Cf-SiC基體多層近紅外反射膜的制備與性能研究.pdf

1、碳纖維增強(qiáng)碳化硅陶瓷基復(fù)合材料(Cf/SiC)具有密度低、韌性好、耐磨損、耐腐蝕等一系列優(yōu)異特性，是一種重要的耐熱結(jié)構(gòu)材料，在航空航天、能源、交通等高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用前景廣闊。由于碳纖維在有氧環(huán)境中400℃開始氧化，如何防止Cf/SiC中的纖維氧化始終是一個研究熱點，而其高溫隔熱要求往往采用低熱傳導(dǎo)材料或冷卻等傳統(tǒng)手段來實現(xiàn)，導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸變大，因此探索結(jié)構(gòu)緊湊的新型隔熱技術(shù)對解決狹窄空間的隔熱難題具有重要意義和潛在工程應(yīng)用價值。

2、>　　本文以某重大工程在1100℃空氣氧化環(huán)境下較長時間使用的微型渦輪機(jī)的需求為背景，研究輕質(zhì)Cf/SiC復(fù)合材料基體上的近紅外光多層膜的反射特性和隔熱性能以及多層膜材料在1100℃空氣氧化環(huán)境下的演變規(guī)律。本文結(jié)合單層膜自身反射特性測試和納米多層紅外干涉效應(yīng)，設(shè)計并利用磁控濺射法制備由氮化鈦、碳化硅(SiCx)、氮化硅(SiNy)、氧化硅(SiOz)組成的Cf/SiC/TiN(SiOz，SiNy)n和Cf/SiC/SiCx(SiNy，

3、SiCx)n，Cf/SiC/SiNy(SiOz，SiNy)n三種類型的薄膜。以Cf/SiC/TiN(SiOz，SiNy)為例，其中的Cf/SiC是多層膜的基底材料;TiN是指在Cf/SiC基底上首先濺射一層TiN薄膜;(SiOz，SiNy)n是指在TiN薄膜上再依次周期性交替濺射SiOz和SiNy膜;n是薄膜重復(fù)的周期數(shù)（n取2和3）;三種硅化物膜的下標(biāo)x、y、z則是由于利用磁控濺射法制備的薄膜難以完全符合化學(xué)計量比。利用橢偏儀、紫外可

4、見分光光度計表征薄膜的折射率和近紅外總反射率;測試分析模擬工況條件下的多層膜的隔熱行為、材料成分和結(jié)構(gòu)演變，掌握不同高溫氧化時間作用下的多層膜隔熱行為的變化規(guī)律，明晰其隔熱性能劣化的關(guān)鍵因素和機(jī)制。
　　研究主要內(nèi)容和結(jié)論如下:
　　(1)在硅片、玻璃載玻片和C/SiC基體上制備了氮化鈦、碳化硅(SiCx)、氮化硅(SiNy)、氧化硅(SiOz)的單層膜，測試了TiN的化學(xué)計量比和總反射率，表征了氮化硅(SiNy)和碳化硅(

5、SiCx)的透過率和折射率及紅外吸收光譜，并確定了氮化物濺射的氬氮流量比，即氮化硅和氮化鈦的氬氮流量比分別為5∶2和15∶1。
　　(2)利用掃描電子顯微鏡和X射線能譜儀表征了Cf/SiC/TiN(SiOz，SiNy)n和Cf/SiC/SiCx(SiNy，SiCx)n，Cf/SiC/SiNy(SiOz,SiNy)n三種類型薄膜的厚度、形貌和成分分布，結(jié)果顯示薄膜各層之間結(jié)合緊密，多層膜與基體之間的部分區(qū)域因為基體孔洞的影響而存在空

6、隙。相比Cf/SiC/SiCx/(SiNy，SiCx)n和Cf/SiC/SiNy(SiOz，SiNy)n這兩種介質(zhì)型多層薄膜，Cf/SiC/TiN(SiOz，SiNy)n薄膜具有更高的總反射率。當(dāng)總層數(shù)分別為5(n=2)和7(n=3)時，總反射率極大值分別為68.62％和72.43％，平均值分別為53.38％和54.69％，而未鍍膜的Cf/SiC基底的近紅外總反射率平均值僅為14.31％。
　　(3)利用自行設(shè)計的隔熱測試裝置對各

7、薄膜在1100℃時的隔熱性能測試結(jié)果表明，當(dāng)測試時間在一小時以內(nèi)時，Cf/SiC/TiN(SiOz，SiNy)n具有更為優(yōu)異的隔熱性能，當(dāng)總層數(shù)分別為5和7時，一小時后其背面溫度分別為607℃和600℃，而表面無膜的Cf/SiC試樣相同測試條件下背面溫度則為733℃。此外，試樣背面從室溫升至600℃的升溫速率也從無膜時的115℃/min分別降至22℃/min和14℃/min。兩種全介質(zhì)型的多層薄膜在一定程度上提高了近紅外反射率，也具有一

8、定的隔熱性能。對各試樣進(jìn)行長時間的隔熱測試表明，隨著測試時間的延長，背面的溫度逐漸升高，隔熱性能逐漸惡化，而近紅外反射率也隨著測試時間的延長而降低。Cf/SiC/TiN/(SiOz, SiNy)n隔熱性能下降的程度最大，而與之相對應(yīng)的是其近紅外反射率降低的程度也最大。隔熱性能的降低與近紅外反射率的下降存在一致性。
　　(4)對于Cf/SiC/TiN(SiOz，SiNy)2:氧化10h時，氧化后在截面方向觀察到了兩層的結(jié)構(gòu)，未觀察到

9、氮化硅和二氧化硅膜之間的界限，而變成了一層較為均勻的膜層，這可能是由于試樣自身導(dǎo)電性較差并且受掃描電鏡分辨率的限制，使其中的某些層未能清晰的顯示。在薄膜表面檢測到了TiO2，說明鈦元素在高溫下向外發(fā)生了擴(kuò)散。氧化20小時后，在某些區(qū)域觀察到截面方向的層數(shù)為一層，某些區(qū)域為兩層，某些區(qū)域為三層。截面方向的線掃結(jié)顯示多于3個硅元素和氧元素的峰，推斷多層膜氧化后的總層數(shù)可能多于3層，但由于掃描電鏡分辨率的原因和樣品自身導(dǎo)電性的局限可能使某些膜