原位合成SiC纳米带增韧ZrB2-SiC高温防氧化涂层研究

To prevent carbon/carbon (C/C) composites from oxidation at the elevated temperature, a novel SiC nanoribbon-toughened ZrB2-SiC coating will be developed by a feasible three-step method in the present project. Firstly, a SiC inner coating will be prepared on C/C composites by pack cementation. Secondly, a porous SiC nanoribbon layer will be synthesized on SiC inner coating in-situ. Lastly, the ZrB2-SiC material will be infiltrate into the porous nanoribbon layer to obtain a dense SiC nanoribbon-toughened ZrB2-SiC coating. The project is aimed at improving the toughness of ZrB2-SiC coating, alleviating the mismatch of coefficient of thermal expansion between C/C substrate and ZrB2-SiC coating and avoiding the cracking and debonding of the coating. In the project, the technological conditions of fabricating SiC nanoribbon-toughened ZrB2-SiC coating and its formation mechanism will be in-depth studied. The effect of the nanoribbons on the microstructure, physical properties, mechanical properties, anti-oxidation properties, thermal cycling and ablation resistance of the coating will be investigated. The reinforcement mechanism of the nanoribbons in the coating will be revealled. The oxidation mechanism of the coating under stress and the oxidation model of the coating in different service environments will be studied. The reasearch results of this project can provide the theoretical foundation for broadening and improving the applications of C/C composites exposed to the extraordinarily high temperature and high gas velocity environment.

本项目针对炭/炭（C/C）复合材料高温易氧化难题，提出开发一种SiC纳米带增韧ZrB2-SiC新型涂层，即首先采用包埋浸渗法在C/C基体表面制备出SiC内涂层，再通过原位合成方法在内涂层表面制备SiC纳米带多孔层，通过包埋浸渗法将ZrB2-SiC基体填充于纳米带多孔层的孔隙内，进而获得致密的SiC纳米带增韧ZrB2-SiC涂层，旨在提高ZrB2-SiC涂层的韧性，缓解ZrB2-SiC与C/C热膨胀不匹配，避免涂层在服役过程中的开裂与剥落。拟通过系统深入研究SiC纳米带增韧ZrB2-SiC涂层的制备工艺条件和形成机理，揭示涂层中纳米带对其微观结构、物理、力学、抗氧化、抗热震和抗冲刷等性能的影响规律，探明纳米带在涂层中的增韧增强机理，探讨涂层在应力作用下的氧化机制，建立涂层在多种服役环境下的氧化模型，为拓展和提高C/C复合材料在高温高速气流冲刷极端环境下的应用范围奠定基础。

陶瓷涂层脆性大、易开裂，制约了其在C/C复合材料氧化防护领域的应用。本项目针对这一难题，将SiC纳米线/带通过CVD和原位生长等方法引入ZrB2-SiC及SiC-Si基陶瓷涂层中，改善涂层与基体之间的热失配，提高涂层的氧化防护能力。主要进展工作如下：.通过对工艺参数的调控，在SiC-Si涂层表面原位合成了SiC纳米线及纳米带，研究了制备温度、催化剂浓度以及吸附氧含量等因素对产物形貌的影响规律，揭示了原位生长纳米线和纳米带的生长机理；通过调节制备温度和催化剂含量，在C/C复合材料及SiC涂层表面用CVD法制备了SiC纳米带。.采用原位反应法制备了ZrB2-SiC涂层并研究了其在1500℃的等温氧化行为，揭示了其高温下的氧化失效机制；制备并研究了SiC-ZrB2-ZrC涂层在900-1500℃全温域环境以及不同氧分压条件下的等温氧化行为，揭示了涂层的氧化失效机制，为该涂层的实际应用提供了参考。.采用电泳沉积和CVD的方法引入纳米线多孔层，制备了SiC纳米线增韧SiC-ZrB2-ZrC涂层，比较了不同方式引入纳米线的增韧效果。通过纳米线拔出、桥联等机制改善了涂层韧性。CVD法制备的纳米线纯度高、长径比大，具有更好的增韧效果。.制备了CVD-SiC纳米带增韧的SiC-Si涂层并研究了其氧化机理。纳米带与涂层之间连通性良好，通过纳米带的拔出、桥联以及诱导裂纹偏转等机制吸收了大量的断裂能、阻碍裂纹宽化、增加了裂纹的扩展路径，进而起到增韧涂层的作用。引入SiC纳米带后，涂层的断裂韧性增加了98%。生长在C/C复合材料孔隙中的SiC纳米带起到了“锚定”的作用。CVD-SiC纳米带增韧SiC-Si涂层在300-1500 oC温度范围内氧化时持续增重，表明其在宽温域范围内均对C/C复合材料具有优异的防护效果。.制备了原位生长SiC纳米线增韧SiC-Si/SiC-Si涂层并测试了其抗氧化性能。与CVD方法生长的SiC纳米线相比，原位生长法制备的SiC纳米线与内涂层之间具有更好的连通性和结合力，能够进一步提高涂层C/C复合材料的氧化防护能力。涂层在全温域范围特别是低温下防氧化性能优异，800 oC静态空气中等温氧化95 h后，氧化增重0.51%。.在该项目支持下，获授权国家发明专利7项，发表SCI论文27篇。培养青年教师1名，博士研究生5名，硕士研究生2名。