化学气相沉积SiC涂层反应特性及沉积过程的模拟研究

借助基于有限元原理的COMSOL软件和分子动力学模拟原理的Reax FF软件对化学气相沉积技术制备SiC涂层的反应特性及沉积过程进行模拟研究,为高温抗氧化复合涂层体系中SiC中间层的工艺优化及制备提供理论支持。结果表明,化学气相沉积SiC涂层过程包括前驱体三氯甲基硅烷(CH_(3)SiCl_(3))的扩散过程和热解反应过程,SiC涂层在扩散过程不会生长,仅从10^(−4)s后的热解反应过程开始生长,沉积生长过程同时伴随涂层的解离。随着入射粒子能量的增大,单位时间内沉积到基底表面的Si和C粒子数不断增加。提高粒子入射能量有利于提高SiC涂层的致密度,当入射粒子能量大于2 eV时可以实现SiC涂层的均匀生长,而当入射能量高于6 eV时,解离的Si和C粒子数量增大,不利于SiC涂层的生长。综合而言,当入射能量为3 eV时,化学气相沉积的SiC涂层综合性能最佳。

沉积温度对甲基硅烷化学气相沉积SiC涂层显微组织和烧蚀性能的影响

以甲基硅烷(MS)为气源,采用化学气相沉积方法于不同温度下在石墨表面制备SiC涂层,并系统研究温度对SiC涂层的沉积速率、显微组织和抗烧蚀性能的影响规律。实验结果表明:当沉积温度为1000℃时,以MS为气源的SiC涂层的沉积速率为50~120μm/h,远高于以甲基三氯硅烷为气源的沉积速率(5~10μm/h)。当沉积温度较低(900~1000℃)时,以MS为气源所制备的SiC涂层整体光滑、平整,呈球形紧密堆积形貌;沉积温度较高(1100~1200℃)时,SiC涂层呈不规则菜花状颗粒堆积形貌,且微晶尺寸明显增大;当沉积温度为1000℃时,SiC涂层具有合适的致密性、粗糙度以及尺寸均匀的显微组织,同时,该涂层经2300℃等离子烧蚀80 s后,其质量烧蚀率和线性烧蚀率分别为0.0096 mg/s和0.3750μm/s,显示优异的抗烧蚀性能。本研究为以MS为气源的化学气相沉积法制备SiC涂层提供一定的理论基础和技术支撑。

TaC对SiC涂层高温耐烧蚀性能的影响

以Si粉和Ta2O5粉为原料,采用包埋反应工艺在C/C复合材料表面制备SiC涂层和SiC-TaC复合涂层,通过X射线衍射、扫描电镜和高温等离子火焰(2300℃左右)烧蚀实验,研究TaC对SiC涂层微观结构、高温耐烧蚀性能的影响和影响机理。结果表明:TaC可有效提升SiC涂层的高温耐烧蚀性能。经30 s等离子火焰烧蚀后,SiC涂层的质量烧蚀率和线烧蚀率分别为(0.1892±0.0800)mg/s和(1.3867±0.1200)μm/s,而SiC-TaC复合涂层的质量烧蚀率和线烧蚀率分别为(0.0627±0.0500)mg/s和(0.8939±0.0700)μm/s,比SiC涂层的质量烧蚀率和线烧蚀率分别降低66.86%和35.54%。SiC-TaC复合涂层的高温耐烧蚀性能提高主要与涂层的高温稳定性增强及烧蚀过程中熔融Ta2O5相的自愈合作用有关。

CH_(3)SiCl_(3)-H_(2)前驱体化学气相沉积法制备SiC涂层

目的在石墨基座表面制备碳化硅(SiC)涂层,提高其抗氧化性和耐蚀性。方法采用化学气相沉积(CVD)法在高纯石墨基体表面制备SiC涂层,结合热力学分析、SEM、XRD等分析测试方法,分析了SiC沉积过程中气相平衡组成在不同H_(2)/MTS物质的量比时随温度变化的关系,研究了工艺参数对涂层沉积速率和组织形貌的影响,探讨了SiC涂层择优取向的形成机制。结果随着沉积温度升高,SiC沉积过程中主要含碳和含硅中间产物发生转变(CH4→C2H_(2),SiHCl_(3)、SiCl_(4)→SiCl_(2))。涂层沉积速率随温度升高而快速增大,受表面化学反应控制,此时β-SiC易沿着(111)晶面生长,从而形成<111>择优取向。随着沉积温度升高,涂层平均晶粒尺寸增大,同时晶粒尺寸的差异性增强,导致涂层表面粗糙度增大。当H_(2)/MTS物质的量比较大时,单位体积内的MTS浓度降低,进而导致涂层沉积速率下降;随着H_(2)/MTS物质的量比增大,涂层平均晶粒尺寸减小,同时晶粒尺寸的差异性降低,导致涂层表面粗糙度减小;H_(2)/MTS物质的量比较小时,由于H_(2)含量不足,基体表面C活性位点增多,易使涂层富碳。SEM图显示涂层表面致密,呈由砂砾状晶粒组成的菜花状形貌。结论沉积温度为1150℃、H_(2)/MTS物质的量比为15时,能够制备出高纯致密、表面粗糙度较小、沉积速率较快的CVD-SiC涂层。

碳/碳复合材料MoSi_2/SiC涂层在动态氧化环境下的性能研究

为了考察MoSi2/SiC防氧化涂层体系在动态氧化环境下的防护能力,对碳/碳复合材料MoSi2/SiC涂层试样在1100～1500℃下进行了高温燃气高质流冲刷环境下的氧化试验。结果表明,在1100～1500℃的燃气动态环境下,具有稳定的氧化失重速率,氧化失重曲线近似呈直线关系,氧化失重和氧化失重速率均随着氧化温度的升高而降低,表现出该涂层抗高质流冲刷和氧化的能力随温度的升高而提高,在该温度区间内,随着温度的升高,具有更优异的抗氧化和抗高质流冲刷的能力。

CVD过程中温度对SiC涂层沉积速率及组织结构的影响

以CH3SiCl3 H2体系在1000～1300℃沉积了SiC涂层,研究了温度对涂层沉积速率的影响,应用自发形核理论解释了不同沉积温度下CVDSiC涂层的组织结构。结果表明,随着沉积温度的提高,CVDSiC涂层的沉积速率相应增大;1000～1200℃沉积过程为化学动力学控制过程,1200～1300℃沉积过程为质量转移控制,1000℃和1100℃沉积的SiC涂层表面光滑、致密;1200℃和1300℃沉积的SiC涂层表面粗糙、多孔;随着沉积温度的提高,CVDSiC涂层的晶体结构趋于完整,当温度超过1150℃时,涂层中除β SiC外还出现了少量α SiC。

带有SiC涂层的C／C复合材料的氧化行为

采用包埋法在C／C复合材料表面制备了SiC高温防氧化涂层。利用SEM和XRD等方法对涂层的微观形貌和晶相组成进行了观察与分析，并对带涂层试样在室温-1500℃范围内的氧化行为进行了研究。结果表明，涂层主要由β—SiC和少量的游离si组成，涂层表面有裂纹存在，涂层与C／C复合材料基体结合良好，呈现犬牙状结合。在室温-1500℃之间，带SiC涂层C／C复合材料的氧化行为可分为4个阶段，涂层在高温区具有较好的防氧化性能。

沉积位置对化学气相沉积SiC涂层微观组织的影响

利用化学气相沉积法在C/C复合材料表面制备了SiC涂层,并借助扫描电子显微镜和X射线衍射等手段对不同位置沉积产物的微观形貌、相组成以及厚度进行了测试.推导出了沉积位置与反应气源过饱和度的定性关系,分析了反应气源过饱和度对SiC涂层形貌、晶粒尺寸以及涂层厚度的影响.研究结果表明:沿着沉积炉内气体流动的方向,反应气源的过饱和度逐渐降低,沉积所得β SiC涂层形貌由颗粒状向须状转变,晶粒尺寸与涂层厚度逐渐减小.

包埋工艺参数对碳/碳复合材料表面SiC涂层致密性的影响

采用包埋法在碳/碳(C/C)复合材料表面制备出不同致密度的SiC涂层,用正交试验法系统研究了包埋温度(A)、包埋时间(B)、烧结助剂Ⅰ含量(C)、烧结助剂Ⅱ含量(D)、硅含量(E)等工艺参数对SiC涂层抗氧化性能(用抗氧化性能表征涂层的致密性)的影响。结果表明:研究的包埋工艺参数对SiC涂层抗氧化性能(致密性)影响的显著性从大到小依次为A,C,E,D,B;在A_1 B_1 C_1 D_1 E_1工艺条件下所得的SiC涂层最疏松;通过改进参数,在A_3 B_2 C_4 D_2 E_4工艺条件下所得的SiC涂层最致密,该涂层可在1 500℃空气中提供10 h以上的抗氧化保护。

SiC涂层对碳纤维抗氧化性能的影响

采用高能球磨的Si、C粉体,利用原位反应法在碳纤维表面制备得到了SiC涂层。利用XRD,SEM,TEM等分析测试手段对碳纤维涂层进行了相组成及形貌分析。通过对涂SiC和未涂SiC纤维的等温氧化试验,对涂层碳纤维抗氧化性能进行了研究。结果表明:制备的涂层均匀完整,涂层组成为纳米结构的β-SiC,厚度约为30 nm。在400～700℃SiC涂层可对碳纤维起到抗氧化作用。600℃氧化3h后,没有涂层的碳纤维表面出现明显的氧化侵蚀坑,而涂有SiC涂层的碳纤维损伤不明显。

SiC涂层对不同碳基体氧化防护行为的研究

为了提高碳材料的抗氧化性能,采用料浆烧结法在石墨和C/C复合材料上制备了SiC抗氧化涂层。测试了SiC涂层在1200℃的高温下对不同碳基体的氧化防护能力,利用扫描电子显微镜(SEM)、X-射线衍射仪(XRD)对涂层结构进行分析。结果表明:SiC涂层对不同碳材料的抗氧化防护行为有很大差异,在1200℃的高温下S iC涂层对石墨具有较好的抗氧化性能,而对C/C复合材料的氧化防护性能较差。

SiC涂层制备工艺对碳纤维抗氧化性的影响

采用先驱体浸渍裂解（PIP）法,在碳纤维表面制备了SiC涂层.研究了涂层制备工艺对编织体抗氧化性能的影响.结果表明,经质量分数为10%的聚碳硅烷（PCS）溶液循环浸渍裂解所得样品的抗氧化性能最佳,950℃保温30 min,该样品仍有30%的剩余,较原始碳纤维的完全失重温度提高了300℃.对SiC/碳纤维等温条件下氧化反应的动力学研究表明,材料的等温氧化反应在低温阶段（450-550℃）为扩散和反应共同控制,在高温阶段（550-700℃）为反应控制.基体材料的非等温氧化过程呈现自催化特征。

激光熔覆Ni基合金SiC涂层耐冲蚀性能的研究

采用激光熔覆技术分别在45#钢表面制备Ni基合金及Ni基合金 SiC涂层,研究了熔覆层的硬度和耐冲蚀性能,探讨了熔覆层的冲蚀磨损机理。

PCS先驱体转化法制备SiC涂层的浸渍工艺

在聚碳硅烷 (PCS)先驱体转化法制备 Si C涂层的浸渍工艺参数中 ,浸渍溶液的 PCS浓度对涂层形貌影响最大 ,而其他参数的影响很小。当 PCS的浓度不大于 30 %时均可以获得均匀、致密的 Si C涂层。随着 PCS浓度的增大 ,涂层厚度增加 ;单次浸渍可获得的 Si C涂层最大厚度为 1～ 2 μm。

稀释气体对化学气相沉积SiC涂层生长行为的影响

以CH_3SiCl_3-H_2为反应气体，采用Ar和H_2作为稀释气体，在1100℃、负压条件下，由化学气相沉积制备了SiC涂层，研究了稀释气体对涂层沉积速率、形貌以及晶体结构的影响。以Ar为稀释气体时，随着稀释气体流量的增加沉积速率迅速减小；用Ar作稀释气体制备的SiC涂层相对粗糙，随着Ar流量的增加，晶粒簇之间的空隙较大，涂层变得疏松。XRD分析表明：当稀释气体Ar流量超过200 ml／min时，涂层中除了β-SiC外，还逐渐出现了少量的α-SiC。以H_2为稀释气体时，当H_2流量增加到400 ml／min时，涂层的沉积速率迅速增大；以H_2为稀释气体制备的SiC涂层致密、光滑，沉积的SiC涂层全部是β-SiC，且具有非常强的(111)晶面取向，涂层中无α-SiC出现。

石墨表面CVD SiC涂层微观结构研究

研究CH3SiCl3-H2-Ar体系中在石墨表面化学气相沉积SiC涂层工艺,并对涂层形貌进行SEM分析。考察沉积温度、气体比例、气体流量以及稀释气体含量对化学气相沉积SiC涂层的显微结构的影响。结果表明,在温度1100℃,H2∶MTS=5∶3,气体流量8L/min,稀释气体1L/min时,制备的涂层致密光滑。其中涂层的形貌对温度最敏感,当沉积温度达到1100℃时,CVD SiC涂层表面致密且光滑。

SiC涂层工艺对三维碳纤维编织物抗氧化性的影响

采用先驱体浸渍裂解(PIP)法在碳纤维表面制备SiC涂层。研究了涂层制备工艺对编织体抗氧化性能的影响。结果表明,经质量分数为10%的聚碳硅烷(PCS)溶液循环浸渍裂解所得样品的抗氧化性能最佳。对SiC/碳纤维非等温条件下氧化反应的动力学研究结果表明,SiC涂层/碳纤维的非等温氧化过程呈现自催化特征。氧化机理为随机成核,动力学参数为1gA=15.223 min^(-1),E_a=157.15 kJ·mol^(-1)。

不同压力下硬质合金表面微波等离子体化学气相沉积SiC涂层规律性的研究

以氢气和四甲基硅烷作为先驱气体,采用微波等离子体化学气相沉积法,不同沉积压力条件下、在YG6硬质合金表面制备了的SiC涂层。利用SEM、EDS、XRD、划痕测试法对SiC涂层的表面形貌、相组成和附着力进行了分析。实验结果表明,在较低的压力下,SiC涂层为胞状的纳米团聚物,且胞团的尺度随压力的升高而变小;随着压力的升高,胞状SiC开始并最终全部转变为片层状SiC,并在此过程中伴随着颗粒状Co2Si的形成与长大;随着压力的继续升高,片层状SiC开始转变为须状SiC。胞状SiC向片层状SiC的转变会使涂层致密度提高,而涂层对硬质合金衬底的附着力也会随之增强;Co催化作用的上升引起的片层状SiC向须状SiC的转变会导致SiC涂层的附着力明显降低。以具有片层状特征的SiC作为过渡层,可在未经去Co酸蚀预处理的硬质合金衬底上制备出具有较好附着力的金刚石涂层。

不同增强体对SiC涂层性能的影响

采用3种工艺,以石墨为基体制备SiC抗氧化涂层,通过引入不同组分优化涂层相结构并对其性能进行研究。分别测试了不同制备工艺下的试样在1400℃下的抗氧化性能。通过分析试样氧化前后表面及侧面的SEM图以及涂层XRD衍射结果,研究涂层形貌、相结构及氧化机理。实验结果表明,同时引入SiC晶须及MoSi2的涂层在1400℃下氧化10h,氧化失重不超过1%,表现出良好的抗氧化性能;SiC晶须的存在能够减少涂层微裂纹的产生,减少渗Si过程中Si对基体的腐蚀;MoSi2和Mo的加入均能提高涂层质量并表现出较好的自愈合能力。

SiC涂层对高温气冷堆用石墨摩擦磨损性能的影响

利用MM-200磨损试验机对高温气冷堆反射层用石墨(IG11)及HTR-10高温气冷堆燃料元件基体石墨(MG)的摩擦磨损性能进行了研究。结果发现,摩擦系数随载荷增加而逐渐减小,两种石墨的摩擦系数基本相同。石墨的磨损速率随载荷增加而增大,石墨IG11的耐磨性优于MG的。利用气相反应扩散法在石墨基体上涂覆SiC涂层后可以明显改善其耐磨性,且随着涂覆温度的升高改善效果更为明显;低温涂覆SiC涂层后IG11的耐磨性优于MG的,高温涂覆SiC涂层后MG的耐磨性优于IG11的。