碳/碳复合材料抗氧化涂层水热电沉积新技术研究

摘要

碳/碳(C/C)复合材料是一种能在超高温条件下工作的高温结构材料，在航空航天领域具有广阔的应用前景。防氧化是碳/碳复合材料在高温有氧气氛下应用的前提条件，到目前为止作为航空关键部位的热结构材料的长时间防氧化并未取得突破性进展。本文先是进一步优化了包埋法制备SiC内涂层的工艺配方，并测试了其高温抗氧化性能；之后重点研究了水热电解沉积硅酸钇外涂层和水热电泳沉积Y<,2>SiO<,5>+Y<,2>Si<,2>O<,7>复相外涂层时工艺因素的影响，采用XRD、SEM、结合力测试和氧化性能测试等分析手段研究了涂层的显微结构和性能。主要研究内容和成果如下： 以Si粉、C粉和少量添加剂(A、B1、B2、M1、M2和S3)为渗料，采用包埋法制备SiC涂层。重点分析了A+B1涂层的结构和失效机理。在SiC涂层(A+B1)表面涂敷玻璃层后，对涂层试样进行了1500℃下的风洞冲刷试验。结果表明：二次包埋法制备的SiC涂层试样的抗氧化性能均优于一次包埋法制备的涂层试样，尤其A+B1涂层试样在1500℃下静态氧化200h后，失重仅为4.42×10<'-4>g·cm<'-2>。A+B1涂层由颗粒状SiC和与之紧密结合的熔融Si构成，在1500℃长时间静态氧化后，涂层中孔洞增加，高粘度的玻璃层在高温下不断消耗来不及填充孔洞而导致涂层失效。在SiC涂层(A+B1)表面涂敷玻璃层后的涂层C/C试样在1500℃的风洞(风速190.7m/s)中氧化58h后，失重仅为1.466％。采用水热电解方法在C/C基体表面制备硅酸钇涂层，主要研究了水热电解温度和电流密度特别是电解液pH值对涂层结构的影响，对涂层的结合强度进行了测试并分析了涂层的沉积机理。初步在C/C-SiC基体表面制备硅酸钇涂层，分析表征了涂层的结构和结合强度以及抗氧化性能。结果表明：当电解液pH值为1/5～2.5、水热电解温度为150～250℃、电流密度为0.5～1.5A/cm<'2>时，在C/C基体表面制备的涂层包含Y<,2>SiO<,5>、Y<,2>Si<,2>O<,7>和Y<,4>Si<,3>O<,12>三种晶相，涂层的结合力为5.8～9.3MPa。同样条件下在C/C-SiC基体表面获得的涂层由针片状硅酸钇晶体构成，涂层的结合力可达15MPa左右，涂层C/C试样在1500℃静态氧化下可以被有效保护5h左右。 采用声化学沉淀法制备硅酸钇粉体，主要研究了起始溶液组成、温度和矿化剂含量对制备粉体结构的影响。配置了电导率高且分散稳定的硅酸钇悬浮液，采用水热电泳沉积法在C/C-SiC基体表面制备Y<,2>SiO<,5>+Y<,2>Si<,2>O<,7>复相外涂层，重点研究了电场强度和水热电泳温度对涂层的影响，分析表征了涂层的结合强度和抗氧化性能。结果表明：控制起始溶液体系中Y：Si：OH(摩尔比)分别为4：2：8、4：3：6和4：4：4，矿化剂LiF的含量分别为2.5％、2.5％和1.5％，采用声化学方法所得沉淀经1100℃、1000℃和900℃保温2h处理后，即可分别合成Y<,2>SiO<,5>、Y<,4.67>(SiO<,4>)<,3>O和Y<,2>Si<,2>O<,7>三种纳米晶；合成的三种硅酸钇粉体的颗粒尺寸分别为40～55nm、50～65nm和25～40nm。调整硅酸钇悬浮液浓度为20g/L，碘含量为0.6g/L，电场强度为70～80V/cm，在60～150℃温度下水热电泳沉积10min后，可以在C/C-SiC基体表面获得以Y<,2>Si<,2>O<,7>和Y<,2>SiO<,5>为主相的硅酸钇涂层。涂层与基体的结合力可达20MPa左右，涂层C/C试样在1500℃静态氧化下可以被有效保护10h左右，失重为1.8％。复相硅酸钇涂层的沉积受硅酸钇带电颗粒在悬浮液中扩散机制所控制，涂层沉积的激活能为17.8kJ/mol。

目录

文摘

英文文摘

声明

引言

第1章绪论

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复合材料在航空、航天方面的应用

1.2 C/C复合材料的氧化

1.3 C/C复合材料的防氧化技术

1.3.1 C/C复合材料的抗氧化改性技术

1.3.2 C/C复合材料表面防氧化涂层

1.4本论文的主要研究内容

第2章包埋法制备C/C复合材料抗氧化SiC内涂层的研究

2.1引言

2.2 SiC内涂层的制备与性能研究

2.2.1涂层的制备

2.2.2涂层的表征及性能测试

2.3结果与讨论

2.3.1涂层的抗氧化性能

2.3.2涂层的晶相结构

2.3.3涂层的显微结构

2.3.4涂层的失效机理分析

2.4 SiC涂层C/C复合材料的抗高温冲刷性能

2.5本章小结

第3章水热电解沉积制备硅酸钇外涂层

3.1引言

3.1.1硅酸钇的结构特点及物理化学特性

3.1.2硅酸钇高温抗氧化涂层体系研究进展

3.1.3硅酸钇高温抗氧化涂层的制备

3.2硅酸钇外涂层的制备及表征

3.2.1涂层的制备

3.2.2测试及表征

3.3结果与讨论

3.3.1水热电解温度对制备外涂层的影响

3.3.2电流密度对制备外涂层的影响

3.3.3电解液pH值对制备外涂层的影响

3.3.4水热电解沉积硅酸钇外涂层的结合强度

3.3.5水热电解沉积硅酸钇外涂层的机理分析

3.3.6在C/C-SiC基体表面水热电解沉积制备硅酸钇外涂层的初步探索

3.4本章小结

第4章水热电泳沉积制备硅酸钇外涂层

4.1引言

4.2涂层的制备及表征

4.2.1硅酸钇粉体的制备

4.2.2水热电泳沉积制备复相硅酸钇外涂层

4.2.3测试及表征

4.3结果与讨论

4.3.1声化学沉淀法制备硅酸钇粉体的影响因素分析

4.3.2水热电泳沉积制备复相硅酸钇外涂层的影响因素分析

4.3.3水热电泳沉积制备硅酸钇外涂层的结合强度

4.3.4水热电泳沉积制备硅酸钇外涂层的抗氧化性能

4.3.5水热电泳沉积制备复相硅酸钇外涂层的动力学分析

4.4本章小结

第5章结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文、申请专利及获奖