[发明专利]碳基材料表面高温抗氧化多层复合涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及表面涂层技术领域，具体涉及一种碳基材料表面高温抗氧化多层复合涂层及其制备方法。

背景技术

碳基材料如石墨、碳/碳复合材料等具有低的密度和热膨胀系数、高的热导率和化学稳定性，且其强度随温度升高不降反升，是很有前景的高温热结构材料，因而在航空、航天、核能及其他工业领域受到极大瞩目。然而碳在较高温度下（400℃以上）极易与氧化性气体发生化学反应，使其力学性能明显下降，极大限制了其作为高温结构材料在高温氧化性环境中的广泛应用。因此，碳基材料的高温抗氧化防护是实现其实际应用的关键。

涂覆抗氧化涂层被认为是解决碳基材料高温氧化防护的有效手段。由于目前尚未找到可以彻底保护碳基材料免受高温氧化的单一涂层材料，多层复合涂层成为了人们的研究热点和重点。由于SiC与碳基材料良好的物理和化学兼容性，一般被用作过渡层，然后再在其上进一步施加其他保护层，如MoSi₂、Si₃N₄、HfSi₂、WSi₂等，这些材料可以在高温下氧化形成氧渗透率极低的SiO₂玻璃相，并且依靠其在高温下的流动性，封填涂层中的裂纹和孔洞，达到长时间保护碳基体的效果。然而，SiO₂的上限使用温度不超过1700℃，因此这类涂层保护的碳基材料最高使用温度一般不超过1800℃。

为了提高碳基材料的使用温度，需要选择具有更高使用温度的氧扩散阻挡材料及抗氧化材料。金属铱（Ir）具有高熔点（2440℃）、优异的化学稳定性、已知材料中最低的氧渗透率，十分适合作为高温氧化性环境中使用的氧扩散阻挡层。然而，Ir和碳在高温下不反应，且碳在Ir中的固溶度很低，因此Ir涂层在碳基材料上仅为较弱的机械结合，二者间热膨胀系数的差异还会导致碳基材料上Ir涂层的开裂甚至剥落，因此，需要在Ir涂层及碳基材料间添加粘结层以增强其结合强度。Zhu等人采用化学气相沉积铼（Re）涂层作为Ir涂层和碳基材料间的过渡层，显著增加了涂层的结合强度，并部分缓解了热应力，表明了难熔金属Re和Ir及碳基材料间具有良好的物理和化学兼容性[Zhu L. et al., Rhenium used as an interlayer between carbon-carbon composites and iridium coating: adhesion and wettability. Surface and Coatings Technology. 2013; DOI: 10.1016/j.surfcoat.2013.07.013]。