浆料涂覆—液相渗硅原位反应工艺制备MoSi<,2>-SiC-(Si)复相陶瓷涂层

来源 :中国科学院上海硅酸盐研究所 | 被引量 : 0次 | 上传用户:shena011
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在Cf/SiC复合材料以及C/C复合材料表面施加一层抗氧化涂层,阻止氧化性物质与复合材料的接触,是提高复合材料抗氧化性能的有效方法。化学气相沉积法(CVD法)是最为常见的涂层制备方法,采用该法所制备的涂层已由单一抗氧化涂层(SiC、Si3N4和TiC等)向多元多层复合抗氧化涂层(SiC/B/SiC复合涂层、C/SiC功能梯度涂层)转变。该法具有涂层厚度及组成精确可控的优点,但存在制备周期长、设备投资过大的不足。粉体/泥浆烧结法虽具有操作简单、成本低和涂层厚度组成可控的优点,但所得涂层与基体结合强度不高和综合性能不好,不能用于复杂环境中。原位反应法具有适用范围广、操作方便以及制备成本低等特点,并且制备所得涂层具有与基体材料结合强度高、结构致密以及抗氧化性能良好等优点,已被越来越广泛地应用于抗氧化涂层的制备。其不足之处在于反应过程以及涂层物相分布较难控制,涂层厚度无法精确设计。其余的单一制备工艺如等离子喷涂层法、溶胶凝胶法以及电泳沉积法等虽各自具有优点,但均存在不足。   在涂层的实际制备过程中,为实现某一特定用途的涂层时,往往出现单一制备工艺无法满足涂层实际应用要求的情况,此时可综合利用上述各种工艺制备方法的优点,采用两种或两种以上的工艺进行制备。与单一制备工艺相比,综合工艺所制备的涂层无论从结构组成、致密度、与基体的结合强度以及抗氧化性能等方面都有很大提高,已经被越来越广泛地用于涂层制备。   本文采用浆料涂覆—液相渗硅原位反应综合工艺在Cf/SiC复合材料以及C/C复合材料表面制备MoSi2-SiC-(Si)复相陶瓷涂层。它综合了粉体/泥浆烧结法具有操作简单、成本低以及涂层厚度组成可控的优点,同时又具有原位反应法所制备涂层与基体结合强度高、涂层结构致密的特点。   首先对浆料涂覆—液相渗硅原位反应工艺原理进行了分析,并重点探讨了涂层制备工艺中基体预处理、浆料的选择与配制以及预涂层的制备等步骤对涂层结构及性能的影响。研究发现,浆料中MoSi2和酚醛树脂(碳有机前驱体)的质量比值mMoSi2/m以及浆料固含量是影响涂层的结构及性能的重要因素。mMoSi2/m值过大或过小都会导致预涂层开裂甚至剥落,而浆料固含量过低或过高则会导致预涂层厚度及组成分布不均匀,预涂层易开裂。在对预涂层进行热处理时,升温(或降温)速率不宜过大以避免预涂层在热处理过程中因过大热应力而产生开裂或剥落的现象。   本文首次采用浆料涂覆—液相渗硅原位反应工艺在Cf/SiC复合材料表面成功制备了MoSi2-SiC-(Si)复相陶瓷涂层,并重点研究了气氛、渗硅时间t以及游离硅对涂层结构及性能的影响。研究发现,与Ar气氛液相渗硅原位反应工艺不同,真空液相渗硅原位反应工艺所得MoSi2-SiC-(Si)复相陶瓷涂层结构更为致密,涂层中也无裂纹和孔洞存在,在经1500℃静态空气中氧化96h后,氧化失重仅为1.8%,而前者氧化6h失重就高达2.7%,可见后者展现出更为优异的高温抗氧化和抗热震性能。经真空液相渗硅原位反应工艺所得MoSi2-SiC-(Si)复相陶瓷涂层的抗氧化性能随着渗硅时间的延长出现了先提高后下降的现象,当渗硅时间t为30min和60min,涂层具有最佳的高温抗氧化和抗热震性能,涂层试样经1500℃静态空气中氧化60h后,涂层试样未见有失重现象,反而出现了增重现象,前者增重了0.51%,后者增重了0.85%;当渗硅时间t过长(90min)或过短(10min)时,涂层均不能对Cf/SiC复合材料进行有效地保护,经1500℃静态空气中氧化60h后,前者失重0.74%,后者高达4.5%。通过考察经原位反应法和氮化两种方法去除游离硅后所得涂层的高温抗氧化性能发现,当涂层中游离硅去除后,涂层结构变得疏松,涂层抗氧化性能急剧下降,前者在1500℃静态空气中氧化42h,试样氧化失重率达4.5%,而后者氧化仅3h氧化失重率就高达4.9%。   进一步采用浆料涂覆—真空液相渗硅原位反应工艺在C/C复合材料表面制备了MoSi2-SiC-Si复相陶瓷涂层,并重点研究了渗硅时间对涂层结构及性能的影响。研究发现,与Cf/SiC复合材料所制备的涂层不同,在C/C复合材料表面制备的MoSi2-SiC-Si复相陶瓷涂层实际上是由SiC粘附内层和MoSi2-SiC-Si涂层外层组成的。SiC粘附内层的生成是由于渗入预涂层的液相Si与C/C复合材料原位反应的结果。当不同渗硅时间t为10min,30min和60min时所得涂层试样经1500℃静态空气中氧化都出现了明显的失重现象,C/C复合材料基体被氧化。这主要是由于C/C复合材料的热膨胀系数与MoSi2-SiC-Si复相陶瓷涂层相差较大,涂层试样有大量贯穿性微裂纹产生。
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