炭_炭复合材料高温抗氧化涂层的研究进展_黄剑锋.pdf

第20卷第4期新型炭材料Vo.l20No.4

2005年12月NEWCARBONMATERIALSDec.2005

文章编号:1007-8827(2005)04-0373-07
炭/炭复合材料高温抗氧化涂层的研究进展
黄剑锋1,李贺军1,熊信柏2,曾燮榕2,李克智1,付业伟1,黄敏1
(1.西北工业大学炭/炭复合材料研究所,陕西西安710072;2.深圳大学材料科学系,广东深圳518060)

摘要:阐述了近年来国内外炭/炭复合材料高温抗氧化涂层在玻璃、贵金属、陶瓷以及复合涂层等涂层体系方
面的新近展,总结了炭/炭复合材料高温抗氧化涂层在已有制备工艺的完善以及新工艺的开发等方面的最新研究
成果,结合涂层炭/炭复合材料在航空、航天以及军事领域的应用背景对高温抗氧化涂层的下一步发展趋势进行了
展望。指出:目前的研究结果尚达不到严酷环境下的应用要求,炭/炭复合材料高温抗氧化涂层下一阶段将向着长
寿命、耐高温、抗冲刷和低成本的方向发展;涂层新工艺的开发和涂层与基体结合研究将是下一步的研究重点;多
相复合涂层和梯度陶瓷涂层有望取得在高温冲刷环境下长时间应用的突破性进展。
关键词:炭/炭复合材料;高温;抗氧化涂层
中图分类号:TB332文献标识码:A

1前言度的部位采用氧化铝复合材料和毡做成的瓦片(白
瓦)。就高温部位应用的炭/炭复合材料而言,据资
炭/炭(C/C)复合材料是可用于高温环境下的料介绍,美国采用炭/炭复合材料作为高温热防护系
先进复合材料之一,它是由高强度、高模量的炭纤维统包括鼻锥和机翼前缘等已完成70余次发射;而美
和基体炭两部分组成。由于其热膨胀系数低、密度国华盛顿大学进行了第二代可重复使用飞行器
低、耐烧蚀、耐腐蚀、摩擦系数稳定、导热导电性能好(ReusableLaunchVehicle,RLV)的设计,其机翼前
和高强度、高模量等特点,特别是随温度升高力学性缘和鼻锥的上裙部仍采用抗氧化炭/炭复合材
能不降反升的特性,被广泛应用于航空、航天领域。料[2,3]。
然而,上述许多性质只有在惰性气氛下才能保持,研作为重复使用的热防护系统,最关键的问题仍
究表明,C/C复合材料在超过370e的氧化气氛下然是炭/炭复合材料的抗氧化问题能否得到很好解
开始发生氧化反应,反应速度在500e时迅速增大,决。本文就近年来国内外学者在该领域的研究进展
氧化失重将使得C/C复合材料的力学性能明显下情况进行评述。
降,从而限制了其作为高温防护或抗烧蚀材料在氧
化气氛下的广泛应用[1]。因此,解决C/C复合材料2C/C复合材料抗氧化涂层体系的
高温氧化防护问题是充分利用其性能的前提。研究现状
在航天军事领域,炭/炭复合材料作为热防护系
统材料一直是各国科学家关注的问题,热防护系统C/C复合材料的抗氧化方法有两种途径:基体
(TPS)是航天飞行器的关键技术之一,各国对热防改性和涂层技术。基体改性只能提供其在较低的温
护系统都给以足够重视,尤其是美国,在此方面进行度下具有氧化保护能力,但改性后的C/C复合材料
了长期的持续研究,俄罗斯、法国、日本、印度等国家一般只有低于1000e的抗氧化能力。而抗氧化涂
在此方面也都开展了大量的研究工作。TPS一般由层技术则可以提供更高温度下的抗氧化能力,因而
三种结构构成,鼻锥、机翼前缘和方向升降舵由抗氧发展较快。该方法的基本原理是利用涂层阻挡氧气
化炭/炭复合材料制备,防护温度为1500K以上;用与基体的接触和氧气向基体中扩散而达到高温抗氧
于前机身、下机身表面的是陶瓷基复合材料瓦片化的目的。C/C复合材料基体具有膨胀系数很低、
(黑瓦),防护温度范围覆盖920K~1500K;更低温化学反应活性较高等特点。因此,具有保护功能的

收稿日期:2005-11-02;修回日期:2005-11-25
基金项目:中国自然科学杰出青年基金(50225210)、航空科学基金(03H53044)、教育部博士点基金(20030699011)。
通讯作者:李贺军,Te:l+86-29-88495004,Fax:[phone],E-mai:[e-mail]
作者简介:黄剑锋(1971-),男,重庆人,博士,教授,主要从事炭/炭复合材料高温防氧化涂层研究。E-mai:[e-mail]
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涂层必须与基体材料之间具有良好的化学与物理相璃涂层的形成还可以采用间接引入B4C的方式来
容性和稳定性,同时具有较低的氧气渗透能力和低实现[11-13]。
的挥发性,不仅对氧化反应没有催化作用,而且还具2.2贵金属涂层
有高温下自愈合能力。因此,合理设计涂层体系,对许多金属如Ir、Hf、Cr等有很高的熔点,特别是
于解决C/C复合材