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碳/碳复合材料高温抗氧化涂层的研究进展
摘要：阐述了国内外近几年来碳/碳复合材料抗氧化涂层的研究新进展,并并从碳/碳复合材料的抗氧化涂层的基本条件以及抗氧化涂层类型等方面重点介绍了抗氧化涂层技术。最后指出了目前关于抗氧化涂层技术研究中存在的问题。
关键词：C/C复合材料;抗氧化涂层;研究进展
AdvancesinResearchonHighTemperatureAnti-oxidationCoatingsofC/CComposites
ABSTRACT:Researchprogressofhightemperatureanti-oxidationcoatingsofC/Ccompositesathomeandabroadhasbeenreported.Thetypesofanti-oxidationcoatingsofC/Ccompositesareemphasized.Theproblemsexistingintheoxidationresistancecoatingresearcharepointedout.
KEYWORDS:C/Ccomposite;anti-oxidationcoating;researchprogress.
1引言
碳/碳复合材料是炭纤维增强炭基体的新型复合材料,具有低密度(理论密度为2.2g/cm33,实际密度通常为1.75～2.10g/cm3)、低热膨胀系数(仅为金属的1/5～1/10)、高强度、高模量、耐高温、抗热震、抗热应力、抗裂纹传播、耐烧蚀、摩擦系数小等特点,尤其是它在1000～2300℃时强度随温度升高而升高,是理想的航空航天及其它工业领域的高温材料[1,2]。然而,碳在370℃的有氧气氛中开始氧化,高于500℃时迅速氧化,导致碳/碳复合材料毁灭性破坏。这一致命弱点限制了碳/碳复合材料的直接应用。因此,对用作高温热结构材料的碳/碳复合材料必须进行合适的抗氧化保护。目前碳/碳复合材料的抗氧化设计思路有两种[3]:(1)基体改性技术。(2)抗氧化涂层技术。由于基体改性技术防氧化效果十分有限,一般只能在1000℃以下,而且保护时间不长,再者会因为基体中引入盐类或陶瓷、金属类颗粒使碳/碳复合材料力学性能和热学性能下降。因此,高温抗氧化涂层技术的研究成为热点。本文仅就近年来国内外学者在碳/碳(C/C)复合材料高温抗氧化涂层技术领域的研究进展情况进行评述。
2抗氧化涂层的基本条件
C/C复合材料的抗氧化关键在于把易在高温下氧化的碳材料与氧化环境隔离开来。因此,设计可靠有效、耐长时间高温的抗氧化涂层必须具有以下基本条件[4-6]。
保证涂层均匀、致密、无缺陷,且具有高的熔点和自愈合能力。
基体与涂层要有适当的粘附性,既不脱粘又不过分渗透基体。最好是化学结合,不形成明显的界面。
涂层系统必须能够有效阻止氧向内侵入,即具有低的氧扩散率,并完好的包覆在C/C复合材料周围,阻止各种氧化性物质向基体内部扩散,引起次表面基体氧化。
涂层系统与C/C复合材料基材之间以及涂层系统自身要有稳定的化学相容性和较高的粘结强度,避免组分间有害的相变。
涂层系统能够阻挡碳向外扩散,对于含有氧化物成分的涂层系统尤为重要,因为氧化物在高温下易被碳还原。
涂层系统内以及涂层系统与C/C复合材料基材间应最大限度实现热匹配,以避免涂层制备过程中产生裂纹以及因热循环引起涂层的剥落。
涂层系统应具有低挥发性,即要求涂层材料的蒸气压要低,避免高温下自行退化和降低高速燃气气流侵蚀速率。
对不同环境下使用的C/C复合材料而言,涂层系统要尽可能承受一定的压力和冲击力,并且具有良好的耐腐蚀性能,包括耐酸碱盐和耐潮湿性等。
以上诸因素中第(3)点和第(6)点尤为关键。
3抗氧化涂层类型
满足以上要求的涂层并不多,目前研制的涂层主要有氧化铝、镁铝尖晶石、二硅化钼、二硅化钨、莫来石及它们的复合体系。根据温度来分,有低温(低于1000℃)涂层和高温(1000～1800℃)涂层之分。前者主要是B2O3系涂层,后者则主要是SiC和MoSi2系。根据涂层结构形式来分,有单一涂层和多层梯度涂层,单一涂层主要用于温度较低,抗氧化时间较短的情况。多层梯度涂层则多用于高温长时间抗氧化。
3.1氧化铝涂层
Al2O3具有熔点高、硬度高和化学稳定性好、低热导率和电导率、价格低廉等优势,广泛应用于耐腐蚀、耐磨损领域的陶瓷涂层中[7]。马壮等[8]采用热化学反应法在Q235钢上制备氧化铝基陶瓷涂层,该涂层在600℃固化产生了新陶瓷相;涂层较致密,与基体结合良好;大大提高了基体的耐蚀性和耐磨性问题。然而,Al2O3氧化物不宜直接涂覆在C/C复合材料基体上作为抗氧化涂层,这是因为:一方面由于与基体CTE(热膨胀系数)不匹配,在热循环时会引起涂层