树脂基复合材料与稀土氧化物涂层界面结合及抗氧化性能研究

Deposition of functionally degradation coatings on polymer matrix composites (PMCs) is considered as the effective approach to improve thermal oxidation resistance, the operational temperature and lifetime of PMCs, extending the comprehensive application in the aerospace industry. In this research, in order to weaken heat transfer and oxygen diffusion in the coating, rare-earth stabilized zirconia with low thermal conductivity and rare-earth based silicate with excellent oxygen resistance are designed as thermal barrier layer and oxidation barrier layer respectively, and the functionally degradation coating systems are helpful in improving thermal oxidation resistance of PMCs. Based on the researches regarding the material synthesis, the phase structure, crystal growth behaviour and thermophysical properties of the ceramic materials are controlled. The effects of coating parameters on microstructures, interface bonding state and oxidation resistance properties of the functionally degradation coating systems are investigated. According to these results, the relationship between the microstructures and thermal oxidation resistance of the coatings as well as failure mechanism are proposed, further promoting the development of fabrication of functionally degradation coating systems on the polymer matrix composites.

树脂基复合材料表面沉积功能梯度涂层是显著提高复合材料抗氧化、使用温度和使用寿命的有效途径，有利于拓展其在航空航天领域中的应用。本项目采用热导率低的稀土锆酸盐（RE2Zr2O7）和抗氧扩散性能优异的稀土硅酸盐（RE2SiO5）分别作为热障层和抗氧化层，设计功能梯度涂层来减弱涂层的热传导和氧扩散作用，提高树脂基复合材料的抗氧化性能。以材料合成为出发点，调控陶瓷材料相结构、晶体生长行为和热物理性能，研究功能梯度涂层微观组织结构、涂层与基体之间界面化学及其抗氧化性能的影响，揭示涂层微观组织结构与抗氧化性能之间的关系以及涂层的失效机理，为发展树脂基复合材料表面功能梯度涂层奠定理论基础。

针对树脂基复合材料（PMCs）抗氧化性能较差问题，采用热喷涂技术在树脂基复合材料表面沉积功能梯度涂层可以有效地提高其抗氧化性能和延长其使用寿命，从而拓展其在航空航天领域中的应用。本项目研究了稀土锆酸盐（RE2Zr2O7）和稀土硅酸盐（RE2SiO5）陶瓷材料的溶胶凝胶合成工艺优化、涂层微观组织结构与界面结合研究、以及涂层抗热震性能与恒温抗氧化性能及其失效分析。通过优化溶胶凝胶合成工艺实现了纯相烧绿石稀土锆酸盐和稀土硅酸盐材料的可控制备；结合晶粒尺寸演变，分析了粉末中稀土锆酸盐的晶体生长行为。当热处理温度较低时，稀土锆酸盐晶体结构中存在的氧空位使得晶体生长活化能较低，有利于烧绿石相结构的结晶；而当热处理温度较高时，较高的晶体生长活化能则有利于烧绿石相结构的稳定性。利用抗热震性能评价优化涂层材料与组织结构，随着热震温度的升高，涂层抗热震性能迅速下降，这可归因于高温度差引起的热应力与高温下树脂氧化。在450℃热震循环中，降低Al层厚度可以提高涂层抗热震性能；而且厚稀土锆酸盐层中裂纹、孔隙等缺陷增多，有利于释放涂层中的应力，从而提高其抗热震性能。根据涂层抗热震性能优化结果，研究了Al/稀土锆酸盐涂层450℃恒温氧化行为，基于微观组织结构演变分析了涂层失效模式及其可能的作用机理。当稀土锆酸盐层厚度达到200~225μm时，沉积Al/稀土锆酸盐涂层有效降低了树脂基复合材料氧化失重及其氧化速率，表现出良好的抗热震性能与抗氧化性能；但在涂层微缺陷中氧扩散与热传导的共同作用，沉积的防护涂层只能有效延缓树脂基复合材料中树脂的氧化，并不能完全阻止树脂氧化。