{首页主词},&

西北工業(yè)大學(xué)腐蝕頂刊：通過新策略提高C/C復(fù)合材料的機(jī)械強(qiáng)度和抗氧化性！

2022-06-24 16:14:21 作者：材料學(xué)網(wǎng) 來源：材料學(xué)網(wǎng) 分享至：

導(dǎo)讀：為獲得具有優(yōu)異力學(xué)性能和抗氧化性能的硅基陶瓷涂層C/C復(fù)合材料，采用三步法在C/C復(fù)合材料表面設(shè)計制備了SiC/SiC-MoSi2-ZrB2復(fù)合陶瓷涂層。首先，在 C/C 基板上沉積一層熱解碳 (PyC) 層以填充其孔洞和裂縫。其次，在 PyC 層上制造了 SiC 多孔層以產(chǎn)生許多孔，隨后用于分布塊狀 MoSi2-ZrB2 陶瓷。最后，在 C/C 復(fù)合材料上經(jīng)過包埋滲 (PC) 工藝形成雙層 SiC/SiC-MoSi2-ZrB2 復(fù)合陶瓷涂層，該涂層由致密的 SiC 內(nèi)涂層（厚度約為 80 µm）和均勻的 MoSi2-ZrB2 外涂層 (厚度約200 µm)。SiC/SiC-MoSi2-ZrB2 涂層 C/C 樣品的抗彎曲強(qiáng)度比原始 C/C 樣品高 21.5%。此外，SiC/SiC-MoSi2-ZrB2涂層為C/C復(fù)合材料在高溫下提供了良好的氧化保護(hù)，由于復(fù)合氧化玻璃(SiO2、ZrO2和ZrSiO4)層對氧擴(kuò)散到涂層內(nèi)部和C/C基體的阻擋作用，在空氣中1773 K氧化305 h后其質(zhì)量損失僅為0.56 %。因此，這種新的涂層制備策略可以獲得具有優(yōu)異機(jī)械性能和抗氧化性能的 SiC/SiC-MoSi2-ZrB2 涂層 C/C 復(fù)合材料。

碳/碳 (C/C) 復(fù)合材料具有低密度（1.7-1.9 g/cm3）、高比強(qiáng)度、低熱膨脹系數(shù)（CTE，1-2 ×10-6 K-1) 和良好的抗熱震性是航空航天領(lǐng)域高溫結(jié)構(gòu)部件的理想材料。特別是C/C復(fù)合材料在非氧化氣氛下具有較高的高溫力學(xué)性能。然而，其較差的抗氧化性能限制了其在高溫環(huán)境下的實際應(yīng)用。為了提高C/C復(fù)合材料的高溫抗氧化性，幾十年來許多研究者提出了一些抗氧化的解決方案，其中最有效的方法是在C/C復(fù)合材料的表面制備一種抗氧化涂層。

到目前為止，硅基陶瓷（SiC和MoSi2）是很好的抗氧化涂層材料，因為硅基陶瓷氧化形成的SiO2玻璃具有良好的自密封能力和較低的氧滲透性。一些超高溫陶瓷（UHTCs），如ZrB2或HfB2，也被用于改性硅基陶瓷涂層，增強(qiáng)其在高溫下的熱穩(wěn)定性，因為氧化產(chǎn)生的ZrO2或HfO2具有高硬度和高熔點。改性硅基陶瓷涂層可以通過多種方法獲得，包括包埋滲 (PC)、反應(yīng)熔體浸滲法(RMI)、漿料浸漬、氣相硅滲透和其他技術(shù)。在這些方法中，PC 已普遍用于在 C/C 復(fù)合材料上以制備上述這種涂層，因為它具有在基材/涂層界面形成化學(xué)鍵，對設(shè)備的要求低，操作簡單等一些優(yōu)點。

然而，在 PC 制備的硅基陶瓷涂層中，一些具有優(yōu)異抗氧化性能的組分（以 ZrB2 和 MoSi2 為代表）分布不均勻，引入量較少，如納米線增韌 ZrB2-SiC 涂層、納米線增韌的 SiC-MoSi2-ZrB2 涂層和 ZrB2-SiC 涂層。原因是重力會影響不同相的沉淀速率，較輕的相沉積在涂層內(nèi)部，而較重的相漂浮在涂層上。同時，一些小尺寸的陶瓷顆粒在高溫制備過程中（2173-2373 K）過度燒結(jié)成大尺寸的顆粒。因此，這些沒有大面積均勻分布的抗氧化成分的涂層無法為C/C復(fù)合材料在高溫下提供長期的氧化保護(hù)。此外，C/C 基板在 PC 工藝過程中受到熔融硅的硅化侵蝕，對其機(jī)械強(qiáng)度造成嚴(yán)重?fù)p害。為了解決這些問題，有必要在C/C復(fù)合材料上制備大面積均勻分布的具有優(yōu)異的力學(xué)性能和高溫抗氧化性的UHTCs改性硅基陶瓷涂層。

在這項研究中，西北工業(yè)大學(xué)碳碳復(fù)合材料研究中心的張雨雷教授團(tuán)隊采用一種新的三步工藝在 C/C 復(fù)合材料上制備大規(guī)模均勻分布的ZrB2改性SiC-MoSi2陶瓷涂層。首先，通過化學(xué)氣相滲透（CVI）在C/C復(fù)合材料上預(yù)先沉積熱解碳(PyC)層，該工藝可以密封C/C基板的一些大尺寸孔洞和裂紋，避免熔融硅的過度滲透，消除硅化損傷。其次，在PyC層上構(gòu)建SiC多孔層作為“骨架”，填充許多MoSi2-ZrB2陶瓷組件。最后，利用PC機(jī)在C/C復(fù)合材料上制備了大面積均勻分布的SiC-MoSi2-ZrB2復(fù)合涂層。研究人員對涂層的組成和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，并研究了原始的 C/C 和 SiC/SiC-MoSi2-ZrB2 涂層 C/C 樣品的彎曲強(qiáng)度，以及SiC/SiC-MoSi2-ZrB2 涂層在 1773 K 空氣中的氧化行為。相關(guān)研究結(jié)果以“Improved mechanical strength and oxidation resistance of SiC/SiC-MoSi2-ZrB2 coated C/C composites by a novel strategy ”發(fā)表在《Corrosion Science》上。

論文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0010938X22003377

在C/C復(fù)合材料表面制備了SiC/SiC-MoSi2-ZrB2復(fù)合涂層。通過構(gòu)建SiC多孔骨架層，大量MoSi2和ZrB2顆粒均勻分布在SiC-MoSi2-ZrB2外涂層的大范圍（~200μm）內(nèi)。此外，三點彎曲試驗結(jié)果表明，涂層C/C樣品的彎曲強(qiáng)度提高了21.5%。恒溫氧化試驗結(jié)果表明，SiC/SiC-MoSi2-ZrB2復(fù)合涂層在高溫空氣中具有優(yōu)異的抗氧化性能。鍍膜樣品在 1773K 氧化 305h 后的質(zhì)量損失僅為 0.56%。即使玻璃層在 1773K 的長期大氣環(huán)境中緩慢消耗，也可以連續(xù)形成具有高熱穩(wěn)定性和良好的裂縫密封能力的復(fù)合氧化玻璃(SiO2、ZrO2和ZrSiO4)，阻止氧氣向內(nèi)涂層和C/C基板擴(kuò)散。因此，成功地在C/C復(fù)合材料上制備了均勻大規(guī)模分布的ZrB2改性SiC-MoSi2陶瓷涂層，該涂層具有良好的力學(xué)性能和耐高溫氧化性能。

圖 1為復(fù)合涂層制備工藝示意圖

圖 2為多孔層的 SEM 照片和 XRD 圖：(a) 多孔層的表面 SEM 照片；(b) 多孔層的 XRD 圖譜；(c) 兩層的橫截面 SEM 圖像。

圖3為竹節(jié)狀SiC納米線多孔層的SEM圖、TEM圖、元素映射圖和SAED圖:(a)納米線的高倍SEM圖;(b) SiC納米線TEM圖像;(c) (b)中“紅圈”的TEM圖像及其元素映射、A區(qū)和b區(qū)HRTEM圖像和SAED模式。

圖 4為SiC/SiC-MoSi2-ZrB2 涂層的 SEM 圖像、元素映射和 XRD 圖案：(a) 表面反向散射 SEM 圖像和相應(yīng)的元素映射；(b) XRD 圖案；(c) 橫截面背散射 SEM 圖像。

圖 5為復(fù)合涂層中形成的 MoSi2 的 TEM 和 STEM-HAADF 圖像以及 SAED 圖案：(a) TEM 圖像；(b) 表示(a)中“黃框”的HRTEM圖像和SAED圖案；(c)表示 (b)中“黃色框”的STEM-HAADF圖像；(d)表示 (c) 中“黃色框”的 STEM-HAADF 圖像。