碳/碳复合材料SiC/C-AlPO4-莫来石高温抗氧化涂层的制备与性能研究

摘要

碳/碳复合材料具有许多优异的性能，比如质量轻、良好的抗热冲击性和优良的机械性能，C/C复合材料自身最大的优势在于其强度随温度的增加不降反升的性能。因此，C/C复合材料成为最有发展前途的复合材料，主要应用于航天飞行器的鼻锥和机翼前缘、盘式制动器和涡轮发动机等领域。然而C/C复合材料的氧化限制了其应用范围，因此对C/C复合材料的防氧化保护是其高温下应用的关键。研究表明，复合涂层技术被认为是在高温下保护C/C复合材料最有效的方法。本文以高温抗氧化涂层为研究目标，采用水热电泳沉积法分别制备了莫来石和C-AlPO4-莫来石外涂层以及采用脉冲电弧放电沉积法成功地制备了C-AlPO4外涂层，并采用XRD、SEM和氧化性能测试以及力学性能测试等分析手段对涂层的相组成、显微结构、性能以及防氧化与失效机理进行了研究。主要研究内容与结果如下。
　　 在前期科研人员优化工艺参数的条件下采用水热电泳沉积法在SiC-C/C试样表面制备了莫来石外涂层。研究了莫来石/SiC复合涂层C/C试样的氧化行为。结果表明:制备的莫来石/SiC复合涂层C/C试样在1773K的空气气氛中经历322h氧化后，单位面积的质量损失率为15.76×10-2g/cm2。莫来石/SiC复合涂层具有良好的抗热震能力，在经过100次热震后质量损失百分比仅为0.386％。在稳定氧化阶段内(1573-1773K)，涂层试样在该氧化温度范围内的氧化活化能为111.11KJ/mol，莫来石/SiC-C/C试样的氧化过程是一个受氧在致密玻璃层中的扩散速率所决定的过程。涂层的高温失效是由于在高温下长时间氧化后形成的玻璃层气化变薄，致使在涂层表面产生微孔和微裂纹，最终在SiC涂层和C/C基体结合处产生了贯穿性的氧化孔洞导致的。
　　 采用水热电泳沉积法在SiC-C/C试样表面制备致密性较好的C-AlPO4-莫来石外涂层。系统地研究了水热电泳沉积法制各C-AlPO4-莫来石复相涂层的影响因素，系统研究了工艺参数（悬浮液中碘含量、水热沉积电压、水热沉积温度、沉积时间、悬浮液固含量和C-AlPO4和莫来石粉体的组分比）对涂层的影响规律，得出防氧化性能最佳的涂层工艺为:碘含量CI=2g/L，水热沉积电压U=200V，水热沉积温度T=393K，沉积时间t=15min，固含量Cg=20g/L，C-AlPO4和莫来石粉体质量比Cp=4/6。最佳涂层技术下制备的C-AlPO4-莫来石复相涂层，在1773K的空气气氛中经历324h氧化后，单位面积的氧化质量损失率为15.76×10-2g/cm2。高温长时间氧化后涂层中出现不可愈合的孔洞等缺陷为氧提供了快速扩散的通道，最终导致了涂层抗氧化能力的下降。
　　 发明了一种制备防氧化涂层的新方法-脉冲电弧放电沉积法。采用此工艺成功制备了方石英型磷酸铝(C-AlPO4)外涂层，通过实验研究了脉冲电压、脉冲频率和脉冲占空比对涂层结构和性能的影响规律，得出防氧化性能最优的涂层工艺为:脉冲电压U=390V、脉冲频率f=1000Hz、脉冲占空比γ=30％。

目录

摘要

1 引言

1．1 C／C复合材料简介

1．1．1 C／C复合材料发展概况

1．1．2 C／C复合材料的性能及应用

1．2 C／C复合材料防氧化简介

1．2．1 C／C复合材料防氧化技术

1．2．2 C／C复合材料抗氧化涂层体系

1．3 C／C复合材料抗氧化涂层存在的问题及发展展望

1．4 本论文的主要研究内容及创新点

2 莫来石／SiC-C／C试样的氧化行为分析

2．1 引言

2．2 实验

2．2．1 SiC涂层的准备

2．2．2 莫来石／SiC复合涂层试样的制备

2．2．3 莫来石╱SiC复合涂层试样的表征及性能测试

2．2．4 莫来石／SiC复合涂层试样的相组成分析

2．2．5 莫来石／SiC复合涂层试样的微观形貌分析

2．3 莫来石／SiC-C／C试样抗高温氧化行为分析

2．3．1 莫来石╱SiC-C／C试样全温度段内氧化行为分析

2．3．2 莫来石／SiC-C／C试样防氧化保护能力分析

2．3．3 莫来石／SiC复合涂层试样的力学性能

2．3．4 莫来石／SiC复合涂层试样的热震性能

2．3．5 莫来石／SiC复合涂层试样氧化机理分析

2．3．6 莫来石／SiC复合涂层试样氧化动力学分析

2．4 小结

3 水热电泳沉积方法制备C-AlPO4-莫来石复相外涂层的研究

3．1 引言

3．1．1 水热电泳沉积技术原理

3．2 C-AlPO4-莫来石复相外涂层的制备及表征

3．2．1 实验原料和实验仪器

3．2．2 实验粉料的准备

3．2．3 C-AlPO4-莫来石悬浮液的配置

3．2．4 C-AlPO4-莫来石复相外涂层的制备

3．2．5 C-AlPO4-莫来石复相外涂层的制备流程

3．2．6 测试及表征

3．3 结果与讨论

3．3．1 悬浮液中碘含量对复合涂层结构及性能的影响

3．3．2 外涂层中C-AlPO4╱莫来石的晶相配比对复合涂层结构及性能的影响

3．3．3 水热沉积电压对复合涂层结构及性能的影响

3．3．4 水热沉积温度对复合涂层结构及性能的影响

3．3．5 沉积时间对复合涂层结构及性能的影响

3．3．6 悬浮液固含量对复合涂层显微结构的影响

3．3．7 最佳工艺参数下水热电泳沉积制备复合涂层显微结构分析

3．4 复合涂层的高温抗氧化性能及其氧化失效机理

3．5 本章小结

4 脉冲电弧放电沉积制备C-AlPO4外涂层的研究

4．1 引言

4．2 C-AlPO4外涂层的制备及表征

4．2．1 C-AlPO4╱SiC-C／C试样的制备

4．2．2 C-AlPO4／SiC复合涂层试样的表征及性能测试

4．3 结果与讨论

4．3．1 脉冲沉积电压对涂层显微结构及性能的影响

4．3．2 脉冲频率对涂层显微结构的影响

4．3．3 脉冲占空比对涂层显微结构及性能的影响

4．3．4 脉冲电弧放电沉积法制备C-AlPO4外涂层优化工艺参数的确定

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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