C/C復(fù)合材料成為實(shí)用超高溫材料的一個(gè)技術(shù)關(guān)鍵
碳/碳(C/C)復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、高模量、高斷裂韌性、高導(dǎo)熱、隔熱性能優(yōu)異和低密度等優(yōu)異特性,其密度為1.65~2.0g/cm3,僅為鋼的四分之一;摩擦特性好,摩擦系數(shù)穩(wěn)定,并可在0.2~0.45范圍內(nèi)調(diào)整;承載水平高,過(guò)載能力強(qiáng),高溫下不會(huì)熔化,也不會(huì)發(fā)生粘接現(xiàn)象;線膨脹系數(shù)小,高溫尺寸穩(wěn)定性好;使用壽命長(zhǎng),在同等條件下的磨損量約為粉末冶金剎車(chē)材料的1/3~1/7;更奇特的是,其強(qiáng)度隨溫度升高不降反升,是唯一能在2200℃以上保持高溫強(qiáng)度的工程材料;在循環(huán)加載后還會(huì)出現(xiàn)剩余強(qiáng)度升高的現(xiàn)象,即所謂“疲勞強(qiáng)化”現(xiàn)象。
航空航天技術(shù)的發(fā)展對(duì)高溫材料的性能提出了苛刻的要求,尤其是高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱結(jié)構(gòu)件與空天飛行器熱防護(hù)系統(tǒng),在服役過(guò)程中要承受?chē)?yán)重的燒蝕、高速氣流的強(qiáng)沖擊和大梯度的熱沖擊。傳統(tǒng)金屬材料的使用溫度已經(jīng)接近其極限,不能完全滿足使用要求,開(kāi)發(fā)新型超高溫材料迫在眉睫。C/C復(fù)合材料的一系列優(yōu)異特性,使得其用作飛行器熱防護(hù)系統(tǒng)具有其他材料難以比擬的優(yōu)勢(shì)。
但是,C/C復(fù)合材料在高于450℃的有氧環(huán)境下極易氧化,在超高溫極端環(huán)境下燒蝕嚴(yán)重,導(dǎo)致力學(xué)性能急劇下降。這成為阻礙其走向?qū)嵱酶邷夭牧系淖畲笾萍s因素。雖然通過(guò)基體改性可以部分緩解這個(gè)問(wèn)題,但基體改性技術(shù)的防氧化溫度與保護(hù)時(shí)間有限。從目前研究結(jié)果看,C/C復(fù)合材料高溫長(zhǎng)壽命防氧化必須依賴(lài)涂層技術(shù)。
目前開(kāi)發(fā)的防氧化涂層體系主要有玻璃涂層、金屬涂層和陶瓷涂層。玻璃涂層可以用于密封層材料或剎車(chē)盤(pán)非摩擦面的防氧化。金屬涂層采用高熔點(diǎn)和低氧擴(kuò)散系數(shù)的Ir,Hf,Cr,Mo等金屬,對(duì)C/C復(fù)合材料進(jìn)行防護(hù)。陶瓷涂層通常利用硅化物的高溫氧化產(chǎn)物(玻璃態(tài)SiO2)填充涂層中的裂紋,阻擋氧氣滲入。陶瓷涂層是目前高溫防護(hù)效果最好的抗氧化涂層體系。
為進(jìn)一步提高陶瓷涂層的性能,緩解陶瓷與C/C之間熱膨脹系數(shù)的差異,相繼開(kāi)發(fā)了多相鑲嵌、梯度、第二相增韌等陶瓷涂層體系。多相鑲嵌涂層利用大量的相界面來(lái)松弛應(yīng)力,緩解熱失配。據(jù)報(bào)道,Si-MoSi2/SiC涂層經(jīng)1400℃氧化100h后僅失重0.36%;在1500℃下可對(duì)C/C復(fù)合材料有效保護(hù)52小時(shí)。TaxHf1-xB2-SiC/SiC涂層在1500℃下的防氧化壽命可達(dá)到1480小時(shí)。梯度涂層使涂層與基體及多層涂層之間的組成呈連續(xù)分布,可消除界面應(yīng)力,緩解涂層開(kāi)裂趨勢(shì)。據(jù)報(bào)道,(SiC/Si3N4)/C梯度涂層,可用于1500~1550℃抗氧化;在C/C復(fù)合材料表面引入C-SiC梯度涂層,可以有效緩解涂層與基體的熱失配。將小尺寸的第二相引入陶瓷涂層中也可以提高韌性,減少涂層中裂紋。據(jù)報(bào)道,通過(guò)引入SiC,ZrO2納米顆粒和SiC晶須,或?qū)iC,HfC納米線引入涂層中,可以有效抑制涂層的開(kāi)裂。