经过上述对C/C复合材料抗氧化弱区的分析可知,作为碳材料已使其先天不抗氧化,即使通过优化组织,结构和工艺条件可一定程度改善C/C复合材料的缺陷从而改善其抗氧化能力,但此种抗氧化的效果却极为有限。最为有效的方法是将C/C复合材料用抗氧化物质保护起来使氧化气氛难于与C/C复合材料直接接触,或在材料内部加入抑制碳材料氧化的改性剂,从而起到抗氧化的目的。
1. C/C复合材料的抗氧化思路
具体的抗氧化方法有三种:碳纤维表面涂覆抗氧化涂层;C/C复合材料整体外涂层;C/C复合材料基体改性。
氧化物陶瓷或非氧化物陶瓷材料被用于制备C/C复合材料的涂层或加入碳基体中充当抑制剂,其抗氧化机理可简单描述如下:
1)隔离碳材料表面的氧化活性点;
2)非氧化物陶瓷在高温氧化气氛下,与O2反应生成氧化物陶瓷,氧化物陶瓷在高温下具有流动性,能封填在高温下涂层形成的裂纹,从而阻止氧化气氛的渗入,保护内部的碳材料;
2.作为抗氧化性物质应具备的性能
用作C/C复合材料抗氧化涂层或基体改性剂的陶瓷材料应具备如下性能:
1)与C/C复合材料良好的化学相容性,即可在C/C复合材料基材上形成牢固的涂层。
2)热膨胀系数与C/C复合材料接近,以防止高温下涂层材料形成裂纹而成为氧化气氛的扩散通道,热膨胀系数不匹配产生的最为严重的情况是涂层完全剥离,使C/C复合材料暴露于氧化性气氛下。
3)高熔点。若熔点低则在高温下易于挥发。
4)高温下蒸气压小,以防止高温下挥发。
5)低的氧扩散速率,阻止氧渗透,减少基材的氧化。
6)作为玻璃涂层,在高温下应有合适的粘度和浸润性。粘度过大不能有效封填裂纹,粘度过小易于流失,均不能有效封闭裂纹,阻塞氧化气氛通道。
7)较大的硬度,以防止受高速粒子冲刷而剥离。
对陶瓷材料的热膨胀系数、高温下的蒸气压、氧扩散速率等性能进行了总结(见图9.3、图9.4、图9.5):
表1.1为各种陶瓷材料的密度等性能[33,34]
表1.1陶瓷材料的性能
材料
密度
熔点
硬度
结晶形态
单位
g/cm3
℃
N/mm2
SiO2
2.32
1710
—
—
ZrO2
6.1
2650
—
—
BeO
3.03
2520
—
—
ThO2
10.01
3300
—
—
Al2O3
3.97
2015
—
—
β-SiC
3.21
2100
(转化)
24990
立方
α-SiC
3.21
2500(分解)
29400
六方
B4C
2.51
2450
27440~48510
六方
TiC
4.94
3067
立方
ZrC
6.44
3420
25480
立方
HfC
12.20
3887
22540
立方
BN
2.27
3000
六方或菱形六面体
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