防氧化涂料高温材料

防氧化涂料高温时工作原理

为了解决C/C、C/SiC和SiC/SiC高温复合材料抗高温氧化能力不足的问题，需要通过开发新的涂层涂刷保护，来实现新型抗氧化防护涂层满足 1700℃以上使用要求的目标。多次对位于丰台区东铁营的北京志盛威华耐高温防氧化涂料研究发现，防氧化涂料涂层热膨胀系数均明显高于石墨材料或沿纤维方向的复合材料的热膨胀系数。这使得ZS-1021耐高温防氧化涂料涂层和高温复合材料在高温下的机械相容性较差。一方面，由于ZS-1021耐高温防氧化涂料涂层通常在高温下沉积而成，其较高的热膨胀系数使得涂层中存在一些微裂纹，高温下微裂纹处的炭暴露于氧化气氛中发生氧化反应而失重；另一方面,当复合材料工作在从室温至高温的热冲击条件下，涂层中的微裂纹将会扩展，涂层有剥离和脱落的危险。涂刷志盛ZS-1011石墨过渡层的主作用是降低涂层与复合材料之间CTE 的不匹配程度，排除材料中的空气，增加涂层和基材的附着力，减少防氧化涂层裂纹的产生，避免剥离和脱落。

根据现场使用数据发现，ZS-1021耐高温防氧化涂料对氧阻隔层是阻止高温原子氧的扩散侵入，扩散侵入的原子氧会在高温下与基体发生反应，削弱涂层与基体的结合，影响涂层的使用寿命。根据使用要求，抗氧化涂层有效工作时间一般在 100 h 以上，C／C 复合材料允许最大氧化失重为 1％，允许最大氧化速率为 0.01％/h。针对以上工况要求，ZS-1021耐高温防氧化涂料，生产时采用了志盛威华特制高温溶液，耐温可以达到1800℃，可以长时间耐火烧烤，材料采用纳米鱼鳞片状结构，致密性好，有效的防止氧在高温下的扩散，解决氧化气体接触基体材料，抗氧化性能好，涂层硬度可以达到7-8H，硬度高于金属的硬度。ZS-1021耐高温防氧化涂料包括了封填和耐烧蚀两个层次的功能。封填层，即此层材料在高温下变成熔融状态，会对涂层体系中由于热膨胀系数不匹配所产生的裂纹进行封填，可以有效的防止氧的侵入以及 C 的扩散；ZS-1021耐烧蚀层的存在最为关键，由于高温复合材料主要应用在航空航天和军事领域，其零部件一般都在高速气流中工作，如重返大气层时的气动加热可达 1300～1700℃，耐烧蚀层需要有效的抵抗气流中热颗粒对涂层的冲刷和涂层自身的蒸发。

ZS-1021耐高温防氧化涂料涂层的设计要求，高温复合材料进行高温抗氧化涂层设计时应考虑到的主要影响因素，其要求可以概括为以下几点；

（1）ZS-1021耐高温防氧化涂料具有较低的氧扩散系数。涂层系统必须能够有效阻止氧气的侵入,即具有低的氧扩散率。同时为防止氧扩散通道的形成,必须尽量减少涂层中缺陷的数目，保证涂层材料的均匀性。

（2）ZS-1021耐高温防氧化涂料能减少炭向外扩散。涂层也要能阻止碳原子向外扩散，尤其对含有氧化物的涂层，因为氧化物易被碳还原。

（3）ZS-1021耐高温防氧化涂料有较好的抗冲击和耐腐蚀性能。考虑到涂层使用的实际环境,涂层要尽可能承受一定的压力和冲击力，同时涂层要具有良好的耐腐蚀性能，主要包括耐酸性、耐碱性、耐盐性、耐潮湿性等。

（4）ZS-1021耐高温防氧化涂料具有自愈合能力。高温熔熔时，根据不同损耗，涂层要有一定的自身修补愈合能力。

（5）ZS-1021耐高温防氧化涂料涂层与基体之间要能良好结合。涂层之间、涂层与高温复合材料之间要有较高的结合强度。这需要好的润湿性能和选择正确的工艺途径。

（6）ZS-1021耐高温防氧化涂料涂层与材料的蒸气压要低。为防止涂层挥发，涂层要具有低的蒸气压。

（7）ZS-1021耐高温防氧化涂料涂层与基体有良好的物理和化学相容性。所有界面必须保证机械和化学相容性。在升降温过程中，志盛防氧化涂料涂层之间、涂层与复合材料之间不发生相互反应生成一些不需要的相，或发生高温分解，或发生伴随着巨大体积变化的相变。

(8) ZS-1021耐高温防氧化涂料涂层与基体、涂层的各层之间的热膨胀系数要尽可能接近。ZS-1021耐高温防氧化涂料涂层之间、涂层与复合材料之间的热膨胀系数(CTE)要尽可能接近，以避免产生较大的热应力而使涂层出现裂纹甚至剥落。

在以上诸影响因素中，ZS-1021耐高温防氧化涂料最关键的是第(1)和(8)点，即涂层的氧扩散渗透率和热膨胀系数。而成的，其中应用最广泛的选择性涂层是复合材料膜系，典型的复合材料吸收膜系有多层渐变金属陶瓷膜和双层吸收膜系。