复合涂层

多相镶嵌复合涂层
许多高温陶瓷材料(如MoSi2，AI2O3等)由于与SiC之 间热膨胀系数相差很大，不能直接应用于SiC表面而形成 多层涂层。为了解决此问题，曾燮榕、黄剑锋等人提出 了多相镶嵌复合涂层模式。多相镶嵌复合涂层组分之间 采用互相镶嵌方式有机组合，提高涂层致密度的同时也 缓解了热膨胀不匹配问题。
-20 -40 -60 -80 100 150 200 250 300 350 Time/hour
1500℃静态空气中防护寿 命超过310小时。
SiO2 glass layer transition layer
Fra Baidu bibliotek
Weight loss rate/ -5 -2 -1 (×10 ) /g⋅cm ⋅h
0.6
多相镶嵌涂层
利用多相镶嵌互补原理，构造多相涂层结构，并通过 调整各相含量及分布，解决了硅化物、莫来石等涂层与 C/C热膨胀不匹配、涂层易开裂和剥落等问题。
Si、氧化铝 硅化物、莫来石 SiC
C/C
SiC-CrSi2、SiC-MoSi2/MoSi2、SiC-MoSi2/WSi2 、SiC-Al2O3-莫来石
涂层的高温防氧化性能
8 7 6 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7
Weight loss/%
5 4 3 2 1 0 0 50 100 150
200
Time/h
Si/Y2O3=6:4的涂层试样在1600℃下氧化202小时后失重小于0.7％
梯度复合涂层
由于碳/碳复合材料基体与涂层之间不可避免的热膨胀差 异，故在涂层中易产生裂纹。裂纹除了可以采用前述的密 封层愈合外，还可以通过功能梯度材料原理制作热膨胀系 数梯度变化的涂层消除裂纹。
0
SiC晶须增韧MoSi2-SiC-Si涂层
由料浆法与包埋法制备
3.0 2.5 Weight loss/% 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 0 50 100 150 Oxidation time/hour 200 0% 10%
SiC晶须增韧SiC-CrSi2涂层
在SiC-CrSi2涂层中加入SiC晶须后，涂层在1200-1500℃空气中的防护能力明显提高
目前，与基体结合牢固、稳定的多相镶嵌复合涂层的形成 主要有两种方式。一是粉料经扩散、熔融流动、蒸发、凝 聚、溶解沉淀等渗透作用进入基体与基体发生反应而形成 的；二是首先制备多孔的SiC内涂层，然后将其他耐高温 陶瓷材料通过扩散及传质作用渗透进入SiC内涂层的孔隙 中，从而形成致密的多相镶嵌复合涂层。从断面上看，多 组分之间没有明显的层间界面，这样可以有效解决相或多 项材料之间热膨胀系数不匹配的问题。
晶须增韧陶瓷涂层
拨出桥连
裂纹转向
晶须增韧陶瓷涂层
陶瓷基体 SiC晶须
C/C
SiC晶须增韧SiC涂层 首先采用料浆法在C/C复合材料表面制备含有SiC晶须的 多孔涂层，再采用包埋法填充涂层中的孔隙。
料浆法制备多孔涂层
包埋法填充涂层中的孔隙
SiC晶须增韧SiC涂层（续）
Weight loss/%
0.4 0.2 0.0 -0.2 0 50
涂层试样氧化失重曲线
SiC-莫来石-Al2O3涂层
采用两次包埋技术在C/C复合材料表面制备了SiC-Al2O3-莫来 石复合涂层，克服了国外采用热喷涂、溶胶－凝胶等方法制备 莫来石涂层致密度低，且涂层与基体界面结合差等问题 。
一次包埋制备疏松的SiC内涂层 二次包埋制备致密的复相外涂层
SiC-Al2O3-莫来石复合涂层试样的截面(a)与表面(b)形貌
50
0% 15%
0% 15%
2 1 0 0 10 20 30 40 Oxidation time/ hour 50
1 μm
1μm
(a)
200nm 200nm
(b)
(c)
(d)
•
讨论：
1. 你认为哪一种复合涂层有发展潜力？说出理由。 2. 多层复合涂层的设计思路是什么？
SiO2 + RO2 → RSiO4
原位反应法制备硅酸钇涂层（续）
玻璃外涂层
microcrack 复合涂层截面图 硅酸钇涂层 涂层之间的界面 涂层之间结合十分良好， 界面上相之间自然连接， 说明各层很好的相容性 玻璃 硅酸钇 SiC C/C
Si/Y2O3=6:4制备的涂层试样表面及断面SEM照片
原位反应法制备硅酸钇涂层（续）
SiC-CrSi2涂层
B
Si, Cr Si, C
A
100 80 weight loss/% 60 40 20 0 0 5 10 15 20 25 30 35 oxidation time/hour
SiC-CrSi2 coated C/C SiC coated C/C C/C
SiC-CrSi2涂层在1500℃ 下的防氧化寿命比单层 SiC延长近十倍
碳/碳复合材料高温 抗氧化复合涂层
复合涂层的优异性能
复合材料各组分之间可以取长补短、协同作用， 弥补了单相材料的缺点，改进了单相材料的性 能，甚至可产生单一材料所不具有的新性能。
可以根据表面涂层的性能需求进行设计， 使表面涂层具有更加优异的性能。
¾ 多相镶嵌复合涂层 ¾ 多层复合涂层 ¾ 梯度复合涂层 ¾ 晶须增韧复合涂层
原位反应法制备硅酸钇涂层
开发了一种在氧化性气氛下制备硅酸盐涂层的新方法—原位反 应法，打破了C/C高温涂层仅能在真空或保护性气氛下制备的传统 观念。该方法解决了硅酸盐涂层内部结合力弱的问题，同时实现 了高致密度硅酸钇涂层的制备。
原位反应法制备硅酸盐涂层的形成原理
Si + O2 → SiO2
SiO 2 + RO → RSiO 3 SiO 2 + R2 O3 → R2 SiO5
-0.1 -0.2 -0.3 -0.4 -0.5 0
1500℃氧化315小时 后仍未失重
100μm
50
100 150 200 250 300 350
Oxidation time/h
SiC-MoSi2-CrSi2-Si涂层
采用两步包埋法制备的SiCMoSi2-CrSi2-Si涂层在1500和 1600静态空气环境中可对C/C 复合材料有效保护1000小时 和500小时。
0.3
1.0
Wight gain/%
0.2
Wight loss/%
1500 ℃
0.1
0.8 0.6 0.4 0.2 0.0
1600 ℃
1000 hrs
0.0 0 250 500 750 1000
500 hrs
0 100 200 300 400 500
Oxidation time/h
Oxidation time/h
SiC-MoSi2-WSi2涂层
氧化前
Intensity / a.u.
6000
c
4000
a b a c a c
a-α− SiC b-Si c-(W x Mo 1-x )Si2
c
2000
a
ac a aa
0
50μm
0.1
20
30
40
50
60
o
70
80
2θ / ( )
0.0
氧化后
Weight loss%
硅酸盐涂层 等离子喷涂制备梯度硅酸钇涂层 通过设计成分梯度的涂层结构，成功地解决了硅酸钇与C/C 复合材料热膨胀失配的问题。
典型的三层涂层结构
Glass sealant layer SiO2 • Y2O3 1.5SiO2 •Y2O3 2SiO2• Y2O3 SiC bonding layer
C/C
多层复合涂层
最简单的复合涂层是双层复合涂层。由于SiC与C/C基体 良好的物理化学相容性，双层复合涂层目前大多采用 SiC为内涂层，外层材料则选用耐火氧化物、高温玻璃 或高温合金作为密封层。该种涂层利用密封层对SiC内 涂层的裂纹和孑L隙进行愈合，从而提高复合涂层的抗 氧化能力。
在双层复合涂层研究的基础上，以SiC为内涂层，采用 耐高温陶瓷材料(如ZrO2，MoSi2，Al2O3，莫来石和硅 酸钇等)为热障涂层，以氧气渗透率低的玻璃、硅酸盐等 为外层的三层复合涂层可将高温陶瓷材料的优点结合起 来，发挥各自的作用，达到更满意的抗氧化效果。
30 25 Weight loss/% 20 15 10 5 0 0
5 4 Weight loss/% 3 2 1 0 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Oxidation time/h
Weight loss/ % 3
0% 15%
10
20 30 40 Oxidation time/h
by sintering
SiC
by plasma spray
硅酸钇
by pack cementation
玻璃
梯度复合涂层的结构示意图
SiC/硅酸钇/玻璃复合涂层断面形貌
晶须增韧复合涂层
由于碳／碳复合材料需要在燃气冲刷剪切力作用下 服役，因此，涂层与基体之间结合力以及涂层本身 内聚力的提高是一个比较现实的问题。为了提高这 种结合力和增强涂层的韧性，提出了一种新型的晶 须增韧陶瓷复合涂层技术。