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抗氧化抗烧蚀CVD气相沉积涂层的目的及方法

作者: 编辑: 来源: 发布日期: 2020.07.20
信息摘要:
抗氧化抗烧蚀CVD气相沉积涂层的目的及方法


1、抗氧化抗烧蚀CVD气相沉积涂层的目的

随着工业技术的发展,材料的服役环境更为苛刻,对材料的耐高温、抗氧化、抗烧蚀等性能提出了更高的要求,开发新型高温结构材料来应对日益恶劣的服役环境变得极为迫切。碳基材料,包括 C/C 复合材料、石墨等,是目前已得到 广泛应用的高温材料。它们具有轻质、高强、高模量、良好的高温稳定性和抗热 震性能,被广泛用作高温工程材料,如加热体、电接触材料、高温热交换器、电 极、火箭鼻锥和飞行器前缘材料等[1–3]。虽然这类材料在惰性或真空环境中能够在 3000oC 的高温下保持稳定,但是在 500o C 以上氧化环境中就会发生氧化,限制了 其广泛应用[3–6]。为了能够使碳基材料在高温氧化环境中获得更广泛的应用,必须 提高其抗氧化性能。通过涂层技术改善材料表面性能是一种提高抗氧化性能的有 效方式。超高温抗氧化烧蚀涂层在航天领域可用作热结构材料和烧蚀材料的保护 涂层,有效发挥高温构件的潜在效能,使飞行器热端部件在更高温度条件下服 役,保证其在恶劣环境介质作用下安全可靠并尽可能长时间的运行。  超高温材料是指在超高温环境下(>2000ºC)以及反应气氛(原子氧环境、等离子 体等)中能够保持物理、化学稳定性的一类特殊材料。其中最具发展潜力及应用前 景的是 ZrB2和 HfB 2基超高温陶瓷材料[7–9]。超高温陶瓷材料具有良好的高温强 度、抗氧化和抗烧蚀等综合性能,是非常有前途的高温结构材料之一,能够用于 飞行器鼻锥、翼前缘以及发动机热端等各种关键部位。在超高温陶瓷材料体系 中,ZrB2–SiC 材料体系由于其优异的性能得到了最广泛的研究。但是 ZrB 2–SiC 基 陶瓷仍然存在脆性大、抗热震性能较差的缺点,而且其密度比传统的碳基材料要 大。  由于传统碳基材料和 ZrB2–SiC 基超高温材料均具有各自的优点和缺点。如果 能够通过在碳基材料表面制备 ZrB2–SiC 基陶瓷材料涂层的方法结合基体碳材料轻 质、抗热震性能好、高强高模和 ZrB2–SiC 基陶瓷材料抗氧化耐烧蚀性能好的优 点,解决基体抗氧化性能差和 ZrB2–SiC 基陶瓷抗热震性能差、脆性大的问题,那 么这种碳基材料与 ZrB2–SiC 基陶瓷涂层的组合结构必定能够在苛刻环境条件下获 得广泛的应用。因此,我们希望通过在石墨材料表面制备 ZrB2–SiC 多层涂层的方 法来将基体石墨材料轻质、抗热震性能好的优点与 ZrB2–SiC 基陶瓷材料抗氧化烧

蚀性能好的优点结合起来,获得同时具有良好抗热震、抗氧化、抗烧蚀、轻质等特点的材料。 

2、抗氧化抗烧蚀CVD气相沉积涂层的方法

化学气相沉积  化学气相沉积(Chemical  Vapor  Deposition,CVD)[10,29,30]是把
气态反应剂或液态反应剂的蒸气及反应所需的其它气体引入反应室,使反应剂发
生化学反应在基体表面生成薄膜的过程,这种方法对基体材料的强度和成分影响
很小。由于沉积材料种类和应用范围的不同,CVD 方法也有不同的变体。化学气
相沉积既可以在热壁反应室也可在冷壁反应室进行,既可在亚托(sub–torr)压力以
下也可在大气压力以上进行,既可有载气也可无载气,可在 200~1600o C 的温度范
围内进行。还有一些改进的 CVD 方法,例如使用等离子、离子、光子、激光、热
丝或燃烧反应来促进沉积速率或降低沉积温度。CVD 法制备的涂层均匀致密,结
合强度高,成分易控,而且沉积过程不需要像 PVD 那样高的真空度,易于实现批
量生产。但是 CVD 也存在很多缺点,例如沉积材料的先驱体在室温下要具有挥发
性,虽然使用金属有机先驱体为一些元素解决了这一问题,但是对很多元素来说
其先驱体仍无法满足该条件;CVD 先驱体可能高毒(Ni(CO)4),易爆(B
2H
6),具有腐蚀性(SiCl4);CVD 反应的副产物也可能是危险性产物(CO、H2、HF);一些先驱
体,尤其是金属有机物先驱体,价格昂贵;通常沉积温度很高,在 900o C–2000o C
之间,容易在涂层中产生应力,影响基体和涂层之间的结合强度,限制了基片的
选择范围,从而影响涂层或工件的质量。 


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