SiC納米線的制備及其在抗氧化HfB2-WB2-Si-SiC-SiCNW涂層C-C復(fù)合材料中的應(yīng)用.pdf

1、炭/炭(C/C)復(fù)合材料具有優(yōu)異的高溫性能，已廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，然而C/C復(fù)合材料在高溫有氧環(huán)境中容易發(fā)生氧化，導(dǎo)致其力學(xué)性能急劇下降，通過(guò)在C/C復(fù)合材料表面制備高溫抗氧化陶瓷涂層可以在一定層度上抑制C/C復(fù)合材料基體的氧化，但由于陶瓷涂層與基體熱膨脹系數(shù)不匹配的問題無(wú)法得到根本的解決，涂層C/C復(fù)合材料在服役過(guò)程中不可避免地會(huì)因熱應(yīng)力在涂層以及基體內(nèi)部產(chǎn)生裂紋，這直接影響到涂層C/C復(fù)合材料的服役壽命。為了解決上述問題，本文創(chuàng)

2、新性地提出了一種SiC納米線(SiCNW)的制備方法，并將其引入到高溫陶瓷涂層中，以期實(shí)現(xiàn)對(duì)高溫陶瓷涂層的增強(qiáng)和增韌，改性涂層和基體之間的界面，從而提高涂層C/C復(fù)合材料的高溫抗氧化性能，延長(zhǎng)其服役壽命。本文的主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下:
　　1.通過(guò)摻雜瀝青熱解制備SiCNW。研究了熱解溫度和聚碳硅烷(PCS)/瀝青二甲苯可溶物(TSCTP)配比對(duì)SiCNW生長(zhǎng)的影響，并探討了其可能的生長(zhǎng)機(jī)理。結(jié)果表明:
　　(1)熱解溫度的

3、提高會(huì)導(dǎo)致SiCNW的直徑和含量均出現(xiàn)增長(zhǎng)，SiCNW的微觀形貌也發(fā)生一定的變化，這主要是因?yàn)殡S著熱解溫度的升高，體系內(nèi)反應(yīng)原料SiOC的熱解和SiO2和活性C的碳熱還原反應(yīng)加劇，體系內(nèi)反應(yīng)活性組SiO和CO氣氛濃度增加所致;
　　(2)隨著原料中PCS/TSCTP配比的增大，試樣表面SiCNW的含量出現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)PCS/TSCTP=40％時(shí)，試樣表面SiCNW的含量最大。當(dāng)PCS/TSCTP配比較小時(shí)，PCS熱解轉(zhuǎn)化

4、的SiC微晶較少，導(dǎo)致SiCNW成核點(diǎn)較少;而當(dāng)PCS/TSCTP配比較大時(shí)，活性C的不足會(huì)抑制SiO2和活性C的反應(yīng)，導(dǎo)致體系內(nèi)反應(yīng)組分濃度下降，成核點(diǎn)的數(shù)量較少和反應(yīng)體系組分濃度較低對(duì)SiCNW的產(chǎn)量均是不利的;
　　(3)制備的SiCNW為β-SiC單晶結(jié)構(gòu)，生長(zhǎng)方向沿[111]方向。SiCNW生長(zhǎng)機(jī)理遵循氣-固(VS)機(jī)理，SiCNW的晶核為SiC微晶，反應(yīng)活性組分為SiO和CO氣體，兩者主要來(lái)源于SiOC的分解及SiO2

5、和C的碳熱還原反應(yīng)。
　　2.通過(guò)聚碳硅烷摻雜瀝青浸漬裂解(PIP)在低密度C/C復(fù)合材料表面制備了網(wǎng)狀SiCNW層，然后通過(guò)反應(yīng)熔體浸滲法在網(wǎng)狀SiCNW中引入SiC得到SiC-SiCNW復(fù)合涂層?？疾炝薙iC涂層和SiC-SiCNW涂層C/C復(fù)合材料在800℃，1100℃，1300℃，1500℃下的抗氧化性能及其在1500℃至常溫循環(huán)的抗熱震性能。為了探究SiCNW層的制備對(duì)SiC涂層C/C復(fù)合材料抗氧化性能影響，在同等條件下

6、測(cè)試了SiC涂層C/C復(fù)合材料在1500℃的抗氧化性能和1500℃至常溫循環(huán)的抗熱震性能。結(jié)果表明:
　　(1)SiCNW層的制備有利于改善SiC-SiCNW涂層C/C復(fù)合材料的抗氧化性能和抗熱震性能，SiC-SiCNW涂層C/C復(fù)合材料具有較好的抗氧化效果與涂層表面形成的SiO2阻氧層和SiCNW的增強(qiáng)增韌有關(guān);
　　(2)SiC-SiCNW涂層C/C復(fù)合材料在1300℃和1500℃具有較好的抗氧化性能，而在800℃和11

7、00℃的抗氧化性能不佳，這主要是由于SiC陶瓷在低溫下不能被氧化形成連續(xù)的SiO2阻氧層。
　　3.通過(guò)料漿涂刷法在SiC-SiCNW復(fù)合涂層C/C復(fù)合材料表面制備了HfB2-WB2-Si外涂層，最終得到SiCNW增韌的HfB2-WB2-Si/SiC-SiCNW涂層C/C復(fù)合材料。考察了HfB2-WB2-Si/SiC涂層C/C復(fù)合材料和以不同W/Hf摻雜配比制備的HfB2-WB2-Si/SiC-SiCNW涂層C/C復(fù)合材料在150

8、0℃的抗氧化性能，以及HfB2-WB2-Si/SiC-SiCNW涂層C/C復(fù)合材料在1300℃，1100℃和800℃的抗氧化性能，并通過(guò)預(yù)氧化工藝改善了其在800℃較差的抗氧化效果。結(jié)果表明:
　　(1)HfB2-WB2-Si/SiC-SiCNW復(fù)合涂層C/C復(fù)合材料抗氧化效果優(yōu)于HfB2-WB2-Si/SiC涂層C/C復(fù)合材料，HfB2-WB2-Si/SiC-SiCNW復(fù)合涂層C/C復(fù)合材料具有優(yōu)異的抗氧化性能與其表面氧化形成的

9、連續(xù)、完整的HfSiO4-SiO2-WO3玻璃膜以及涂層結(jié)構(gòu)的致密有關(guān);
　　(2)隨著原料中W含量的逐漸增多，HfB2-WB2-Si/SiC-SiCNW涂層C/C復(fù)合材料的失重率呈現(xiàn)先減小后增大趨勢(shì)，當(dāng)摩爾比W/Hf=2∶3時(shí)，復(fù)合涂層具有較好的抗氧化效果，涂層抗氧化效果受涂層表面WO3的分相和氧化形成的HfSiO4等高熔點(diǎn)顆粒產(chǎn)生的釘扎效應(yīng)共同作用;
　　(3)復(fù)合涂層在800℃具有較差的抗氧化效果源于氧化溫度下復(fù)合涂層