周帆, 田志林, 李斌

无机材料学报 2025, 40 (1): 1-16. DOI:10.15541/jim20240317

摘要（1152）

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碳化物超高温陶瓷具有高熔点(>3000 ℃)、高硬度、低热导率、优异的耐高温性和良好的化学稳定性等优点, 是高超声速飞行器热防护系统的理想涂层材料。本文概述了碳化物超高温陶瓷(TiC、ZrC、HfC、NbC、TaC)的结构与性质, 总结了化学气相沉积法、等离子喷涂法和固相反应法制备碳化物超高温陶瓷涂层的研究进展, 分析了涂层微观结构、组分、结构设计以及热流密度对烧蚀行为的影响。研究表明, 添加第二相形成多元复合涂层和采用多层结构设计, 可以有效提升碳化物超高温陶瓷涂层的抗烧蚀性能。添加第二相形成复杂氧化物, 可使烧蚀后的氧化层适度烧结, 从而获得良好的结构完整性和阻氧性能。采用梯度分层和多层功能结构设计, 有效缓解了涂层热应力, 抑制了裂纹扩展, 并促进了不同层间的协同增强作用。最后, 结合研究现状, 对碳化物超高温陶瓷抗烧蚀涂层发展面临的挑战与机遇进行了展望。

等离子喷涂和CVD制备的碳化物UHTCs具有不同的微观结构, 前者一般具有更高的孔隙率, 进而表现出不同的烧蚀特性。CVD碳化物UHTCs涂层烧蚀后经常会生成致密的MeC_xO_y过渡层, 起到良好的阻氧作用。Wang等[156]采用CVD在C/C复合材料表面沉积了HfC涂层, 并研究了涂层在烧蚀过程中的物相和结构演变。烧蚀后, 涂层表面出现三个不同的区域: 中心烧蚀区、过渡烧蚀区和外部烧蚀区。在中心烧蚀区和过渡烧蚀区, 从烧蚀涂层的横截面上可以识别出四个层: 外部氧化层、过渡夹层(HfC_xO_y)、残余碳化物层和C/C基底, 如图6(a)所示。Wang等[157]采用CVD在C/C复合材料表面制备了ZrC涂层, 在经历60 s氧乙炔烧蚀后, 涂层由ZrO₂外层、ZrC_xO_y过渡层(8~15 μm)和残余ZrC层组成。其中, ZrC_xO_y层非常致密, 阻止了氧气进一步扩散到涂层中, 如图6(b)所示。Sun等[158]在C/C复合材料表面制备了CVD ZrC涂层, 经过180 s氧乙炔烧蚀后, 涂层呈现出分层结构: 顶部是致密的ZrO₂层(30 μm), 其下是未氧化层。随着与C/C复合材料基底距离的缩短, 未氧化层中C/Zr比例依次为1 : 1、1 : 3和7 : 10。而在等离子喷涂碳化物UHTCs涂层中尚未发现致密的MeC_xO_y过渡层。Hu等[147]采用等离子喷涂制备了ZrC涂层, 经过30 s氧乙炔烧蚀后, 涂层厚度显著增加, 超过了200 μm, 同时膨胀区域形成了多条水平裂缝。ZrO₂外层呈现多孔结构, 存在较大的孔隙, 并未形成致密的过渡层。在Feng等[127]研究中, 经氧乙炔烧蚀后的等离子喷涂ZrC涂层出现了因热应力不匹配而产生的层间裂纹, 同时在底部SiC过渡层中观察到明显的气孔, 如图6(c)所示。这表明氧气已经透过ZrC涂层扩散到基底。因此, 相较于等离子喷涂, 采用CVD制备的碳化物UHTCs具有更致密的微观结构, 在烧蚀过程中能更好地形成致密过渡层, 有效阻止氧气向内部扩散。

碳化物UHTCs涂层具有优异的高温力学性能和化学稳定性, 是高超声速飞行器热防护系统的理想材料.近年来, 研究人员采用化学气相沉积、等离子喷涂和固相反应法等工艺在C/C复合材料表面制备了单一组分涂层、多元复合涂层和多层复合涂层等多种防护涂层.涂层的微观结构、组分和层间结构设计显著影响其抗烧蚀性能.目前, 碳化物UHTCs抗烧蚀涂层的研究还面临诸多挑战和机遇. ...

Structural evolution and ablation mechanism of a hafnium carbide coating on a C/C composite in an oxyacetylene torch environment

2012

... 等离子喷涂和CVD制备的碳化物UHTCs具有不同的微观结构, 前者一般具有更高的孔隙率, 进而表现出不同的烧蚀特性.CVD碳化物UHTCs涂层烧蚀后经常会生成致密的MeC_xO_y过渡层, 起到良好的阻氧作用.Wang等[156]采用CVD在C/C复合材料表面沉积了HfC涂层, 并研究了涂层在烧蚀过程中的物相和结构演变.烧蚀后, 涂层表面出现三个不同的区域: 中心烧蚀区、过渡烧蚀区和外部烧蚀区.在中心烧蚀区和过渡烧蚀区, 从烧蚀涂层的横截面上可以识别出四个层: 外部氧化层、过渡夹层(HfC_xO_y)、残余碳化物层和C/C基底, 如图6(a)所示.Wang等[157]采用CVD在C/C复合材料表面制备了ZrC涂层, 在经历60 s氧乙炔烧蚀后, 涂层由ZrO₂外层、ZrC_xO_y过渡层(8~15 μm)和残余ZrC层组成.其中, ZrC_xO_y层非常致密, 阻止了氧气进一步扩散到涂层中, 如图6(b)所示.Sun等[158]在C/C复合材料表面制备了CVD ZrC涂层, 经过180 s氧乙炔烧蚀后, 涂层呈现出分层结构: 顶部是致密的ZrO₂层(30 μm), 其下是未氧化层.随着与C/C复合材料基底距离的缩短, 未氧化层中C/Zr比例依次为1 : 1、1 : 3和7 : 10.而在等离子喷涂碳化物UHTCs涂层中尚未发现致密的MeC_xO_y过渡层.Hu等[147]采用等离子喷涂制备了ZrC涂层, 经过30 s氧乙炔烧蚀后, 涂层厚度显著增加, 超过了200 μm, 同时膨胀区域形成了多条水平裂缝.ZrO₂外层呈现多孔结构, 存在较大的孔隙, 并未形成致密的过渡层.在Feng等[127]研究中, 经氧乙炔烧蚀后的等离子喷涂ZrC涂层出现了因热应力不匹配而产生的层间裂纹, 同时在底部SiC过渡层中观察到明显的气孔, 如图6(c)所示.这表明氧气已经透过ZrC涂层扩散到基底.因此, 相较于等离子喷涂, 采用CVD制备的碳化物UHTCs具有更致密的微观结构, 在烧蚀过程中能更好地形成致密过渡层, 有效阻止氧气向内部扩散. ...