拉法制备出致密度高且与基体结合紧密的Y2Si2O7涂层，在氧化过程中因进一步致密化而呈现出优异的抗氧化性能，经过1400℃~1600℃氧化30min后，复合材料的强度保留率达到130%~140%。当氧化温度超过1500℃后，Y2Si2O7涂层会与氧化铝支撑体之间发生反应，生成低共熔点的Y-Si-Al-O玻璃相，导致涂层的氧化保护效果有所降低。
　　在单层涂层的研究基础上，分别以高固含量Al2O3-SiO2溶胶、Y2O3+硅树脂泥浆为原料，制备出整体致密且与基板结合紧密的莫来石/硅酸钇复合涂层。通过复合涂层中的SiO2、Y-Si-Al-O粘流相的协同抗氧化机制，使得涂层在1400℃、1500℃下的抗氧化性能优于单层莫来石涂层，与单层 Y2Si2O7涂层相当，其中 YS1的强度保留率分别为91.92±5%、102.38±4.8%，YS2的强度保留率分别为127.78±5.2%、130.13±4.9%。莫来石/硅酸钇复合涂层还表现出优异的抗循环热震性能，经过1400℃到室温的12次?10 min氧化热震后，重量和强度几乎没有变化，涂层也没有开裂或脱落，强度保留率分别达到99.02%、111.20%。温度升高到1600℃时，粘流相与基板间的碳热还原反应比较明显，导致涂层明显失重和氧化保护效果明显下降，两种复合涂层的强度保留率分别为84.19±4.5%、84.91±4.2%。

目录

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第一章 绪论

1.1 C/SiC复合材料概述

1.2 C/SiC复合材料的抗氧化研究

1.2.1 纤维涂层与基体改性

1.2.2 整体抗氧化涂层

1.3 硅酸钇涂层材料

1.3.1 硅酸钇材料概述

1.3.2 硅酸钇抗氧化涂层研究进展

1.3.3 硅酸钇涂层制备工艺

1.4 选题依据和研究内容

第二章 实验与研究方法

2.1 实验原料与设备

2.1.1 实验原料

2.1.2 实验设备

2.2 实验方法

2.3 分析测试及性能表征

2.3.1 抗氧化性能测试

2.3.2 抗热震性能测试

2.3.3 弯曲强度测试

2.3.4 结构成分表征

第三章 莫来石和硅酸钇涂层的抗氧化性能与机制

3.1 莫来石涂层的制备与抗氧化性能

3.1.1 莫来石的合成

3.1.2 莫来石涂层的制备与抗氧化性能

3.1.3 莫来石涂层抗氧化机制分析

3.2 硅酸钇涂层的制备与抗氧化性能

3.2.1 硅酸钇的合成

3.2.2 硅酸钇涂层的制备与抗氧化性能

3.2.3 硅酸钇涂层的抗氧化机制分析

3.3 本章小结

第四章 莫来石/硅酸钇复合涂层的抗氧化性能与机制

4.1 莫来石/硅酸钇复合涂层的制备

4.2 莫来石/硅酸钇复合涂层的抗氧化性能及机制研究

4.3 莫来石/硅酸钇复合涂层的热震性能及机制研究

4.4 本章小结

第五章 结论

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果