第30卷第10期 腐蚀与防护 Vol 30 No 10 2009年10月 corrosion ProteCtIon er2009 碳/碳复合材料高温抗氧化涂层的研究进展 陈少杰,张教强,郭银明 (西北工业大学理学院,西安710129) 摘要:阐述了国内外近几年来碳碳复合材料抗氧化涂层的研究新进展,并从碳/碳复合材料的氧化机理、抗氧化 涂层的基本条件以及抗氧化涂层类型等方面重点介绍了抗氧化涂层技术。并指出了目前关于抗氧化涂层技术研究 中存在的问题 关键词:C/C复合材料;氧化机理;抗氧化涂层;研究进展 中图分类号:TQ3427;TB304文献标识码:A文章编号:1005-748X(2009)100738-04 Advances in Research on High Temperature Antr oxidation Coatings of C/C Composites CHEN Shao-jie, ZHANGJiao-qiang, GUO Yir ming (Northwestern Polytechnic University, Xi'an 710129, China) Abstract: Research progress of high temperat ure antioxidation coatings of C/ C composites at home and abroad has been reported. The oxidation mechanism of C/C composites and types of antioxidation coatings are emphasized. The problems existing in the oxidation resistance coating research are pointed out Key words C/C composite; oxidation mechanism; antioxidation coating; research progress 0引言 技术的研究成为热点。本文仅就近年来国内外学者 在碳/碳(C/C)复合材料高温抗氧化涂层技术领域 碳/碳复合材料是炭纤维增强炭基体的新型复的研究进展情况进行评述。 合材料,具有低密度(理论密度为2.2g/cm3,实际 密度通常为1.75~2.10gcm2)、低热膨胀系数(仅1c/C复合材料的氧化机理 为金属的1/5~1/10)、高强度、高模量、耐高温、抗 C/C复合材料的氧化机理和规律近十年来才 热震、抗热应力、抗裂纹传播、耐烧蚀、摩擦系数小等开始为人们所重视并开展研究,至今没有统一的氧 特点,尤其是它在1000~2300℃时强度随温度升化理论。西安交通大学的王世驹等研究得出碳 高而升高,是理想的航空航天及其它工业领域的高碳复合材料的氧化侵蚀与温度密切相关 温材料2。然而,碳在370℃的有氧气氛中开始 此外,P.L. Walker等人提出了碳素材料的氧 氧化,高于500℃时迅速氧化,导致碳/碳复合材料化过程可以分为三个阶段:第一阶段是在低于600 毁灭性破坏。这一致命弱点限制了碳/碳复合材料ˆ℃C下,氧化侵蚀首先从碳表面开始,表面的孔穴和纤 的直接应用。因此,对用作高温热结构材料的碳/碳维/基体界面等区域,成为氧化反应的活化点,该阶 复合材料必须进行合适的抗氧化保护 段是由氧化气体与复合材料表面上活性点的化学反 目前碳/碳复合材料的抗氧化设计思路有两应控制;第二阶段是在600~800℃范围,各向异性 种1:(1)基体改性技术。(2)抗氧化涂层技术。由基体炭、各向同性基体炭,纤维的侧表面和末端纤 于基体改性技术防氧化效果十分有限,一般只能在维的芯部依次被氧化,随孔穴、气孔变深变大,基体 1000℃以下,而且保护时间不长,再者会因为基体炭逐渐被氧化掉,该阶段由化学反应控制向扩散控 中引入盐类或陶瓷、金属类颗粒使碳/碳复合材料力制转变,转变温度主要由氧化气体的扩散决定;第三 学性能和热学性能下降。因此,高温抗氧化涂层阶段是在高于转变温度下由氧化气体通过边界气体 层的速度控制,氧化表现为碳纤维自身的径向侵蚀 收稿日期20080909;修订日期2008-1013 微量杂质催化氧化反应的进行168。 联系人:陈少杰,硕士研究生,yeziqingl23@l63.com 201994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net碳/ 碳复合材料高温抗氧化涂层的研究进展 陈少杰 , 张教强 , 郭银明 (西北工业大学理学院 ,西安 710129) 摘 要 : 阐述了国内外近几年来碳/ 碳复合材料抗氧化涂层的研究新进展 ,并从碳/ 碳复合材料的氧化机理、抗氧化 涂层的基本条件以及抗氧化涂层类型等方面重点介绍了抗氧化涂层技术。并指出了目前关于抗氧化涂层技术研究 中存在的问题。 关键词 : C/ C 复合材料 ; 氧化机理 ; 抗氧化涂层 ; 研究进展 中图分类号 : TQ342 + 7 ; TB304 文献标识码 : A 文章编号 : 10052748X(2009) 1020738204 Advances in Research on High Temperature Anti2oxidation Coatings of C/ C Composites CHEN Shao2jie , ZHAN G Jiao2qiang , GUO Yin2ming (Northwestern Polytechnic University ,Xi′an 710129 , China) Abstract : Research progress of high temperature anti2oxidation coatings of C/ C composites at home and abroad has been reported. The oxidation mechanism of C/ C composites and types of anti2oxidation coatings are emphasized. The problems existing in the oxidation resistance coating research are pointed out . Key words : C/ C composite ; oxidation mechanism ; anti2oxidation coating ; research progress 0 引 言 碳/ 碳复合材料是炭纤维增强炭基体的新型复 合材料 ,具有低密度 (理论密度为 2. 2 g/ cm 3 ,实际 密度通常为 1. 75～2. 10 g/ cm 3 ) 、低热膨胀系数(仅 为金属的 1/ 5～1/ 10) 、高强度、高模量、耐高温、抗 热震、抗热应力、抗裂纹传播、耐烧蚀、摩擦系数小等 特点 ,尤其是它在 1 000～2 300 ℃时强度随温度升 高而升高 ,是理想的航空航天及其它工业领域的高 温材料[1 ,2 ] 。然而 ,碳在 370 ℃的有氧气氛中开始 氧化 ,高于 500 ℃时迅速氧化 ,导致碳/ 碳复合材料 毁灭性破坏。这一致命弱点限制了碳/ 碳复合材料 的直接应用。因此 ,对用作高温热结构材料的碳/ 碳 复合材料必须进行合适的抗氧化保护。 目前碳/ 碳复合材料的抗氧化设计思路有两 种[3 ] : (1) 基体改性技术。(2) 抗氧化涂层技术。由 于基体改性技术防氧化效果十分有限 ,一般只能在 1 000 ℃以下 ,而且保护时间不长 ,再者会因为基体 中引入盐类或陶瓷、金属类颗粒使碳/ 碳复合材料力 学性能和热学性能下降。因此 ,高温抗氧化涂层 收稿日期 :2008209209 ;修订日期 :2008210213 联系人 :陈少杰 ,硕士研究生 ,yeziqing123 @163. com 技术的研究成为热点。本文仅就近年来国内外学者 在碳/ 碳(C/ C) 复合材料高温抗氧化涂层技术领域 的研究进展情况进行评述。 1 C/ C 复合材料的氧化机理 C/ C 复合材料的氧化机理和规律近十年来才 开始为人们所重视并开展研究 ,至今没有统一的氧 化理论。西安交通大学的王世驹等[4 ] 研究得出碳/ 碳复合材料的氧化侵蚀与温度密切相关。 此外 ,P. L . Walker [ 5 ]等人提出了碳素材料的氧 化过程可以分为三个阶段 :第一阶段是在低于 600 ℃下 ,氧化侵蚀首先从碳表面开始 ,表面的孔穴和纤 维/ 基体界面等区域 ,成为氧化反应的活化点 ,该阶 段是由氧化气体与复合材料表面上活性点的化学反 应控制 ;第二阶段是在 600～800 ℃范围 ,各向异性 基体炭、各向同性基体炭 ,纤维的侧表面和末端、纤 维的芯部依次被氧化 ,随孔穴、气孔变深变大 ,基体 炭逐渐被氧化掉 ,该阶段由化学反应控制向扩散控 制转变 ,转变温度主要由氧化气体的扩散决定 ;第三 阶段是在高于转变温度下由氧化气体通过边界气体 层的速度控制 ,氧化表现为碳纤维自身的径向侵蚀 , 微量杂质催化氧化反应的进行[ 6 - 8 ] 。 ·738 · 第 30 卷 第 10 期 2009 年 10 月 腐蚀与防护 CORROSION & PRO TECTION Vol. 30 No. 10 October 2009