C/C复合材料表面化学气相沉积SiCw/SiC涂层的研究

摘要

SiC优异的高温性能使其成为碳/碳(C/C)复合材料高温抗氧化涂层的首选。然而，SiC和C/C复合材料基体之间热膨胀系数不匹配，导致SiC涂层的防护能力大打折扣。本文对在C/C复合材料表面引入SiCw涂层进行了系统地研究，通过常压化学气相沉积(CVD)在C/C复合材料表面催化生长碳化硅晶须(SiCw)及制备SiCw/SiC涂层，借助SEM、XRD、XPS、MTC分析了涂层的微观形貌、组织结构与截面力学性能，并与无SiCw内涂层的SiC涂层进行了比较，同时，对SiCw/SiC涂层的制备及防氧化能力受C/C复合材料基体密度的影响进行了研究，主要研究内容与结果如下:
　　 在C/C复合材料基体上浸渍金属盐，研究了浸渍催化剂种类(Fe、Co、Ni)、催化剂含量、沉积温度和α=QH2/QMTS对催化生长SiCw涂层的影响，结果表明，浸渍Ni盐的C/C基体比Co和Fe生成的SiCw整体层结构更好;Ni盐的引入提高了SiC的沉积效率，而且随Ni盐加载量的增加，沉积总量趋于稳定，SiCw直径减小，长径比增加;同时，Ni催化加快了低温段的沉积速率，使沉积效率提高了2-3倍。当α大于等于10时，催化生长出高长径比的SiC纳米晶须;α为10时SiCw的产率是最高的。
　　 在C/C复合材料上制备SiC涂层和SiCw/SiC，并研究了C/C复合材料基体密度对沉积及抗氧化性能的影响，结果表明，SiCw不仅可促成SiC等轴颗粒的细化和裂纹宽度减小，而且可促成涂层的织构发生改变;同时，SiCw处的孔洞使得内层SiC涂层硬度低于外层，整个SiC涂层的硬度和弹性模量也降低了。低密度基体(1.2±0.1g/cm3)上催化制备SiCw涂层，沉积效率得到了改善、饱和增重率得到了提高。同时裂纹也得到了抑制。因此，SiCw涂层的引入改善了该基体上SiC涂层在1200℃的氧化防护能力。此外，对比不同密度的基体，催化并未改变基体本身的孔隙形态，加载前后的吸附曲线的类型是相同的。低密度基体的孔隙多，内壁能够附着的催化剂也多，因而比表面减少的也较多。同时，低密度试样的沉积效率高，生长的SiCw直径较粗，SiCw涂层的厚度较大，其影响的区域也较大，更能够有效改善外层SiC涂层与基体的结合性能，因而在1500℃的氧化防护能力也较好。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 前言

1．2 C／C复合材料的涂层防护

1．2．1 防护涂层的研究进展

1．2．2 防护涂层应具备的基本功能

1．2．3 涂层改性方法

1．3 SiC涂层材料

1．3．1 SiC的晶体结构与物理特性

1．3．2 SiC的氧化与热震

1．3．3 SiC涂层的制备方法

1．4 SiCw

1．4．1 SiCw的生长机制

1．4．2 SiCw的强韧化机制

1．5 研究目的与研究内容

1．5．1 研究目的

1．5．2 研究内容

第二章 实验方法

2．1 前言

2．2 实验原材料

2．2．1 C／C复合材料基体的预处理

2．2．2 C／C复合材料基体加载催化剂

2．2．3 制备SiCw涂层及SiC涂层的原材料

2．2．4 MTS流量的控制

2．3 实验设备

2．4 制备方法

2．4．1 CVD法制备SiCw涂层

2．4．2 CVD法制备SiC涂层

2．5 涂层的表征

2．5．1 增重率的表征

2．5．2 微观形貌、物相及催化剂状态的表征

2．6 涂层的性能测试

2．6．1 涂层力学性能实验

2．6．2 抗氧化实验

第三章 SiCw涂层的制备

3．1 前言

3．2 SiCw涂层制备的工艺参数设置

3．3 Fe、Co、Ni盐的影响

3．4 Ni盐加载量的影响

3．5 Ni盐催化随沉积温度的影响

3．6 Ni盐催化随α=QH2/QMTS值的影响

3．7 本章小结

第四章 SiCw／SiC涂层的制备与表征

4．1 前言

4．2 SiCw／SiC涂层制备

4．3 涂层的形貌及物相

4．4 SiCw／SiC涂层后催化剂的分布状态

4．5 涂层截面的力学性能

4．6 本章小结

第五章 C／C复合材料密度对SiCw／SiC涂层制备的影响

5．1 前言

5．2 低密度C／C复合材料(1．2±0．1g／cm3)沉积SiCw／SiC涂层及在1200℃下氧化

5．2．1 低密度C／C复合材料沉积SiCw／SiC涂层

5．2．2 SiCw／SiC涂层在1200℃下的氧化

5．3 高、低密度的C／C复合材料沉积SiCw／SiC涂层及在1500℃下氧化

5．3．1 C／C复合材料加载催化剂前后的比表面及孔径分布

5．3．2 不同基体密度对SiCw／SiC涂层沉积的影响

5．3．3 SiCw／SiC涂层在1500℃下的氧化

5．4 本章小结

六章 结论及展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文