炭/炭復合材料高溫抗氧化涂層的研究進展

摘要：本文簡要敘述了闡述了炭/炭復合材料及其特點，重點探討了炭/炭復合材料高溫抗氧化涂層在玻璃、貴金屬、陶瓷以及復合涂層等涂層體系方面的研究近況，綜述了炭/炭復合材料高溫抗氧化涂層目前的最新研究成果。

關鍵詞：炭/炭復合材料；抗氧化涂層；高溫

中圖分類號：TB3文獻標識碼：A文章編號：1006-4117（2012）03-0313-01

一、炭/炭復合材料概況

（一）炭/炭復合材料基本介紹。炭/炭復合材料是一種新型工程材料，它是由炭纖維或許多炭織物為增強炭，以化學氣相沉積炭所形成的復合材料，其應用主要在航空、航天等國防和民用領域。炭/炭復合材料組成部分有三種，分別是樹脂碳、碳纖維和熱解炭，由于它的組成元素特殊，幾乎全是碳元素組成，因此，具有很高的溫度和極大的加熱速率。

（二）炭/炭復合材料特點。炭/炭復合材料是碳纖維增強碳基復合材料，它由碳纖維和基體碳兩部分組成，具有一系列優(yōu)良的性能：一是密度?。ɡ碚撁芏葹?.2g/cm3，實際密度通常為（1.75－1.9）g/cm3，這個數(shù)值為鎳基高溫合金的25%，為陶瓷材料的一半，這個特點正好滿足了目前很多結構或者機械裝備輕型化的要求。二是高溫力學性能顯著，它在高溫下表現(xiàn)出來的強度高和模量大還有它的很強的抗斷裂性，很低的蠕變性能，尤以其強度隨溫度升高（可達2200℃），不降低反而升高的特性使其成為一種具有潛力的高溫結構材料，這一獨特性能是其他材料所不具備的。三是炭/炭復合材料良好的耐摩擦磨損性能和抗燒蝕性能還有高熱導率，這是其他相關材料所沒有的，較為優(yōu)越，基于這個特性，它可以應用在飛機的剎車片和軸承上，也可以作為飛機的剎車盤材料。

二、炭/炭復合材料抗氧化涂層體系的研究現(xiàn)狀

基體改性和涂層技術是炭/炭復合材料抗氧化的主要方法，這兩種方法各有特點。至今，我國已經(jīng)開發(fā)和研制的炭/炭復合材料的涂層體系主要有玻璃涂層、金屬涂層、陶瓷涂層以及復合涂層等，下面進行分述：

（一）炭/炭復合材料抗氧化涂層技術。正是由于基體改性法制備的抗氧化炭/炭復合材料在使用中具有局限性，無法滿足使用要求，才促使抗氧化涂層法的誕生。與基體改性法相比，抗氧化涂層能夠在更寬的溫度范圍內起到保護作用，同時不會對基體機械性能產(chǎn)生很嚴重的負面影響。

（二）玻璃涂層。玻璃涂層是炭/炭復合材料抗氧化涂層體系中產(chǎn)生較早的一種，其原理是利用玻璃在高溫下所具備的潤濕性和低黏度而補充在材料工作時因為機械變形帶來的裂縫。從這個意義上講，玻璃涂層只能用于低溫度下的氧化保護層，近些年來，此法得到了長足的發(fā)展，成績較為明顯的是：用碳化硅和粘土改性后做成的的硼硅酸鹽玻璃用來提高涂層的抗氧化性能力，效果較為顯著，可使炭/炭材料樣件在近1500攝氏度的高溫下氧化20多個小時，失重率僅有0.6%。

（三）貴金屬涂層。許多金屬如銥（Ir）、鉿（Hf）、鉭（Ta）、鉑（Pt）等具有很高的熔點，可達2000多攝氏度，高溫氧擴散系數(shù)很低，因此具有很好的高溫抗氧化能力。我們可以用其作為炭/炭復合材料抗氧化涂層，該涂層在高溫氣流沖刷條件下實驗，表現(xiàn)出較好的抗沖刷和抗熱震性能，是非常好的抗氧化涂層材料，應用前景良好，范圍廣闊，但因其成本太高目前還沒有大范圍推廣使用。

（四）陶瓷材料涂層?，F(xiàn)在來看，國內研發(fā)人員研究最為具體和想盡的一種是陶瓷材料抗氧化涂層體系，它的做法是運用含硅的陶瓷化合物，最為核心的一步是利用高溫下二氧化硅或者反應后生成的二氧化硅來補充涂層中的裂紋等局限，作為密封物質來阻擋氧氣的進入，從而起到抗氧化的作用，這種方法是較為科學和前沿的技術，目前發(fā)展趨勢良好。

（五）復合涂層。以上涂層都各有優(yōu)勢，但也有缺陷，目前而言，最好的是應用復合涂層，因為玻璃涂層的優(yōu)勢是能夠對裂紋起到自愈合作用，其劣勢是高溫下的局限性，從而拘謹了它在高溫下的使用；對于陶瓷材料涂層來講，它的優(yōu)勢是可以承受高溫，但是劣勢是遇高溫容易產(chǎn)生斷裂或裂紋，況且一旦產(chǎn)生裂紋很難復合。所以說，目前最佳的途徑是這兩種材料涂層取長補短結合使用，從而獲得最佳的抗氧化目的。鑒于此，研發(fā)人員研究了多相復合涂層技術，最為常用的是雙相涂層技術，主要是以碳化硅或碳化鈦作為過渡層或中間而減輕高溫產(chǎn)生的熱應力，表面選用耐火的氧化物材料高溫玻璃或高溫合金作為密封層。

三、炭/炭復合材料抗氧化涂層的制作工藝研究情況

炭/炭復合材料抗氧化涂層的制作方法有很多，主要囊括了化學氣相沉積法、火焰噴涂法、離子噴涂法等等方法和技術，近些年來，涂層在制作上的方法和工藝得到了較好的發(fā)展，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。現(xiàn)有涂層工藝的完善和新涂層制備工藝的出現(xiàn)。很多業(yè)已技術成熟的涂層工藝近期得到了很大的發(fā)展，包埋制備工藝方法的發(fā)展就是最好的實證；新涂層制備工藝不斷涌現(xiàn)，最具有代表性的是液相反應法，其最初是由我國某高校復合材料實驗室提出來的一種新方法和新工藝技術，主要利用金屬硅及炭基體良好的潤濕鋪展性，將兩種或兩種以上的金屬混合后涂覆在炭/炭復合材料表面，繼而通過特定的燒結反應工藝使金屬之間發(fā)生化學反應合成金屬硅化物涂層。以后該方法又得到了很大的創(chuàng)新和突破，對抗氧化涂層的研究進展注入了催化劑，發(fā)展迅速。這些新工藝的出現(xiàn)無疑促進了炭/炭復合材料抗氧化涂層的制備方法的發(fā)展和推廣，為炭/炭復合材料在我國航空、航天等領域的應用提供了技術支撐?；谝陨蟽?yōu)越性能，炭/炭復合材料將在宇宙飛船、人造衛(wèi)星、航天飛機、原子彈、導彈等領域具有很大的應用空間，同時，隨著生產(chǎn)技術的日益革新和復合工藝的改進，產(chǎn)量的擴大，炭/炭復合材料將會有很大的發(fā)展。

結束語：本文簡要介紹了炭/炭復合材料及其特點，重點探尋了炭/炭復合材料抗氧化涂層體系的研究現(xiàn)狀，最后簡述了抗氧化涂層的制備工藝研究進展，希望通過本文的研究，能為我國炭/炭復合材料生產(chǎn)企業(yè)的抗氧化應用提供理論參考，也希望為我國的相關科研人員起到一定的借鑒作用。

作者單位：山東中德設備有限公司

作者簡介：王淑霞（1983— ），女，山東濟南人，山東中德設備有限公司助理工程師；孟慶玉（1983— ），男，山東濟南人，山東中德設備有限公司助理工程師；肖之鳳（1984— ），女，山東濟南人，山東中德設備有限公司助理工程師。

參考文獻：

[1]沈曾民.新型碳材料[M].北京:化學工業(yè)出版社，2003，07.

[2]姜銀方.現(xiàn)代表面工程技術[M].北京:化學工業(yè)出版社，2005，11:106.

[3]李鐵藩.金屬高溫氧化和熱腐蝕[M].北京:北京化學工業(yè)出版社，2003，04:206-214.