陕西科技大学Corros. Sci.：以β-Y2Si2O7纳米线增韧的Y2SiO5/Y2O3-Al2O3-SiO2玻璃陶瓷层/SiC层为碳/碳复合材料抗氧化涂层的新颖设计

【引言】

碳/碳复合材料是碳纤维及其织物增强的碳基体复合材料。具有低密度(<2.0g/cm³)、高强度、高比模量、高导热性、低膨胀系数尺寸稳定性高等优点，是如今在1650℃以上应用的少数备选材料，因此被认为是最有发展前途的高温材料之一。

尽管碳/碳复合材料有诸多优良的高温性能, 但在温度高于400℃的有氧环境中发生氧化反应，导致材料的性能急剧下降。因此，碳/碳复合材料在高温有氧环境下的应用必须有氧化防护措施。目前，主要通过以下两种途径：一，在较低的温度下可以采取基体改性和表面活性点的钝化对碳/碳复合材料进行保护；二，随着温度的升高，必须采用涂层来隔绝碳/碳复合材料与氧的直接接触，达到氧化防护的目的。随着技术的不断进步，对碳/碳复合材料超高温性能的依赖越来越多，而在超高温条件下唯一可行的氧化防护方案只能是涂层防护。

【成果简介】

近日，陕西科技大学材料科学与工程学院周磊（第一作者），黄剑锋和曹丽云教授（共同通讯作者）在Corros. Sci.发表了题为“A novel design of oxidation protective β-Y₂Si₂O₇ nanowire toughened Y₂SiO₅/Y₂O₃-Al₂O₃-SiO₂ glass ceramic coating for SiC coated carbon/carbon composites”的研究成果。该工作，以SiC为碳/碳复合材料的基底抗氧化保护层，再以β-Y₂Si₂O₇纳米线增韧的Y₂SiO₅/Y₂O₃-Al₂O₃-SiO₂（Y₂SiO₅/YAS）玻璃陶瓷层包覆的新颖多层包覆体系设计，有效实现了其抗氧化涂层的优异性能。在空气中，50个热循环之后（室温—1673K）之后，其质量损失仅为为36.0 g·m^-2；在1673K下保持176h，其质量损失仅为为31.7 g·m^-2。

【图文导读】

图一. β-Y₂Si₂O₇和Y₂SiO₅的表征

a-c. β-Y₂Si₂O₇纳米线（β-Y₂Si₂O₇ NMs）的XRD/SEM/TEM表征；

d-e. Y₂SiO₅的XRD/SEM表征。

图二. 制备β-Y₂Si₂O₇ NMs- Y₂SiO₅/Y₂O₃-Al₂O₃-SiO₂（β-Y₂Si₂O₇ NMs- Y₂SiO₅/YAS）玻璃陶瓷层的步骤及不同形貌样品照片

图三. 样品表面XRD分析

a. β-Y₂Si₂O₇ NMs- Y₂SiO₅包覆层XRD分析；

b. YAS包覆层XRD分析。

图四. SEM表征及EDS分析

a. β-Y₂Si₂O₇ NMs- Y₂SiO₅的SEM表征；

b-d. β-Y₂Si₂O₇ NMs- Y₂SiO₅/YAS的SEM表征及EDS分析。

图五. 样品断面表征

a-c. β-Y₂Si₂O₇ NMs- Y₂SiO₅的断面SEM表征及EDS分析；

d. β-Y₂Si₂O₇ NMs- Y₂SiO₅/玻璃陶瓷膜的断面SEM表征。

图六. 包覆YAS玻璃陶瓷层和未包覆的样品抗滑载声发射信号曲线

图七. 包覆YAS玻璃陶瓷层和未包覆的样品室温—1673K热循环之后，质量变化曲线

图八. 包覆YAS玻璃陶瓷层和未包覆的样品50次室温—1673K热循环之后的SEM表征

图九. 包覆YAS玻璃陶瓷层和未包覆的样品不同次室温—1673K热循环之后的SEM表征

图十. 包覆YAS玻璃陶瓷层和未包覆的样品，在1673K下的等温氧化曲线

图十一. β-Y₂Si₂O₇ NMs- Y₂SiO₅/YAS玻璃陶瓷膜包覆的SiC-碳/碳复合材料表面及断面1673K下不同氧化时间的SEM表征

a,c,e. 氧化8、32、176h后表面SEM表征；

b,d,f. 氧化8、32、176h后断面SEM表征。

图十二. β-Y₂Si₂O₇ NMs- Y₂SiO₅/YAS玻璃陶瓷膜包覆的SiC-碳/碳复合材料氧化机理

【小结】

这一材料的多层结构设计利用脉冲电弧放电沉积法实现。多孔的β-Y₂Si₂O₇ NMs- Y₂SiO₅使得热应力得以释放；外层致密的YAS玻璃陶瓷膜阻碍了氧气的扩散和传输。

文献链接：A novel design of oxidation protective β-Y2Si2O7 nanowire toughened Y2SiO5/Y2O3-Al2O3-SiO2 glass ceramic coating for SiC coated carbon/carbon composites（Corros. Sci., 2018 DOI: 10.1016/j.corsci.2018.02.054）

本文由材料人编辑部纳米学术组Mr_PSP[彭胜攀]供稿，材料牛编辑整理。

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