C-C復(fù)合材料鉬硅抗氧化涂層優(yōu)化設(shè)計(jì)與顯微結(jié)構(gòu)形成機(jī)制.pdf

1、C/C復(fù)合材料以其獨(dú)特的高溫性能和良好的綜合性能而成為高溫結(jié)構(gòu)材料最有競(jìng)爭(zhēng)力的候選材料。但是，易氧化的缺點(diǎn)嚴(yán)重地阻礙了C/C復(fù)合材料的實(shí)際應(yīng)用。為充分發(fā)揮C/C復(fù)合材料的所有潛力，氧化防護(hù)一直是C/C復(fù)合材料研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。本文采用具有設(shè)備工藝簡(jiǎn)單、成本低、易操作和不受零件尺寸限制的熔漿法制備了用于C/C復(fù)合材料氧化防護(hù)的Mo-Si-C-N系和Mo-Si-C-B系兩類抗氧化涂層。利用Ansys有限元分析軟件對(duì)涂層的結(jié)構(gòu)和成分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)

2、；采用等溫循環(huán)氧化方式考察了涂層C/C復(fù)合材料的氧化行為，并根據(jù)累積重量變化率對(duì)涂層的防護(hù)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)；利用X射線衍射分析儀（XRD）、掃描電鏡（SEM）、透射電鏡（TEM）、高分辨電鏡（HREM）、X射線光電子能譜分析儀（XPS）及能量分散譜儀（EDS）等分析手段對(duì)涂層C/C復(fù)合材料氧化試驗(yàn)前后的組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，探討了涂層的反應(yīng)合成機(jī)理和抗氧化機(jī)制。
　　根據(jù)C/C復(fù)合材料抗氧化涂層的設(shè)計(jì)原則和各種耐高溫材料的基本特性，尤其是

3、熱膨脹系數(shù)與C/C復(fù)合材料的匹配程度，確定了以SiC為連接層，以MoSi2/Si為主結(jié)構(gòu)層的抗氧化涂層主體系，設(shè)計(jì)了含有SiC、Si3N4外涂層的Mo-Si-C-N系涂層和含有B-Si中間層的Mo-Si-C-B系涂層。
　　利用Ansys有限元分析軟件模擬了MoSi2/Si主結(jié)構(gòu)層的成分和厚度對(duì)涂層C/C復(fù)合材料應(yīng)力分布的影響。計(jì)算結(jié)果顯示，MoSi2/Si主結(jié)構(gòu)層中MoSi2的含量應(yīng)小于40vol％，涂層的厚度應(yīng)控制在100μm

4、左右。
　　試驗(yàn)研究了工藝參數(shù)對(duì)Mo-Si-C-N系抗氧化涂層組織結(jié)構(gòu)的影響，確定了涂層燒結(jié)過程中的起始氮化溫度必須控制在Si熔點(diǎn)以上的制備工藝，最佳工藝參數(shù)為：1500℃開始通入氮?dú)?1500℃，1h固化燒結(jié)；確定了Mo-Si-C-B系涂層的制備工藝為：1450℃保溫1h，真空環(huán)境。
　　研究結(jié)果表明，Mo-Si-C-N系抗氧化涂層具有三層結(jié)構(gòu)，即由Si和基體C擴(kuò)散反應(yīng)形成的、鋸齒狀的、厚約10μm的微晶SiC內(nèi)層；由Mo

5、、Si原位反應(yīng)合成的、厚度可調(diào)的MoSi2/Si主結(jié)構(gòu)層；由幾微米厚的Si3N4層和SiC納米絲組成的外涂層。
　　試驗(yàn)研究了Mo-Si-C-N系涂層中MoSi2的含量對(duì)涂層1400℃氧化行為的影響規(guī)律，確定了涂層中MoSi2相的最佳體積含量為30～40vol%。
　　Mo-S-C-N系涂層C/C復(fù)合材料1200～1450℃的氧化動(dòng)力學(xué)研究表明，1200℃和1300℃時(shí)，涂層的防護(hù)能力較差；1400℃時(shí)，涂層具有最佳抗氧化性

6、能；1450℃氧化過程中，MS40-C/C復(fù)合材料迅速失重，抗氧化能力較差，而MS30-C/C復(fù)合材料氧化4小時(shí)后由氧化初期的迅速失重進(jìn)入穩(wěn)態(tài)階段，重量損失保持在0.0057～0.0059g?cm-2之間，說明MS30-C/C復(fù)合材料在1450℃具備抗氧化能力。
　　組織結(jié)構(gòu)觀察表明，涂層氧化后表面形成了SiO2玻璃相。氧化過程中，主結(jié)構(gòu)層中MoSi2顆粒沒有發(fā)生明顯的變化；而氧化激活能的計(jì)算值也與SiC和Si3N4的氧化激活能相