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碳碳復合材料未來研究方向及了解抗氧化
C /C 復合材料存在一個致命的弱點， 即在高溫氧化性氣氛下極易氧化。 C/C 復合材料的抗氧化涂層技術已經取得長足進展, 1 650 ℃ 以下抗氧化問題已基本得到解決。 但仍有許多問題懸而未決, 成為各國研究的重點和熱點。
( 1) 新涂層體系的開發。 目前許多研究基本上仍處于實驗室階段, 離實際應用還有一定的距離, 如TiC/ SiC/ ZrO2- MoSi2 涂層體系。
( 2) 高溫長壽命抗氧化涂層體系。 發動機熱端部件對涂層C/ C 復合材料的要求是高溫( 1 650 ℃ ~1 800 ℃) 和長壽命( 300 h~ 500 h) 。 只有用新的涂層制備工藝制備的復合梯度涂層才有希望滿足這樣的要求。 另外, 還沒有1800 ℃ 以上高溫長時間抗氧化涂層體系實際應用的報道。 G. Savage 提出了高于1 800 ℃ 抗氧化涂層體系的結構設計思想: 耐火氧化物/ SiO2 玻璃/ 耐火氧化物/ 耐火碳化物。
在涂層的最外層是耐高溫氧化物以保持高溫穩定性和抗侵蝕;而次外層為低氧擴散率的SiO2 玻璃層作為氧的侵入阻擋層, 并且可以封填外表面涂層中的裂紋; 下一層為可以和最底層碳化物及次外層SiO2 具有化學和物理相容性的耐高溫氧化物層, 以保持結合性; 最底層為碳化物層, 主要保持與上一層氧化物及C/ C 復合材料之間的相容性, 并且阻止碳的逸出。
最底層碳化物的候選材料為TaC、 ZrC、 HfC 和TiC 等, 它們都具有較低的碳擴散率。 另一種涂層系統是Rh/ Ir/ 碳化物。 Rh 阻止氧擴散能力很強, 但在高溫下易與碳化物反應, 故須用Ir 作為隔離層將其與碳化物內層分開, Ir 在2 100℃ 以下對O2和C擴散都是有效的阻擋層。 目前高于1 800 ℃ 使用的C/ C 復合材料抗氧化涂層系統的應用研究正在進行。
( 3) 涂層系統的再利用。 1981 年, 帶有抗氧化涂層的C/ C 復合材料就已正式用于航天飛機鼻錐帽和機翼前緣。 為了保證航天飛機在苛刻太空環境下安全工作, 要求抗氧化涂層具有很好的穩定性。 另外, 為了保證航天飛機能多次成功起飛降落, 要求抗氧化涂層重復使用性和再利用性好, 質量可靠性高。
（4） 測試條件與測試技術。 C/ C 復合材料多用于熱結構部件, 并且實際應用環境極為苛刻, 所以在測試抗氧化涂層性能時, 盡量模擬實際環境。 目前, 一般的測試環境均是在靜態空氣下測試, 這與實際環境相差太大。 因此, 抗氧化涂層要想真正應用到實際中, 還有待于進一步完善測試條件與測試技術。
( 5) 尋求其它制備工藝降低成本。 C/ C 復合材料制備成本已經很高, 如果涂層制備工藝復雜、 周期長, 就會額外增加整個部件的制備成本, 這樣就會更大限制C/ C 復合材料的廣泛應用; 因此尋求更合適 的制備工藝, 也是一項很重要的任務。更多碳碳復合材料信息可查看http://www.zjxycs.cn
