炭/炭复合材料高温抗氧化涂层的研究进展

摘要：本文简要叙述了阐述了炭/炭复合材料及其特点，重点探讨了炭/炭复合材料高温抗氧化涂层在玻璃、贵金属、陶瓷以及复合涂层等涂层体系方面的研究近况，综述了炭/炭复合材料高温抗氧化涂层目前的最新研究成果。

关键词：炭/炭复合材料；抗氧化涂层；高温

中图分类号：TB3文献标识码：A文章编号：1006-4117（2012）03-0313-01

一、炭/炭复合材料概况

（一）炭/炭复合材料基本介绍。炭/炭复合材料是一种新型工程材料，它是由炭纤维或许多炭织物为增强炭，以化学气相沉积炭所形成的复合材料，其应用主要在航空、航天等国防和民用领域。炭/炭复合材料组成部分有三种，分别是树脂碳、碳纤维和热解炭，由于它的组成元素特殊，几乎全是碳元素组成，因此，具有很高的温度和极大的加热速率。

（二）炭/炭复合材料特点。炭/炭复合材料是碳纤维增强碳基复合材料，它由碳纤维和基体碳两部分组成，具有一系列优良的性能：一是密度小（理论密度为2.2g/cm3，实际密度通常为（1.75－1.9）g/cm3，这个数值为镍基高温合金的25%，为陶瓷材料的一半，这个特点正好满足了目前很多结构或者机械装备轻型化的要求。二是高温力学性能显著，它在高温下表现出来的强度高和模量大还有它的很强的抗断裂性，很低的蠕变性能，尤以其强度随温度升高（可达2200℃），不降低反而升高的特性使其成为一种具有潜力的高温结构材料，这一独特性能是其他材料所不具备的。三是炭/炭复合材料良好的耐摩擦磨损性能和抗烧蚀性能还有高热导率，这是其他相关材料所没有的，较为优越，基于这个特性，它可以应用在飞机的刹车片和轴承上，也可以作为飞机的刹车盘材料。

二、炭/炭复合材料抗氧化涂层体系的研究现状

基体改性和涂层技术是炭/炭复合材料抗氧化的主要方法，这两种方法各有特点。至今，我国已经开发和研制的炭/炭复合材料的涂层体系主要有玻璃涂层、金属涂层、陶瓷涂层以及复合涂层等，下面进行分述：

（一）炭/炭复合材料抗氧化涂层技术。正是由于基体改性法制备的抗氧化炭/炭复合材料在使用中具有局限性，无法满足使用要求，才促使抗氧化涂层法的诞生。与基体改性法相比，抗氧化涂层能够在更宽的温度范围内起到保护作用，同时不会对基体机械性能产生很严重的负面影响。

（二）玻璃涂层。玻璃涂层是炭/炭复合材料抗氧化涂层体系中产生较早的一种，其原理是利用玻璃在高温下所具备的润湿性和低黏度而补充在材料工作时因为机械变形带来的裂缝。从这个意义上讲，玻璃涂层只能用于低温度下的氧化保护层，近些年来，此法得到了长足的发展，成绩较为明显的是：用碳化硅和粘性后做成的的硼硅酸盐玻璃用来提高涂层的抗氧化性能力，效果较为显著，可使炭/炭材料样件在近1500摄氏度的高温下氧化20多个小时，失重率仅有0.6%。

（三）贵金属涂层。许多金属如铱（Ir）、铪（Hf）、钽（Ta）、铂（Pt）等具有很高的熔点，可达2000多摄氏度，高温氧扩散系数很低，因此具有很好的高温抗氧化能力。我们可以用其作为炭/炭复合材料抗氧化涂层，该涂层在高温气流冲刷条件下实验，表现出较好的抗冲刷和抗热震性能，是非常好的抗氧化涂层材料，应用前景良好，范围广阔，但因其成本太高目前还没有大范围推广使用。

（四）陶瓷材料涂层。现在来看，国内研发人员研究最为具体和想尽的一种是陶瓷材料抗氧化涂层体系，它的做法是运用含硅的陶瓷化合物，最为核心的一步是利用高温下二氧化硅或者反应后生成的二氧化硅来补充涂层中的裂纹等局限，作为密封物质来阻挡氧气的进入，从而起到抗氧化的作用，这种方法是较为科学和前沿的技术，目前发展趋势良好。

（五）复合涂层。以上涂层都各有优势，但也有缺陷，目前而言，最好的是应用复合涂层，因为玻璃涂层的优势是能够对裂纹起到自愈合作用，其劣势是高温下的局限性，从而拘谨了它在高温下的使用；对于陶瓷材料涂层来讲，它的优势是可以承受高温，但是劣势是遇高温容易产生断裂或裂纹，况且一旦产生裂纹很难复合。所以说，目前最佳的途径是这两种材料涂层取长补短结合使用，从而获得最佳的抗氧化目的。鉴于此，研发人员研究了多相复合涂层技术，最为常用的是双相涂层技术，主要是以碳化硅或碳化钛作为过渡层或中间而减轻高温产生的热应力，表面选用耐火的氧化物材料高温玻璃或高温合金作为密封层。

三、炭/炭复合材料抗氧化涂层的制作工艺研究情况

炭/炭复合材料抗氧化涂层的制作方法有很多，主要囊括了化学气相沉积法、火焰喷涂法、离子喷涂法等等方法和技术，近些年来，涂层在制作上的方法和工艺得到了较好的发展，主要表现在以下几个方面。现有涂层工艺的完善和新涂层制备工艺的出现。很多业已技术成熟的涂层工艺近期得到了很大的发展，包埋制备工艺方法的发展就是最好的实证；新涂层制备工艺不断涌现，最具有代表性的是液相反应法，其最初是由我国某高校复合材料实验室提出来的一种新方法和新工艺技术，主要利用金属硅及炭基体良好的润湿铺展性，将两种或两种以上的金属混合后涂覆在炭/炭复合材料表面，继而通过特定的烧结反应工艺使金属之间发生化学反应合成金属硅化物涂层。以后该方法又得到了很大的创新和突破，对抗氧化涂层的研究进展注入了催化剂，发展迅速。这些新工艺的出现无疑促进了炭/炭复合材料抗氧化涂层的制备方法的发展和推广，为炭/炭复合材料在我国航空、航天等领域的应用提供了技术支撑。基于以上优越性能，炭/炭复合材料将在宇宙飞船、人造卫星、航天飞机、原子弹、导弹等领域具有很大的应用空间，同时，随着生产技术的日益革新和复合工艺的改进，产量的扩大，炭/炭复合材料将会有很大的发展。

结束语：本文简要介绍了炭/炭复合材料及其特点，重点探寻了炭/炭复合材料抗氧化涂层体系的研究现状，最后简述了抗氧化涂层的制备工艺研究进展，希望通过本文的研究，能为我国炭/炭复合材料生产企业的抗氧化应用提供理论参考，也希望为我国的相关科研人员起到一定的借鉴作用。

作者单位：山东中德设备有限公司

作者简介：王淑霞（1983— ），女，山东济南人，山东中德设备有限公司助理工程师；孟庆玉（1983— ），男，山东济南人，山东中德设备有限公司助理工程师；肖之凤（1984— ），女，山东济南人，山东中德设备有限公司助理工程师。

参考文献：

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