化學(xué)氣相沉積SiC和ZrC涂層的制備及抗燒蝕性能.pdf

1、碳/碳（C/C）復(fù)合材料由于其優(yōu)異的高溫性能，在航空航天領(lǐng)域具有極其廣泛的應(yīng)用前景。但該材料在370℃以上有氧環(huán)境下的快速氧化限制了其作為航空航天熱結(jié)構(gòu)、熱防護(hù)材料的應(yīng)用，涂層技術(shù)是解決該問題的有效手段。SiC、ZrC因其高熔點和良好的高溫穩(wěn)定性，成為C/C復(fù)合材料表面抗燒蝕涂層的理想材料。
　　本文采用低壓化學(xué)氣相沉積法（Low Pressure Chemical Vapor Deposition，LPCVD）在C/C復(fù)合材料和

2、碳纖維表面分別制備了SiC、ZrC涂層，研究了工藝參數(shù)對涂層微觀結(jié)構(gòu)的影響；通過氧乙炔焰考察和研究了涂層在循環(huán)燒蝕和不同熱流量燒蝕條件下的抗燒蝕性能和燒蝕機理；針對ZrC涂層和C/C基體之間的熱膨脹失配，設(shè)計并制備了SiC/ZrC復(fù)合涂層和SiC/ZrC/SiC多層涂層，以緩解ZrC涂層的熱膨脹失配，提高涂層的抗燒蝕性能；采用X-射線衍射儀、掃描電鏡、透射電鏡及氧乙炔焰燒蝕等分析和測試手段對涂層的微觀結(jié)構(gòu)和燒蝕性能進(jìn)行研究，本文的主要研

3、究內(nèi)容和結(jié)果如下：
　　以MTS-H2-Ar為反應(yīng)體系，采用LPCVD法在不同沉積溫度和H2/MTS摩爾比值下分別在C/C復(fù)合材料表面和碳纖維表面制備了SiC涂層，通過對涂層形貌的分析，獲得了沉積溫度和H2/MTS摩爾比對SiC涂層結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。隨著沉積溫度的升高，SiC顆粒生長速率逐漸加快，顆粒尺寸差別逐漸明顯，涂層表面粗糙度增加；隨著H2/MTS摩爾比的增加，SiC顆粒形核作用逐漸增強，顆粒尺寸逐漸減小且分布均勻，涂層致密度

4、增加；C/C表面和碳纖維表面 SiC涂層結(jié)構(gòu)均以孿晶和層錯為主；在CVD-SiC的生長過程中，存在PAN碳纖維表面溝槽和沉積SiC層的兩種模板效應(yīng)，SiC涂層隨厚度的增加從層狀/島狀生長逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閷訝?島狀生長模式；氧乙炔焰燒蝕環(huán)境下，SiC涂層可以提高C/C復(fù)合材料的短時抗燒蝕性能；隨著燒蝕循環(huán)次數(shù)的增加，熱震作用導(dǎo)致SiO2層中缺陷的尺寸和數(shù)量進(jìn)一步增加，SiO2層中的微孔逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槠茐男缘目锥矗觿×送繉拥难趸瘬p失和火焰剝蝕損失，

5、導(dǎo)致涂層逐漸失效。涂層燒蝕中心區(qū)域的燒蝕行為以氧化腐蝕和機械剝蝕為主，燒蝕過渡區(qū)域和邊緣區(qū)域的燒蝕行為以氧化腐蝕為主；隨著燒蝕熱流量的增加，燒蝕中心區(qū)域 SiC涂層的燒蝕行為由以氧化腐蝕和機械剝蝕為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐詺饣癁橹?，SiO2層的損耗隨著燒蝕區(qū)域逐漸遠(yuǎn)離燒蝕中心而不斷降低，試樣質(zhì)量燒蝕率和線燒蝕率明顯升高。
　　以ZrCl4-C3H6-Ar-H2為反應(yīng)體系，采用LPCVD法分別在C/C復(fù)合材料和碳纖維表面制備了ZrC涂層，涂層的主

6、要成分為立方相ZrC。隨著沉積溫度升高，涂層顆粒生長速率增加，涂層生長均勻性有所降低，擇優(yōu)取向從（111）向（200）面轉(zhuǎn)變；隨著H2濃度的增加，涂層顆粒尺寸逐漸減小且變得均勻，擇優(yōu)取向從（111）向（200）向（220）面轉(zhuǎn)變，涂層致密性提高；隨著沉積位置距進(jìn)氣口距離的增加，反應(yīng)物濃度逐漸降低，涂層形核作用增強，顆粒尺寸逐漸減小，涂層生長均勻性增加。
　　采用氧乙炔焰測試了C/C復(fù)合材料表面ZrC涂層的抗燒蝕性能并分析了其燒蝕機

7、理。結(jié)果表明：不同沉積溫度下制備的ZrC涂層的抗燒蝕性能隨著沉積溫度的升高而提高；在1350℃溫度下制備的涂層表現(xiàn)出最佳的抗燒蝕性能；在燒蝕過程中，ZrO2層和ZrCxOy層有效地阻礙了氧氣在涂層中的擴散并及時愈合燒蝕過程中出現(xiàn)的孔洞和微裂紋等缺陷，同時削弱了火焰對涂層的機械剝蝕作用；不同H2濃度下制備的ZrC涂層的抗燒蝕性能隨著H2濃度的升高而先提高后降低；納米結(jié)構(gòu)涂層通過納米粒子增韌涂層的作用，降低火焰對涂層的剝蝕作用，提高了涂層抗

8、燒蝕性能；在部分涂層的燒蝕過程中生成了ZrO2納米棒，ZrO2納米顆粒在納米棒的生長中發(fā)揮了催化劑的作用并提供了納米棒的生長基底，納米棒的生長機制為V-L-S和OAG機制；在循環(huán)燒蝕條件下，ZrC涂層存在兩種燒蝕模式：表面燒蝕和內(nèi)部燒蝕。隨著燒蝕循環(huán)次數(shù)的增加，涂層中缺陷的數(shù)量和尺寸由于熱震作用而逐漸增加，涂層由表面燒蝕轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)部燒蝕，ZrC在燒蝕過程中的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變過程為ZrC→ZrCxOy→ZrO2；在不同熱流量燒蝕條件下，隨著燒蝕熱流