C/C复合材料MoSi2-Cr-Si/SiC系高温抗氧化复合涂层的研究

论文摘要

碳／碳（C/C）复合材料主要作为高温结构材料用于航空航天领域,但是其在高温下极易发生氧化而大大限制了材料的使用。本研究采用包埋法、气相反应法及刷涂法分别在C/C基体上制备了SiC涂层及MoSi2-Cr-Si系涂层,并采用SEM, EDS, XRD等检测方法对涂层结构及显微形貌进行了表征,研究了涂层试样的力学性能及高温氧化性能。对制备工艺进行优化,目的是制备能在高温下具有长时间抗氧化防护能力的涂层。主要研究内容及结果如下：（1）系统研究了采用包埋法制备SiC涂层时烧结气氛、包埋料中Si含量及基体密度对涂层的结构及性能的影响。结果表明：真空及高Si含量的包埋料有利于Si的渗入,未反应完的游离Si能填充涂层内的孔隙和裂纹；涂层中游离Si含量越高,微裂纹及孔洞数量越少,涂层越致密,但涂层内过多的残留Si不利于抗氧化性能；低密度基体中渗入Si的量远远大于高密度基体。采用最佳工艺参数,制得了抗氧化性能较佳的SiC涂层,该涂层试样在1500℃下氧化30h,失重率为1.86%。（2）对比研究了采用化学气相反应法及包埋法得到的SiC涂层的结构及性能。结果表明：化学气相反应法制备的涂层呈梯度分布且与基体结合良好,表面更平整,涂层具有一定厚度且均一。但是,此方法得到的涂层性能受基体本身缺陷的影响较大,表面存在孔隙及微裂纹。（3）采用刷涂法在带有包埋SiC涂层的C/C复合材料上制备了MoSi2-Cr-Si系涂层,研究了MoSi2含量、烧结气氛、烧结温度及粘结剂种类对涂层的影响。结果显示：当料浆中MoSi2含量为45%时,涂层具有最佳抗氧化性能；通过引入N2及SiO在适当的温度下制备了MoSi2-Si2N2O-CrSi2,涂层中主晶相为MoSi2, Si2N2O, SiC,其抗氧化性能优于无Si2N2O的MoSi2-Si-CrSi2;用MoSi2, Si, Cr为刷涂料时,采用PVA为粘结剂时其性能优于硅溶胶。使用最佳工艺制备的SiC为内涂层,最优刷涂法制备的外涂层抗氧化性能佳,试样在1500℃氧化108h后失重率为1.37%。（4）初步探讨了涂层处理,氧化及热震对试样力学性能的影响。从中发现：涂层处理对试样抗弯强度及断裂方式影响较大。经包埋处理后,试样抗弯强度有所升高,断裂方式为假塑性断裂；但经双层涂层处理后,外涂层有效的填补了内涂层中的微裂纹及孔隙等缺陷,试样的有效承载面积增强,大大提高了试样的抗弯强度,试样断裂方式也发生变化由假塑性断裂向脆性断裂转变；双涂层试样经热震处理后,失重率为1.1%,强度保持率为82.2%,涂层没有出现剥离脱落现象,涂层具有良好的抗热震性能,表现为明显的脆性断裂；双涂层试样于1500℃氧化9h后,试样虽然增重了0.32%,但强度下降为原试样的98.5%,表现为脆性断裂。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 C/C复合材料的氧化
• 1.3 C/C复合材料的抗氧化方法
• 1.3.2 C/C复合材料表面涂层
• 1.3.2.1 对抗氧化涂层的基本要求
• 1.3.2.2 C/C复合材料抗氧化涂层制备技术
• 1.3.2.3 C/C复合材料高温抗氧化涂层体系
• 1.3.2.4 抗氧化涂层存在的问题
• 1.4 本论文的研究目的及研究内容
• 1.4.1 研究目的
• 1.4.2 研究内容
• 第二章 原材料和研究方法
• 2.1 试验材料
• 2.1.1 碳/碳复合材料
• 2.1.2 包埋所用材料
• 2.1.3 刷涂所用材料
• 2.2 试验设备
• 2.3 涂层的设计及制备
• 2.3.1 涂层的设计
• 2.3.2 涂层的制备
• 2.4 涂层的表征
• 2.5 涂层试样的性能测试
• 2.5.1 密度及开孔率的测定
• 2.5.2 氧化性能测试
• 2.5.3 热震性能测试
• 2.5.4 力学性能测试
• 第三章 C/C复合材料抗氧化SiC内涂层的研究
• 3.1 引言
• 3.2 包埋法制备SiC涂层
• 3.2.1 包埋气氛对涂层的影响
• 3.2.1.1 包埋气氛对涂层相组成的影响
• 3.2.1.2 包埋气氛对涂层微观结构的影响
• 3.2.1.3 包埋气氛对涂层抗氧化性能的影响
• 3.2.2 包埋料中Si含量对涂层的影响
• 3.2.2.1 包埋料中Si含量对涂层相组成的影响
• 3.2.2.2 包埋料中Si含量对涂层微观结构的影响
• 3.2.2.3 包埋料中Si含量对涂层抗氧化性能的影响
• 3.2.3 基体对涂层的影响
• 3.2.3.1 不同基体经包埋处理后的密度及开孔率
• 3.2.3.2 不同基体经包埋处理后的结构及形貌
• 3.2.3.3 基体对涂层抗氧化性能的影响
• 3.3 气相法制备SiC涂层的研究
• 3.3.1 涂层制备方法
• 3.3.2 涂层的相组成
• 3.3.3 涂层的显微结构
• 3.3.3.1 涂层的表面形貌
• 3.3.3.2 涂层的截面形貌
• 3.3.4 涂层的抗氧化性能
• 3.4 SiC涂层形成机理
• 3.4.1 包埋法制备SiC涂层的形成机理
• 3.4.2 化学气相反应法制备SiC涂层的形成机理
• 3.5 SiC涂层抗氧化及失效机理分析
• 3.6 本章小结
• 2-Si-Cr系外涂层的研究'>第四章 刷涂法制备C/C复合材料MoSi₂-Si-Cr系外涂层的研究
• 4.1 引言
• 2-Si-Cr系涂层的研究'>4.2 刷涂法制备MoSi₂-Si-Cr系涂层的研究
• 4.2.1 预涂层的制备
• 4.2.2 涂层的烧结
• 2-Cr-Si系涂层'>4.3 刷涂法制备MoSi₂-Cr-Si系涂层
• 2含量对涂层的影响'>4.3.1 MoSi₂含量对涂层的影响
• 2含量对涂层组成的影响'>4.3.1.1 MoSi₂含量对涂层组成的影响
• 2含量对涂层微观结构的影响'>4.3.1.2 MoSi₂含量对涂层微观结构的影响
• 2含量对涂层抗氧化性能的影响'>4.3.1.3 MoSi₂含量对涂层抗氧化性能的影响
• 2N₂O相及其对涂层的影响'>4.3.2 反应生成Si₂N₂O相及其对涂层的影响
• 4.3.2.1 对涂层相组成的影响
• 4.3.2.2 对涂层微观结构的影响
• 4.3.2.3 对涂层抗氧化性能的影响
• 4.3.3 烧结温度对涂层的影响
• 4.3.3.1 烧结温度对涂层相组成的影响
• 4.3.3.2 烧结温度对涂层微观结构的影响
• 4.3.3.3 烧结温度对抗氧化性能的影响
• 4.3.4 不同粘结剂对涂层的影响
• 4.3.4.1 不同粘结剂对涂层相组成的影响
• 4.3.4.2 不同粘结剂对涂层微观结构的影响
• 4.3.4.3 不同粘结剂对涂层抗氧化性能的影响
• 4.4 涂层抗氧化及失效机理分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 C/C复合材料涂层试样力学性能研究
• 5.1 前言
• 5.2 材料的断裂行为
• 5.3 涂层处理对C/C复合材料力学性能的影响
• 5.4 热震及氧化对涂层C/C复合材料力学性能的影响
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文