[发明专利]一种耐烧蚀三维镶嵌陶瓷涂层及其制备方法

说明书

本发明公开了一种耐烧蚀三维镶嵌陶瓷涂层及其制备方法，所述制备方法为在碳材料中设置内凹结构，然后将梯度高导热陶瓷内嵌体，置于内凹结构内中，获得含梯度高导热陶瓷内嵌体的碳材料，再将含梯度高导热陶瓷内嵌体的碳材料置于含硅粉的模具中，通过热蒸镀于梯度高导热陶瓷内嵌体与碳材料内凹结构的表面形成SiC过渡层，最后再于含梯度高导热陶瓷内嵌体的碳材料的表面设置超高温陶瓷涂层，即得耐烧蚀三维镶嵌陶瓷涂层；本发明通过在碳材料中设置梯度结构的高导热陶瓷内嵌体，然后依次进行SiC过渡层以及超高温陶瓷涂层，形成耐烧蚀三维镶嵌陶瓷涂层，在三者的协同作用下，不仅使涂层与基体结合为一体，而且能大幅提升碳材料的抗烧蚀性能。

技术领域

本发明涉及一种耐烧蚀三维镶嵌陶瓷涂层及其制备方法；属于陶瓷涂层制备技术领域。

背景技术

随着航空航天技术的迅猛发展，高超声速飞行器成为现阶段航空航天领域研究的重点。需经历马赫数5以上飞行速度的高超声速飞行器，由于表面强烈的气动加热和高速粒子冲蚀，导致某些部位表面温度高达2000℃以上。那么对其材料的耐温极限、高温氧化和高速气流冲刷下的强韧化性能要求将更加严苛。同时还要保证其材料质量轻，减少重量带来的飞行速度增加的阻力。而在如此恶劣的氧化对流环境中，极少轻质材料能够保持结构和尺寸的完整性。因此，设计和制备出具有良好的高温抗烧蚀性、抗热震性并能保持良好高温强度的热防护材料，是新型飞行器的关键技术。

现有的防热材料主要包括难熔金属、陶瓷材料、C/C复合材料及超高温陶瓷改性C/C复合材料、石墨及其复合材料。每种材料体系都有各自的缺点与不足：难熔金属材料其高温强度与抗热震性存在一定冲突，且其密度较大的缺点严重限制了其使用；陶瓷材料的脆性使其断裂韧性较低，且加工难度大；C/C复合材料在高温下抗氧化性能和抗烧蚀性能较差；单一石墨材料具有和C/C复合材料相同的缺点，即在500℃的高温高氧环境下极易氧化。但由于C/C复合材料具有高强度模量、密度低、热膨胀系数小、耐烧蚀、耐疲劳、化学惰性、尺寸稳定性高、高断裂韧性、高导热率以及低蠕变等一系列优点；在常压下石墨不会出现熔化现象，在高达3700℃的温度下才会出现升华现象，所以石墨的强度随着温度的升高呈现上升趋势，这与大多数材料的强度性质都截然相反，直到温度达到2500℃以上才会出现下降的趋势。其次，石墨材料具有良好的导热性以及抗热震性。石墨的热膨胀系数小，可以承受住温度发生剧烈变化而不损失，且其体积基体保持不变，也不会产生裂纹。同时其导热系数随温度升高而降低，甚至在极高的温度下，石墨成为绝热体。其三，石墨具有超强的耐高温特性。石墨的熔点约为3800~3900℃，沸点为4250℃，在超高温条件下，其质量损失都很小。因此，C/C复合材料和石墨材料是两种非常重要的耐烧蚀热防护材料。为了解决C/C复合材料和石墨材料在500℃以上温度下的抗氧化性能差等问题，国内外研究学者纷纷研究提高C/C复合材料和石墨材料抗氧化性能的超高温陶瓷改性技术。根据C/C复合材料的改性方法的特征可分为两类：一类是基体改性技术；另一种是涂层防护技术。其中，基体改性技术为指通过某种方法向C/C复合材料内部引入抗烧蚀组元，减少基体碳相与外界氧气的接触面积，降低复合材料表面的氧化活性。目前基体改性方法主要有化学气相渗透法(Chemicalvapor infiltration，CVI)、浆料法(Slurry process)、先驱体浸渍-裂解法(Precursorinfiltration and pyrolysis, PIP)、反应熔渗法(Reactive melt infiltration，RMI)等。上述方法均存在一些问题，例如制备周期长、孔隙率高、纤维损伤严重等缺陷，均影响了其改性材料的抗氧化烧蚀性能。而涂层防护技术是在C/C复合材料表面制备一定厚度、成分均匀的耐高温抗氧化烧蚀涂层，从而实现阻隔外界氧与C/C复合材料直接接触来达到防氧化的目的。在C/C复合材料表面制备抗氧化烧蚀涂层的方法主要有浆料刷涂法、包埋法、化学气相沉积法、等离子喷涂法等。与基体改性技术相比，涂层防护是C/C复合材料超高温烧蚀防护最有效的手段。但是涂层防护技术仍然存在一些技术瓶颈，即涂层与基体间的热膨胀系数差异引起热失配，涂层易产生裂纹且与基体结合力差等。涂层在高速气流冲刷作用下难以避免开裂和剥落，最终失去其抗氧化、抗烧蚀能力。目前针对上述问题，国内外研究学者在涂层中引入适量的SiC晶须、SiC纳米线、HfC纳米线或者组成多层涂层等，能在一定程度上优化涂层与基体间的物理相容性，提高涂层的断裂韧性，从而提高涂层在高速气流冲刷下的抗烧蚀性能。文献“Oxidation protection and mechanism of the HfB₂-SiC-Si/SiC coatings modified by in-situ strengthening of SiC whiskers for C/Ccomposites, Tianying Wang,Ruiying Luo, Ceramic International, 44(2018)12370-12380”和“SiC nanowire toughened ZrB₂-SiC ablative coating for SiC coated C/Ccomposites, Yulei Zhang et al. Ceramics International, 41(2015)14579-14584.”均报道了采用纳米线或晶须增强超高温陶瓷涂层的抗烧蚀性能并取得了一定的成就。然而对于这种改进成分的涂层，仍然没有摆脱使用超高温不稳定过渡层SiC层（2700℃升华）的添加。因此目前的超高温抗烧蚀氧化涂层性能的稳定性，仍需进一步研究和探索。