碳/碳复合材料氧化硼和单质硼改性硅酸盐抗氧化涂层的制备与性能研究

摘要

碳/碳(C/C)复合材料是一种碳纤维增强碳基体的新型复合材料。因其优异的高温性能，C/C复合材料在航空航天等高温应用领域被认为是最有前景的材料。它有许多优异的性能，如低密度，高比强，良好的抗热震性能，尤其是其在高温下还能保持良好的机械性能。但是只要环境温度超过723 K，材料就会被氧化，这就限制了C/C复合材料的应用。
　　抗氧化涂层是一种良好的解决这一问题的选择。但是，现阶段研究较成熟的大多数抗氧化涂层都是硅基涂层，在一个较高的服役温度下，涂层中的硅化物可以与氧气反应生成SiO2，SiO2熔化成为有良好流动性的玻璃相可以封填涂层中的缺陷，从而达到保护基体的目的。但是，在中低温温度下，SiO2玻璃相粘度增加，流动性较差，就不能有效的提供防护。如何解决这个问题，就成了拓宽了涂层抗氧化温度范围的关键。氧化硼玻璃相有较低的熔点，可以在中温阶段治愈涂层中的缺陷，本论文通过在硅酸盐涂层中加入氧化硼或硼单质，来提高涂层在中温阶段的抗氧化性能。用脉冲电弧放电沉积法（Pulse arc discharge deposition，简称PADD）分别成功制备了B2O3-ZrSiO4和Mo Si2/SiO2-B2O3-Al2O3涂层，用热浸渍法制备了B-Y2SiO5/Y2Si2O7涂层，对涂层的晶相组成、微观形貌和结构采用XRD、SEM和EDS进行了分析测试，并测试了涂层的抗氧化性能，得出如下结论:
　　用PADD法在SiC-C/C试样表面制备了B2O3-ZrSiO4涂层，研究了主要工艺因素（脉冲电压、水热温度）和涂层中B2O3的含量对涂层结构与性能的影响。最佳工艺为:脉冲电压400 V，水热温度100℃，B2O3的含量为10 wt％。涂层厚度为180μm，制备的试样在1500℃温度下氧化170 h后失重为1.42％，在800℃温度下氧化170 h后失重为0.98％。失效的原因主要是ZrSiO4的熔点过高，B2O3的挥发过快。为了解决这一问题，用PADD法在SiC-C/C试样表面制备了 MoSi2/SiO2-B2O3-Al2O3涂层，在中温阶段，采用B2O3玻璃相来治愈缺陷，在高温段，则采用SiO2-B2O3-Al2O3形成的高硼硅玻璃治愈缺陷。制备的MoSi2/SiO2-B2O3-Al2O3涂层厚度为150μm，在1500℃氧化200 h后失重为0.7％，在800℃氧化200 h后几乎没有失重，并且在氧化过程中有增重现象，最大增重为0.3％。在1500℃和室温热震50次之后试样失重仅为0.8％。
　　采用热浸渍法在SiC-C/C试样表面制备了B-Y2SiO5/Y2Si2O7涂层，研究了主要工艺因素（热浸渍温度、硅溶胶浓度）涂层结构与性能的影响。最佳工艺为:热浸渍温度250℃，料浆中硅溶胶与水的体积比为1∶3。在最佳工艺条件下制备的B-Y2SiO5/Y2Si2O7涂层试样厚度约为180μm，在1500℃温度下200 h氧化之后失重仅为1.55％，在800℃温度下200 h的氧化之后试样失重仅为0.55％。
　　在硅酸盐涂层中加入一定量氧化硼或单质硼后，可以在中温阶段对涂层有较好的防护，而又不影响涂层高温防护性能，拓宽了复合涂层的防护温度范围。

目录

摘要

1 引言

1．1 C／C复合材料

1．1．1 C／C复合材料的发展概况

1．1．2 C／C复合材料的性能与应用

1．2 C／C复合材料防氧化涂层

1．2．1 C／C复合材料防氧化技术

1．2．2 C／C复合材料防氧化涂层体系

1．3 C／C复合材料防氧化涂层领域的发展趋势

1．4 单质硼和硼化物在抗氧化涂层中的应用

1．5 脉冲电弧放电沉积法

1．6 热浸渍法

1．7 本论文研究内容及创新点

2 实验

2．1 实验试剂和实验仪器

2．1．1 药品与试剂

2．1．2 仪器与设备

2．2 实验原料的准备

2．2．1 B2O3-ZrSiO4涂层粉料的准备

2．2．2 MoSi2／SiO2-B2O3-Al2O3涂层粉料的准备

3．3 SiC内涂层的准备

2．4 脉冲电弧放电法制备外涂层的工艺流程

2．4．1 脉冲电弧放电沉积法的简介及原理

2．4．2 制备工艺及流程

2．5 热浸渍法制备外涂层的工艺流程

2．5．1 浸渍法的简介与原理

2．5．2 制备工艺及流程

2．6 试样的表征和测试

2．6．1 物相分析

2．6．2 涂层的微观结构和成分分析

2．6．3 涂层保护性能测试

3 B2O3改性涂层的研究

3．1 引言

3．2 B2O3改性ZrSiO4涂层的制备与性能研究

3．2．1 B2O3-ZrSiO4／SiC-C／C试样的制备

3．2．2 脉冲电压对B2O3-ZrSiO4涂层结构及性能的影响

3．2．3 水热温度对B2O3-ZrSiO4涂层结构及性能的影响

3．2．4 不同B2O3含量对涂层抗氧化性能的影响

3．2．5 最佳工艺条件下制备的B2O3-ZrSiO4涂层的结构与性能

3．3 MoSi2／SiO2-B2O3-Al2O3涂层的制备与性能研究

3．3．1 MoSi2／SiO2-B2O3-Al2O3涂层的制备

3．3．2 MoSi2／SiO2-B2O3-Al2O3涂层的结构与性能测试

3．4 本章小结

4 单质B改性涂层的研究

4．1 引言

4．2 B-Y2SiO5／Y2Si2O7涂层制备与性能研究

4．2．1 Y2SiO5／Y2Si2O7混合硅酸钇的制备

4．2．2 B-Y2SiO5／Y2Si2O7外涂层的制备

4．3 结果与讨论

4．3．1 热浸渍温度对B-Y2SiO5／Y2Si2O7涂层微观结构与性能的影响

4．3．2 料浆中不同硅溶胶浓度对B-Y2SiO5／Y2Si2O7涂层微观结构与性能的影响

4．3．3 最佳工艺条件下制备的B-Y2SiO5／Y2Si2O7外涂层结构与性能分析

4．4 本章小结

5 结论

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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