Cf/C复合材料基体的三层抗氧化陶瓷涂层：微观结构与性能分析

1.三层体系抗氧化复合陶瓷涂层微观结构

C_f/C复合材料为基体的三层体系抗氧化陶瓷涂层包括过渡层、氧阻挡层和封填层，与基体相接的过渡层是聚硅氮烷加Si粉的裂解产物，即主要由Si—C—N和SiC微晶及单质Si组成；氧阻挡层是聚硅氮烷加MoSi₂粉的裂解产物，即主要由Si—C—N和SiC微晶及MoSi₂颗粒组成；封填层是聚硅氮烷加B₄C粉的裂解产物，即主要由Si—C—N和SiC微晶及B₄C颗粒组成。图3-16所示为C_f/C复合材料三层体系复合陶瓷涂层微观形貌。从图3-16a中可以看出，涂层的各层之间结合紧密，且封填层较为致密。从图3-16b中可以看出，涂层表面均匀，无裂纹和翘起等缺陷。

图3-16 C_f/C复合材料三层体系复合陶瓷涂层微观形貌（SEM）

a）截面 b）表面

2.三层体系抗氧化复合陶瓷涂层的抗氧化性能

图3-17所示为制有三层复合抗氧化涂层的C_f/C复合材料试样在高温（1200℃、1300℃、1400℃和1500℃）空气中氧化2h的氧化失重曲线。从图中可以看出，涂层的抗氧化效果较为理想，1200℃氧化失重率仅有1.81%，当氧化温度达1300℃以上时，氧化失重率小于1%。

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图3-17 C_f/C复合材料三层体系陶瓷涂层抗氧化曲线

3.三层体系抗氧化复合陶瓷涂层抗氧化机理分析

三层体系抗氧化复合陶瓷涂层是在氧阻挡层外面增加了封填层，封填层是由聚硅氮烷裂解生成的Si—C—N和SiC微晶与B₄C颗粒组成，由于B₄C颗粒在550℃就可以被氧化生成具有流动性的B₂O₃，对涂层进行有效的封填，因此，在1200℃氧化时，B₄C颗粒在短时瞬间即可生成B₂O₃，形成自愈合的保护层，克服了MoSi₂和SiC不能在涂层表面生成连续的有效SiO₂保护膜的问题，所以使涂层在1200℃时抗氧化较为理想。高于1300℃氧化时，B₄C颗粒在短时瞬间生成B₂O₃，相对MoSi₂和SiC生成SiO₂保护膜的时间要短得多，所以在短时间内具有抗氧化作用。当然，随着氧化时间的延长B₂O₃会逐渐挥发失去抗氧化功能，但这时MoSi₂和SiC已生成完整、连续的SiO₂保护膜，开始充分发挥抗氧化的作用。所以C_f/C复合材料三层体系抗氧化复合陶瓷涂层结构的设计，一方面，通过B₄C颗粒在短时瞬间生成B₂O₃，能缩短高温氧化初期自愈合保护膜的形成时间，因此提高了高温氧化时的抗氧化性能；另一方面，抗氧化涂层在实际高温环境工作时，势必要经历低温到高温的升温过程，通过B₄C颗粒在550℃就可以被氧化生成具有流动性的B₂O₃，形成自愈合保护层，避免了低温段的氧化失效，因此拓宽了涂层抗氧化的温度范围，即保证了涂层在整个工作温度区间的抗氧化性能。

图3-18所示为C_f/C复合材料抗氧化复合涂层经1300℃氧化2h后的微观形貌。由图3-18a可以看出，氧化后涂层表面与氧化前的相比，因有流动性液体的产生，使涂层表面变得光滑、平整、致密，涂层表面还有由气体（B₂O₃、CO₂、MoO₃等）逸出而产生的少量气孔，以及少量的由于热应力引起的微裂纹。由图3-18b可以看出，氧化后的涂层由于流动性液体的填充而更加致密，且与基体仍然结合紧密，没有脱壳的现象。

图3-18 C_f/C复合材料抗氧化复合涂层氧化后微观形貌（SEM）

a）表面 b）截面