碳/碳复合材料SiC/莫来石高温抗氧化复合涂层的研究

摘要

碳/碳(C/C)是一种新型高温结构材料，广泛应用于航空、航天及民用工业。然而，C/C复合材料的低温氧化限制了它的应用。因此防氧化成为C/C复合材料高温有氧气氛下应用的前提条件。研究表明涂层技术将是解决C/C复合材料高温氧化问题有效的途径。本实验首先采用溶胶凝胶结合微波水热法成功制备了莫来石粉体，研究了原料、pH值、煅烧温度、微波水热温度、微波水热时间以及络合剂对莫来石相组成及形貌的影响。在制备莫来石粉体的基础上，采用水热电泳沉积法在SiC-C/C复合材料表面制备莫来石外涂层。借助X射线衍射仪(XRD)和带能谱的扫描电镜(SEM+EDS)等分析手段研究了工艺因素对涂层物相组成和显微结构的影响，对涂层的抗氧化性能及失效机理进行了分析。主要研究内容和成果如下。
　　 以正硅酸乙酯(TEOS)、无机铝盐(AlCl3·6H2O和Al(NO3)3·9H2O)为主要原料，采用溶胶凝胶法成功制备了莫来石纳米粉体。结果表明：Al(NO3)3·9H2O为Al源时，比AlCl3·6H2O容易制备出纯相的莫来石粉体。热分析显示莫来石的开始形成温度为1250℃，但要制备纯相的莫来石粉体，后处理温度要达到1300℃。前驱液pH值对粉体的相组成和形貌有很大的影响。随着pH值的减小，莫来石粉体的纯度增加，相貌由片状向棒状和粒状转变。当pH=3时，可获得单一物相的莫来石粒状微晶。
　　 采用微波水热法对前驱体干凝胶进行处理，通过煅烧成功制备了莫来石粉体。微波水热温度的升高和微波水热时间的延长，可以降低莫来石粉体的合成温度，对莫来石粉体的形貌也有较大影响。随着微波水热温度的升高，所得粉体逐渐由块状结构向颗粒状结构转变。随着微波水热时间的延长，所得粉体逐渐由片状结构向针状结构转变。所制备的粉体团聚减少，粒径减小，分散性增强。络合剂的加入，可以制备出不同形貌的莫来石粉体。
　　 采用水热电泳沉积法在C/C-SiC复合材料表面制备了莫来石外涂层。分析了莫来石粉体在悬浮液中的荷电机理，莫来石是由于吸附I2和异丙醇反应生成的[H+]而带正电，利用电场的作用使莫来石粉体沉积在SiC-C/C试样表面形成涂层。水热沉积电压、温度及沉积时间对外涂层的结构和抗氧化性能有较大的影响。最佳的制备工艺参数为沉积电压180V，沉积温度120℃，沉积时间15min。在此工艺条件下制备的莫来石外涂层的厚度约为108μm，可以在1500℃下有效保护C/C复合材料长达172h，试样的氧化失重仅为1.65％，单位面积的氧化失重率仅为3.76×10-3g/cm2，相应的氧化速率为2.30×10-5g/cm2.h。
　　 涂层在氧化过程中，首先氧气通过莫来石外涂层的缺陷与SiC内涂层反应生成一层硅酸盐玻璃层。然后，这层玻璃层不断溶解莫来石外涂层，最终得到一层较厚的玻璃膜。玻璃膜在氧化过程中不断挥发，导致氧气渗入基体与C/C复合材料发生反应放出气体，气体的逸出在玻璃膜上产生气孔。同时，试样在室温到高温的不断热震下，产生了贯穿性裂纹。这些裂纹和孔洞提供了氧气进入基体的直接通道，最终导致了涂层的失效。