SiC晶须增韧硅化物及SiC/玻璃高温防氧化涂层的研究

摘要

炭/炭(C/C)复合材料具有优异的高温性能，在航空航天等领域有极其广阔的应用前景。高温易氧化是C/C复合材料作为热结构材料使用的瓶颈问题，而防氧化涂层是解决这一难题的有效手段。本文以研制C/C复合材料高温防氧化涂层为研究目标，采用包埋法、料浆法等制备了SiC晶须增韧硅化物涂层以及SiC/玻璃双层涂层，借助XRD、SEM、EDS等测试手段分析了涂层的相组成、微观形貌与元素分布，考察了涂层的防氧化与抗热震性能，研究了热震与氧化对涂层试件力学性能的影响，并对涂层的防氧化机理与失效原因进行了研究，主要研究内容与结果如下： 采用两次包埋法制备出SiC-CrSi<,2>双相涂层，研究了该涂层的微观结构及防氧化性能，着重探讨了Si/Cr比对涂层微观结构及抗氧化性能的影响，表明CrSi连续相有效填充了SiC涂层中的孔隙与裂纹，提高了涂层的致密性；随着包埋原料中Cr/Si质量比的增大，涂层中SiC含量逐渐减少，CrSi<,2>连续相含量增加，裂纹尺寸增大；防氧化能力表现出先提高后降低的趋势。 采用料浆法与包埋法制备出SiC晶须增韧SiC-CrSi<,2>涂层，研究了SiC晶须含量对涂层微观结构、抗氧化性能及抗热震性能的影响；讨论了SiC晶须增韧SiC/Si-Cr涂层试件在不同温度下的氧化行为，并对涂层的氧化失效机制进行了分析，结果表明：随着料浆中SiC晶须含量的增加，制备的SiC晶须增韧SiC-CrSi<,2>涂层裂纹尺寸减小，厚度降低，涂层中CrSi<,2>相含量先增后减，涂层防氧化能力表现出先提高后下降的趋势；当SiC晶须含量为15wt.％时，涂层具有较好的防氧化与抗热震性能，且该涂层在1500℃时表现出相对较好的防氧化能力，氧化50小时后涂层试件失重率仅为0.66％；涂层试件的氧化失重主要是由于在高温H室温的热循环过程中氧通过涂层中的裂纹扩散至基体表面氧化C/C所引起的。 采用料浆法与包埋法制备出SiC晶须增韧Si-SiC涂层，着重研究SiC晶须含量对涂层微观结构、抗氧化性能及抗热震性能的影响；并对涂层制备工艺进行了优化，研究SiC晶须增韧Si-SiC涂层试件热疲劳行为，分析涂层的氧化失效机制，结果表明：涂层中游离硅的存在有利于阻碍裂纹的扩展，在涂层与基体界面处形成了一层SiC-C梯度过渡层；SiC晶须含量为10wt.％制备的SiC晶须增韧Si-SiC涂层具有优良的防氧化性能，在1500℃静态空气中可对C/C复合材料有效保护310小时以上，在1600℃静态空气中可对C/C复合材料有效保护128小时；涂层试件经历1600℃静态空气3分钟100℃沸水热循环50次后试件失重2.76％，弯曲强度保持率为74.5％，其失重和弯曲强度下降是由于C/C基体被氧气和水蒸气氧化引起的。 采用料浆法与包埋法相结合，在C/C复合材料表面制备出SiCw晶须增韧MoSi<,2>-SiC-Si多相涂层，探讨了晶须含量、制备温度等对涂层微观结构及防氧化性能的影响规律，研究了涂层对试件力学性能的影响，结果显示：当SiCw含量为10wt.％，料浆法制备温度为1800℃，包埋法制备温度为2000℃所制备的涂层具有较为理想的防氧化性能，1500℃静态空气中氧化240小时后的氧化失重率仅为0.33％；试件的弯曲强度提高，经1500℃室温热震10次以及1500℃氧化60分钟后，涂层试件的弯曲强度保持率分别为81.97％和89.63％，涂层试件氧化后弯曲强度下降主要是由于环境中的氧通过涂层中的裂纹与孔洞等缺陷扩散而氧化C/C基体所引起的。采用两次包埋法制备出B<,2>O<,3>改性SiCw-MoSi<,2>-SiC涂层，研究了B<,2>O<,3>含量对涂层性能的影响，结果表明，当B<,2>O<,3>含量为5％时，涂层具有较好的防氧化能力，经1500℃氧化242小时后试件增重0.18％。该涂层在1600℃→400℃变温氧化阶段防氧化能力较差的原因是涂层在800℃附近存在尺寸较大的开放性裂纹。 以硅溶胶为粘结剂，以B<,4>C和玻璃粉为主要原料，采用料浆法在C/C复合材料SiC内涂层表面制备出适用于900℃防氧化的玻璃外涂层，研究了B<,4>C含量及SiC内涂层结构对涂层性能的影响，分析了涂层的防氧化失效原因，结果显示：B<,4>C含量为10wt．％以及SiC内层为采用两步包埋法制备的致密涂层时，SiC/玻璃涂层具有较好的防氧化性能，试件在900℃静态空气中氧化100小时后失重率仅为0.14％，玻璃涂层在氧化温度下的缓慢挥发是涂层试件在氧化过程中表现为微量失重的主要原因。 采用料浆法在多孔β-SiC过渡层表面制备出适用于1300℃防氧化的玻璃密封层，研究了涂层的微观结构及防氧化性能，分析了涂层氧化失效机制。密封层的结构为MoSi<,2>相分散于硼硅酸盐玻璃相中;带有β-SiC/玻璃密封层的C/C试件在1300℃的静态空气中氧化150小时以及经20次1300℃→室温急冷急热循环后，涂层试样的氧化失重率仅为1.07％；涂层试件的氧化主要是由于氧通过涂层中的裂纹扩散至基体表面而氧化基体，以及部分区域的涂层脱落所引起的。 直接以SiO<,2>、B<,2>O<,3>、Al<,2>O<,3>等为原料，采用料浆法在C/C复合材料SiC内涂层表面制备出适用于1500℃防氧化的玻璃涂层，研究了涂层的微观结构及防氧化性能，分析了涂层氧化失效机制。该涂层可在1500℃空气中对C/C复合材料有效保护140小时，试样失重率仅为0.98％；该涂层试件的氧化失重主要是玻璃涂层的开裂以及涂层表面气孔的形成引起的。 分别对SiC晶须增韧Si-SiC/玻璃涂层及SiC晶须增韧MoS<,2>-SiC-Si/SiC/玻璃涂层的高温抗冲刷性能进行了研究，结果表明，以上两种涂层可在1500℃风洞环境下对C/C复合材料有效保护16和53小时，涂层在热冲击以及气流冲击的恶劣环境下的开裂是其在高温燃气冲刷环境中防氧化失效的主要原因。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1引言

1.2 C/C复合材料的氧化及防氧化方法

1.2.1 C/C复合材料的氧化过程

1.2.2 C/C复合材料的防氧化方法

1.3对C/C复合材料抗氧化涂层研究的展望

1.4本文的选题依据

1.5本论文的主要研究内容和研究方案

1.5.1主要研究内容

1.5.2研究方案

1.6本论文取得的主要创新成果

第2章实验方法

2.1引言

2.2实验原材料

2.2.1 SiC晶须增韧硅化物涂层的原材料

2.2.2在SiC涂层表面制备硼硅酸盐玻璃涂层的原材料

2.3实验设备

2.4涂层的制备方法

2.4.1料浆法制备多孔的SiC晶须增韧SiC涂层

2.4.2包埋法填充涂层中的孔隙

2.4.3涂刷法制备玻璃涂层

2.5涂层试件的性能测试

2.5.1氧化性能测试

2.5.2热震性能测试

2.5.3力学性能测试

2.5.4抗冲刷性能测试

2.6涂层的表征

2.7本章小结

第3章SiC晶须增韧SiC-CrSi2涂层研究

3.1引言

3.2 SiC-CrSi2涂层研究

3.2.1 SiC-CrSi2涂层的制备

3.2.2 SiC-CrSi2涂层的微观结构

3.2.3 SiC-CrSi2涂层的抗氧化性能

3.2.4 SiC-CrSi2涂层的氧化失效机理

3.3 SiC晶须增韧SiC-CrSi2涂层研究

3.3.1 SiC晶须增韧SiC-CrSi2涂层的制备

3.3.2 SiC晶须增韧SiC-CrSi2涂层的微观结构

3.3.3 SiC晶须增韧SiC-CrSi2涂层的防氧化性能

3.4本章小结

第4章SiC晶须增韧Si-SiC涂层研究

4.1引言

4.2涂层的制备

4.3 SiC晶须增韧Si-(β-SiC)涂层研究

4.3.1SiC晶须增韧Si-(β-SiC)涂层的微观结构

4.3.2 SiC晶须增韧Si-(β-SiC)涂层的防氧化性能

4.4 SiC晶须增韧Si-(α-SiC)涂层研究

4.4.1 SiC晶须增韧Si-(α-SiC)涂层的微观结构

4.4.2 SiC晶须增韧Si-(α-SiC)涂层的防氧化性能

4.4.3 SiC晶须增韧Si-(α-SiC)涂层的抗热震性能研究

4.4.4热震对SiC晶须增韧Si-(α-SiC)涂层试件力学性能的影响

4.5本章小结

第5章SiC晶须增韧MoSi2-SiC-Si涂层研究

5.1引言

5.2 MoSi2-SiC-Si玻璃涂层研究

5.2.1涂层的制备

5.2.2涂层的微观结构

5.2.3涂层的防氧化性能

5.3 SiC晶须增韧MoSi2-SiC-Si涂层研究

5.3.1涂层的制备

5.3.2涂层的相组成

5.3.3 SiC晶须含量对涂层微观结构及防氧化性能的影响

5.3.4制备温度对涂层防氧化性能的影响

5.3.5 SiC晶须增韧MoSi2-SiC-Si涂层的微观结构

5.3.6热震与氧化对涂层力学性能的影响

5.4 B2O3改性SiC晶须增韧MoSi2-SiC涂层研究

5.4.1涂层的制备

5.4.2涂层的微观结构

5.4.3涂层的防氧化性能

5.5本章小结

第6章SiC/玻璃涂层研究

6.1引言

6.2适用于900℃防氧化的SiC/玻璃涂层研究

6.2.1涂层的制备

6.2.2涂层的微观结构

6.2.3涂层的防氧化性能

6.3适用于1300℃防氧化的SiC/玻璃涂层研究

6.3.1涂层的制备

6.3.2涂层的微观结构

6.3.3涂层的防氧化性能

6.4适用于1500℃防氧化的SiC/玻璃涂层研究

6.4.1涂层的制备

6.4.2涂层的防氧化性能

6.4.3涂层的微观结构

6.5本章小结

第7章涂层C/C复合材料的抗高温冲刷性能研究

7.1引言

7.2涂层C/C复合材料试样的制备

7.3涂层C/C复合材料高温风洞试验方法

7.4涂层试样抗高温冲刷性能

7.4.1 SiC晶须增韧Si-SiC涂层试样抗高温冲刷性能研究

7.4.2 SiCw-MoSi2-SiC-Si/CVD-SiC/玻璃涂层试样抗高温冲刷性能

7.5本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

致谢