SiC晶金属陶瓷复合涂层制备技术的研究
【摘要】随着科学技术与制造技术日新月异的发展,氧化铝陶瓷
在现代工业中得到了深入的发展和广泛的应用。本文介绍了sic晶
金属陶瓷在各个研究领域的应用及其制备工艺,以sic晶金属陶瓷
性能为基础,综述了它在所应用领域的发展状况。采用泥浆预涂层
反应法在c/sic复合材料表面制备si/sic涂层。通过理论计算和
实验确定了制备致密不开裂涂层的泥浆配比；研究了埋粉烧结和气
相硅真空反应烧结2种不同烧结气氛对si/sic涂层微观形貌和成
分的影响；分析了不同涂层的工艺过程、工艺特点、性能以及优缺
点，提出了高温反应合成涂层技术存在的问题，展望了研究发展方
向。
【关键词】sic涂层，金属陶瓷，复合涂层
中图分类号：tu74 文献标识码：a 文章编号：
一.前言
高新技术和工业现代化的持续高速发展使得各种机械零件的工
作条件日益苛刻。由于零部件的破坏往往从表面开始,表面的局部
破坏又会导致零件的整体失效,因此, c/c和sic复合材料具有诸多
优异的高温性能,如高温稳定性、较高温度下低的线膨胀系数、强
度随温度升高而增加、摩擦系数稳定等,在航天、化工、冶金、交
通和机械工业等领域备受青睐采用包埋法在c/c复合材料表面制备
了sic高温防氧化涂层。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和sic复合材料基体结合良好,呈
现犬牙状结合, 在sic晶金属陶瓷复合涂层制备技术方面得到了完
美体现。
二.sic晶金属陶瓷复合涂层
采用料浆法在c/c复合材料sic内涂层表面制备出分别适用于
900℃、1300℃和1500℃长期防氧化的陶瓷外涂层。当sic内层为
采用两步包埋法制备的致密涂层时，适用于900℃的sic/陶瓷涂层
具有较好的防氧化性能，涂层试件在900℃静态空气中氧化100小
时后失重率仅为0.14%，
涂层在试件在氧化过程中表现为微量失重的主要原因是陶瓷涂
层在氧化温度下的缓慢挥发。陶瓷的涂层适用1400℃左右的防氧化
陶瓷密封层结构为mosiz相分散于硼硅酸盐玻璃相之中。而且该涂
层具有非常好的的抗氧化性能和抗热震性能的特点，在1400℃左右
的静态空气中氧化中放置160小时和经19次1400℃。室温急冷急
热循环后，涂层试样的氧化失重率可能达到仅仅的2.16%。
因为氧通过涂层中的裂纹扩散至基体表面而氧化基体涂层试件
的氧化是主要原因，以及部分区域的涂层脱落所引起的。制备的适
用于1500℃防氧化的陶瓷涂层可在1500℃空气中对c/c复合材料
有效保护140小时以上。该涂层试件在1500℃空气中的氧化失重主
是由于陶瓷涂层的开裂以及涂层表面气孔的形成引起的。
带有sic和sic和c混合材料涂层的c/c复合材料的质量变化速
率随温度的升高而慢慢地降低。在这个过程中，带有sic涂层的c/c
复合材料表面已形成sio2薄膜，很少量氧气会通过扩散穿过涂层,
在c/si复合材料表面就被消耗，c/c复合材料发生近表面不均匀氧
化。随着温度升高, sio2薄膜的厚度逐渐增大，扩散进入材料内部
的氧化性气体逐渐减少，带有sic涂层的c/c复合材料的失重速率
逐渐降低。因此，第4阶段为近表面不均匀氧化阶段。
三.金属陶瓷材料体系的选择原理
如何改善金属对陶瓷的润湿性从而改善材料烧结及机械性能成
为当前金属陶瓷材料制备中的一个重要问题。因为陶瓷和金属的晶
体类型及物理化学特性的差异，陶瓷和金属的的相容性很差，很大
一部分液金属都不能够润湿陶瓷。
1．提高陶瓷组分的细度、分散度及增加表面缺陷来改善两相间
的润湿性.陶瓷细度以及分散度的加大必然增大了陶瓷相的比表面
积和反应活性，增加表面缺陷可起到加大陶瓷表面能的作用同样提
高了陶瓷相的反应活性从而促进了润湿。
2. 陶瓷涂层与多孔sic的原因是由于涂层防氧化失效的根源而
造成的。陶瓷涂层内涂层的界面因为存在很多孔隙而结合比较差。
为了提高内外涂层间的界面结合力，常常通过调整涂层原料配方与
制备温度，在c/sic复合材料表面制备致密的sic内涂层，陶瓷外
涂层的制备工艺对c/sic含量一般制备复合涂层的含量要高出一
倍。
四.带有sic涂层的c/sic复合材料的氧化过程
1. 当前提高c/sic复合材料抗氧化性能的方式主要有两种方式:
一种方式是以材料本身对氧化反应进行反催化为前提的内部基体
改性技术，就是在c/sic复合材料制备过程中就对炭纤维和基体炭
进行改性处理，使得它们本身具有较强的抗腐蚀能力和抗氧化能
力；二是利用高温涂层隔离氧和c/sic基体以防止含氧气体接触扩
散为前提的外部抗氧化涂层技术，就是在c/sic复合材料表面制备
耐高温氧化的涂层，来达到防氧化的目的。
2. 玻璃密封层可有效提高c/sic复合材料sic涂层的防氧化性
能。此外，试样在氧化过程中因称重还经历了8次1500℃*室温热
震，其失重速率并未表现出增加的趋势，表明制备的sic/玻璃涂层
具有良好的抗热震性能。
3. 作为热结构材料，c/c复合材料一般均在高温有氧条件下工
作，但未作为氧化处理的c/c复合材料的起始氧化温度为370℃，
在500℃以上会迅速氧化。如不加以保护，c/c复合材料就难以在
高温下满足使用要求，因此，如何解决c/c复合材料的高温易氧化
难题成为热结构c/c复合材料应用的瓶颈。
五.混合型复合膜的制备技术
1. 制备工艺
混合型复合膜采用两种工艺制备。根据一般制备陶瓷涂层的需
要，sic陶瓷膜的晶化温度为1200℃，而其他三种为850℃，因此，
一种工艺为sic、 tio2、 al2o3仅混合三种制膜液，另外一种工
艺则把四种制膜液全部混合在一起配制制膜液。制膜液配制时，按
照制备陶瓷涂层制膜液的需要它的最佳浓度要适当增大，其中sic
制膜液浓度调整为0.006mol/l，tio2的浓度为0.0047mol/l，al2o3
的浓度为0.0039mol/l,然后直接按照等体积混合，搅拌均匀即可得
到混合制膜液。
2. 包埋法
包埋法的基本工艺和成形机理是将c/c复合材料包埋于几种固体
混合粉料中，然后在一定温度下热处理，为了使混合粉料与试样表
面发生化学反应而形成涂层。与其它类似方法相比较，它的优点在
于：（1）涂层制备前后基体材料尺寸变化很小；涂层和基体间能形
成一定的成分梯度，涂层与基体的结合较好。但是其有下列缺陷，
使得其推广受到限制：（2）其过程简单，仅仅只需要一个单一过程
就可以制备出致密的涂层；（3）高温下容易发生化学反应使纤维受
损，从而影响c/sic基体的机械性能；由于重力的因素而使得涂层
上下不均匀，使得涂层的均匀性很难以控制。
3. 涂层技术
陶瓷表面的金属涂层或经表面处理后可以提高表面能，用新形成
的金属陶瓷界面代替原来结合性不好的界面，从而提高了润湿性。
c涂层用于si基复合材料效果比较明显，c可以和si反应形成稳
定的金属间化合物sic,si碑卜等，但有一个缺点，这些化合物是
脆性相。另外，ag、cr等金属也用于制作涂层。ag可以浸润陶瓷
表面形成胶状溶体而构成涂层，而ag与al有很好的润湿性但不形
成脆性的金属间化合物。
六. 结束语
根据化学气相沉积法的工艺特点，对c/sic复合材料sic涂层的
制备过程进行了数学建模和有限元模拟，得出了反应器內以及试样
表面反应物浓度的变化规律，验证了sic涂层晶粒尺寸的变化和沉
积形貌的演变是由于反应气体浓度分布随位置变化造成的：沿着反
应气体流动的方向，反应物浓度逐渐降低，沉积得到的sic晶粒尺
寸逐渐减小，沉积形貌由堆积岛状到颗粒状再到晶须状逐级演变。
金属陶瓷复合涂层制备技术作为材料表面处理技术的重要手段，随
着对此项技术的进一步研究开发,新的涂层技术不断发展,充分满
足国防建设与国民经济发展的需要。
参考文献：
[1] 徐蕾.流延法制备黑色氧化铝陶瓷基板工艺及其性能研究
[d] . 西安理工大学硕士论文，2006[2] 李小斌，徐晓辉.氧化铝
多孔陶瓷膜支撑体制备的工艺过程和微观机制的综合评述[j] .矿
冶工程，2003，23(6):62-64
[3]赵文轸.表面工程技术与节材.西安交通大学出版社,1990
[4]李贺军，曾燮榕，李克智.炭/炭复合材料研究应用现状及思
考.炭素技术.2001,(5):5一17
[5] 罗凌红,江伟辉.水系流延技术制备95氧化铝陶瓷基片的研
究[j] .人工晶体学报，2007.36(6):1388-139018(4):52一61
[6]朱良杰，廖东娟.c/c复合材料在美国导弹上的应用.宇航材料
工艺.1993(4):12一14