【复合资讯】李贺军院士团队：碳/碳复合材料新突破！

超声波飞机的发展是21世纪航空航天领域的标志性技术之一，受到广泛关注。火箭发动机、头盖、电机喷嘴、外缘等高超声速航空航天器的关键热结构部件，承受着强烈的气流冲刷和极端的热环境。所以，先进的轻质热保护材料，能抵抗超高温氧化和烧损，是航空界关注的焦点。CC型复合材料具有密度低、热膨胀系数低、高温力学性能好、强度高等优点，使其成为热结构的备选部件。然而，C在400℃以上的含氧烧损环境下，/C复合材料的高氧化敏感性严重限制了其在航空航天领域的可靠应用。所以，为了有效地隔离C/C复合材料和烧损环境，需要热保护涂层。

ZrC是一种超高温陶瓷（UHTC）其中一种是常见的高温烧损涂层材料，因为它具有高熔点和优异的高温稳定性。但ZrC烧损环境下产生的ZrO2层表现出疏松多孔的结构，在烧损过程中ZrO2相变化较大，造成裂纹等缺陷，加速涂层失效。

SiC的被动氧化可以形成SiO2保护液来修复多孔ZrO2框架的不足，从而防止氧气渗入。所以一般采用SiC作为第二相来提高ZrC涂层的耐高温烧损性能。但是，ZrC-SiC热喷涂复合涂层仍然存在一些问题需要解决。首先，由于等离子射流中的加热时间较短，UHTCs粒状粉末在热喷涂过程中没有完全熔化，导致喷漆层出现缺陷。

另外，当SiC燃烧超过1700℃时，SiO很容易产生气态SiO，而气态SiO则很容易逸出，而非形成保护性SiO2玻璃层。由于其粘度在2000℃以上，玻璃SiO2很容易被烧毁火炬冲刷。所以，为了改善热喷涂ZrC-SiC镀层系统，需要添加额外的成分。

为了减少SiC在热喷涂过程中的SiC分解，西北工业大学李贺军院士团队提出了一个新的设计理念，在ZrC-SiHfOC造粒粉表面覆盖MoSi2防护层，形成核壳结构粉末，从而减少SiC在热喷涂过程中的分解。第一，使用3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）通过物理吸附和化学接枝作用，对ZrC-SiHfOC粉进行了化学改性，形成了ZrC。-SiHfOC@记录Z2SHMoSi2(记录@M）核壳粉末。此后，采用超音速等离子喷涂技术，在C/C复合材料表面制备ZrC-SiHfOC-记录Z2SHMoSi2(记录-M）复合涂层。热流密度大约为6 MWAr-O2等离子火焰对其抗烧损性能进行了评估，对改性前后镀层在较高含氧量的评估环境下的服务行为进行了对比研究。

结果表明，在热喷涂过程中，引入熔化水平高、塑性变形强的MoSi2优先进行熔化，可以有效避免SiC相的直接分解，有利于增加沉积颗粒之间的孔隙，显著降低涂层孔隙率；另一方面，ZrC-SiHfOC-经过360sAr-O2等离子烧损评估，MoSi2镀层，质量烧损率和线烧损率分别为-0.05。 mg/s和0.14 μm/s，由于新产生的无氧渗透率较低，ZrSiO4有效地抑制了SiO2玻璃膜的挥发，而致密的氧化层有利于抵抗气流对涂层的冲刷，从而提高涂层的耐烧性。

以“相关研究成果”Ablation behavior of ZrC-SiHfOC-MoSi2 coating for carbon/carbon composites under Ar-O2plasma flame"问题发表于《Corrosion Science》。

图1. ZrC- SiHfOC - 制备MoSi2涂层及等离子烧损工艺。

图2. SEM形状和EDS结果复合粉末

图3. Z2SH粉末和核壳结构Z2SH@M粉末XRD图谱。

图4. Z2SH、MoSi2、Z2SH-Z2SH@M粉末的APTES和核壳结构Z2SH电位比较。

图5. Z2SH粉，Z2SH-FTIR光谱，APTES粉末和核壳结构Z2SH@M粉末。

图6. Z2SH粉末和核壳结构Z2SH@M粉末XPS光谱。

图7. Z2SH@M粉末核壳结构形成示意图。

图8. 复合粉末等离子火焰处理后扫描电子显微镜图像及能谱分析结果

图9. XRD图案（a），Z2SH涂层表面的SEM图像和横截面上的孔分布（b，d，以及Z2SH-M镀层（c，e，E1)SEM图像和孔的分布，以及两种涂层孔隙率的结果（f）。

图10. (a, c) Z2SH-90 涂层光学图像及表面三维形态；(b, d) Z2SH-M-90 涂层光学图像及表面三维形态；(e) 镀层的质量和线性剥蚀速度。

图11. Z2SH-M-360镀层在剥蚀360 S后耐烧损性能。

原文：https://doi.org/10.1016/j.corsci.2024.111944

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原题：李贺军院士团队《复材资讯》：碳/碳复合材料新突破！

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