化学气相沉积法制备ZrO2涂层的显微结构与性能研究

摘要

C/C复合材料具有一系列优异的性能，是一种理想的航天航空高温材料，然而随着更大载荷、更大推力、更高燃气温度及更远射程的航天器的发展，对其关键部件所用的C/C复合材料的抗烧蚀性能要求也随之提高。
　　 本文采用常压化学气相沉积(APCVD)的方法，使用ZrCl4-H2-CO2-Ar反应体系，在不同的工艺条件下制备了氧化锆(ZrO2)涂层。具体研究内容包括:对化学气相沉积ZrO2涂层进行热力学计算预测;研究不同工艺参数（沉积温度、氢气流量、沉积位置、不同基体等）对化学气相沉积ZrO2涂层沉积速率及沉积均匀性的影响;研究不同工艺参数（沉积温度、氢气流量、不同基体等）对于ZrO2涂层微观结构特征的影响;研究典型化学气相沉积ZrO2涂层微观力学性能与界面结合力等;研究典型ZrO2涂层及含ZrO2涂层复合涂层的烧蚀性能与烧蚀机理。主要结论如下:
　　 (1)热力学计算表明，采用ZrCl4-H2-CO2-Ar反应体系化学气相沉积ZrO2的最低温度为816℃。随着温度的升高，反应平衡常数增大，有利用固相ZrO2的生成。
　　 (2)采用化学气相沉积温度1300℃，氢气流量400ml/min，非连续沉积工艺参数可获得结合紧密的柱状晶型ZrO2涂层，同时涂层沿气流方向的沉积均匀性较好。
　　 (3)由于底层碳化物的表面活性不同， ZrO2涂层在SiC底层的沉积厚度大于在ZrC底层的沉积厚度，且ZrO2涂层与SiC底层的结合优于和与ZrC底层的结合。微米划痕测试后，ZrO2/SiC涂层C/C样品划痕处表面光滑，而ZrO2/ZrC涂层C/C样品划痕处表面粗糙。
　　 (4)单独使用ZrO2单层涂层、ZrO2+C单层复合涂层的烧蚀性能不佳;ZrO2/ZrC双层涂层的烧蚀性能明显优于ZrO2/SiC双层涂层。ZrO2涂层在烧蚀过程中的失效机理主要包括近稳态烧蚀过程中热物理烧蚀、热化学烧蚀、机械剥蚀以及冷却过程中热应力引起的脱落。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 C／C材料的烧蚀机理

1．1．1 C／C材料的热化学烧蚀

1．1．2 C／C复合材料的机械剥蚀机理

1．2 提高C／C材料抗烧蚀性能的途径

1．2．1 基体改性

1．2．2 涂层技术

1．3 氧化锆涂层

1．3．1 氧化锆的性质

1．3．2 氧化锆涂层在C／C复合材料中的应用进展

1．3．3 氧化锆涂层的制备方法

1．4 研究目的、研究内容及研究方案

1．4．1 研究目的

1．4．2 论文主要研究内容

1．4．3 研究方案

第二章 化学气相沉积ZrO2涂层的热力学分析与实验方法

2．1 化学气相沉积ZrO2涂层反应热力学分析

2．1．1 ZrCl4-H2-CO2-Ar体系的热力学分析

2．1．2 ZrCl4-ZrC-CO2-Ar体系的热力学分析

2．1．3 ZrCl4-SiC-CO2-Ar体系的热力学分析

2．2 实验方法

2．2．1 反应设备

2．2．2 反应原材料

2．2．3 内部涂层的制备

2．3 涂层检测方法与检测设备

2．3．1 X射线衍射分析

2．3．2 SEM表面形貌及组织结构分析

2．3．3 能谱分析

2．3．4 微观力学性能测试

2．3．5 烧蚀性能测试

第三章 化学气相沉积ZrO2涂层的沉积速率与沉积均匀性

3．1 沉积速率及沉积均匀性的确定

3．2 温度对化学气相沉积ZrO2沉积速率及沉积均匀性的影响

3．3 氢气流量对化学气相沉积ZrO2的沉积速率及沉积均匀性的影响

3．4 沉积基体对化学气相沉积ZrO2沉积速率及沉积均匀性的影响

3．5 沉积流程对化学气相沉积ZrO2沉积速率及沉积均匀性的影响

3．5．1 连续沉积及非连续沉积流程的定义

3．5．2 沉积速率及沉积均匀性的计算

3．6 工艺参数对化学气相沉积ZrO2涂层沉积速率及沉积均匀性的影响机理

3．7 本章小结

第四章 化学气相沉积ZrO2及其复合涂层的显微结构特征

4．1 化学气相沉积ZrO2涂层的显微结构特征

4．1．1 温度对化学气相沉积ZrO2涂层显微结构特征的影响

4．1．2 氢气流量对化学气相沉积ZrO2涂层微观结构影响

4．1．3 不同基体对化学气相沉积ZrO2涂层的微观结构的影响

4．1．4 沉积流程对化学气相沉积ZrO2涂层涂层的微观结构的影响

4．1．5 化学气相沉积ZrO2涂层的表面过程机理

4．2 ZrO2+C单层复合涂层的显微结构特征

4．3 本章小结

第五章 化学气相沉积ZrO2涂层的微观力学性能与界面结合力

5．1 化学气相沉积ZrO2涂层的微观力学性能的测定

5．2 化学气相沉积ZrO2涂层的界面结合力

5．3 本章小结

第六章 化学气相沉积ZrO2及其复合涂层的烧蚀性能

6．1 ZrO2涂层及其复合涂层的烧蚀性能

6．2 ZrO2涂层及其复合涂层烧蚀后的显微结构特征

6．3 ZrO2及其复合涂层的烧蚀机理

6．4 本章小结

第七章 研究结论

参考文献

致谢

攻读学位期间主要的研究成果