技術(shù)

為了解決C/C、C/SiC和SiC/SiC高溫復(fù)合材料抗高溫氧化能力不足的問題，需要通過開發(fā)新的涂層涂刷保護(hù)，來實(shí)現(xiàn)新型抗氧化防護(hù)涂層滿足 1700℃以上使用要求的目標(biāo)。多次對(duì)位于豐臺(tái)區(qū)東鐵營的北京志盛威華耐高溫防氧化涂料研究發(fā)現(xiàn)，防氧化涂料涂層熱膨脹系數(shù)均明顯高于石墨材料或沿纖維方向的復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)。這使得ZS-1021耐高溫防氧化涂料涂層和高溫復(fù)合材料在高溫下的機(jī)械相容性較差。一方面，由于ZS-1021耐高溫防氧化涂料涂層通常在高溫下沉積而成，其較高的熱膨脹系數(shù)使得涂層中存在一些微裂紋，高溫下微裂紋處的炭暴露于氧化氣氛中發(fā)生氧化反應(yīng)而失重；另一方面,當(dāng)復(fù)合材料工作在從室溫至高溫的熱沖擊條件下，涂層中的微裂紋將會(huì)擴(kuò)展，涂層有剝離和脫落的危險(xiǎn)。涂刷志盛ZS-1011石墨過渡層的主作用是降低涂層與復(fù)合材料之間CTE 的不匹配程度，排除材料中的空氣，增加涂層和基材的附著力，減少防氧化涂層裂紋的產(chǎn)生，避免剝離和脫落。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)使用數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，ZS-1021耐高溫防氧化涂料對(duì)氧阻隔層是阻止高溫原子氧的擴(kuò)散侵入，擴(kuò)散侵入的原子氧會(huì)在高溫下與基體發(fā)生反應(yīng)，削弱涂層與基體的結(jié)合，影響涂層的使用壽命。根據(jù)使用要求，抗氧化涂層有效工作時(shí)間一般在 100 h 以上，C／C 復(fù)合材料允許最大氧化失重為 1％，允許最大氧化速率為 0.01％/h。針對(duì)以上工況要求，ZS-1021耐高溫防氧化涂料，生產(chǎn)時(shí)采用了志盛威華特制高溫溶液，耐溫可以達(dá)到1800℃，可以長時(shí)間耐火燒烤，材料采用納米魚鱗片狀結(jié)構(gòu)，致密性好，有效的防止氧在高溫下的擴(kuò)散，解決氧化氣體接觸基體材料，抗氧化性能好，涂層硬度可以達(dá)到7-8H，硬度高于金屬的硬度。ZS-1021耐高溫防氧化涂料包括了封填和耐燒蝕兩個(gè)層次的功能。封填層，即此層材料在高溫下變成熔融狀態(tài)，會(huì)對(duì)涂層體系中由于熱膨脹系數(shù)不匹配所產(chǎn)生的裂紋進(jìn)行封填，可以有效的防止氧的侵入以及 C 的擴(kuò)散；ZS-1021耐燒蝕層的存在最為關(guān)鍵，由于高溫復(fù)合材料主要應(yīng)用在航空航天和軍事領(lǐng)域，其零部件一般都在高速氣流中工作，如重返大氣層時(shí)的氣動(dòng)加熱可達(dá) 1300～1700℃，耐燒蝕層需要有效的抵抗氣流中熱顆粒對(duì)涂層的沖刷和涂層自身的蒸發(fā)。

ZS-1021耐高溫防氧化涂料涂層的設(shè)計(jì)要求，高溫復(fù)合材料進(jìn)行高溫抗氧化涂層設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮到的主要影響因素，其要求可以概括為以下幾點(diǎn)；
（1）ZS-1021耐高溫防氧化涂料具有較低的氧擴(kuò)散系數(shù)。涂層系統(tǒng)必須能夠有效阻止氧氣的侵入,即具有低的氧擴(kuò)散率。同時(shí)為防止氧擴(kuò)散通道的形成,必須盡量減少涂層中缺陷的數(shù)目，保證涂層材料的均勻性。
（2）ZS-1021耐高溫防氧化涂料能減少炭向外擴(kuò)散。涂層也要能阻止碳原子向外擴(kuò)散，尤其對(duì)含有氧化物的涂層，因?yàn)檠趸镆妆惶歼€原。
（3）ZS-1021耐高溫防氧化涂料有較好的抗沖擊和耐腐蝕性能?？紤]到涂層使用的實(shí)際環(huán)境,涂層要盡可能承受一定的壓力和沖擊力，同時(shí)涂層要具有良好的耐腐蝕性能，主要包括耐酸性、耐堿性、耐鹽性、耐潮濕性等。
（4）ZS-1021耐高溫防氧化涂料具有自愈合能力。高溫熔融時(shí)，根據(jù)不同損耗，涂層要有一定的自身修補(bǔ)愈合能力。
（5）ZS-1021耐高溫防氧化涂料涂層與基體之間要能良好結(jié)合。涂層之間、涂層與高溫復(fù)合材料之間要有較高的結(jié)合強(qiáng)度。這需要好的潤濕性能和選擇正確的工藝途徑。
（6）ZS-1021耐高溫防氧化涂料涂層與材料的蒸氣壓要低。為防止涂層揮發(fā)，涂層要具有低的蒸氣壓。
（7）ZS-1021耐高溫防氧化涂料涂層與基體有良好的物理和化學(xué)相容性。所有界面必須保證機(jī)械和化學(xué)相容性。在升降溫過程中，志盛防氧化涂料涂層之間、涂層與復(fù)合材料之間不發(fā)生相互反應(yīng)生成一些不需要的相，或發(fā)生高溫分解，或發(fā)生伴隨著巨大體積變化的相變。
(8) ZS-1021耐高溫防氧化涂料涂層與基體、涂層的各層之間的熱膨脹系數(shù)要盡可能接近。ZS-1021耐高溫防氧化涂料涂層之間、涂層與復(fù)合材料之間的熱膨脹系數(shù)(CTE)要盡可能接近，以避免產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力而使涂層出現(xiàn)裂紋甚至剝落。
　　在以上諸影響因素中，ZS-1021耐高溫防氧化涂料最關(guān)鍵的是第(1)和(8)點(diǎn)，即涂層的氧擴(kuò)散滲透率和熱膨脹系數(shù)。其中應(yīng)用最廣泛的選擇性涂層是復(fù)合材料膜系，典型的復(fù)合材料吸收膜系有多層漸變金屬陶瓷膜和雙層吸收膜系。