标题：C/C复合材料多层碳化物抗烧蚀涂层结构设计及性能研究

英文标题：Structure design and performance research of multilayer carbide ablation coatings applied on carbon/carbon composites

作者： 冯广辉

指导教师： 李贺军

培养院系： 材料学院

学科： 材料学

读博寄语： 路漫漫其修远兮，吾将上下而求索

主要研究内容

在“西北工业大学博士论文创新基金”的资助下，本研究依托于凝固技术国家重点实验室及陕西省纤维增强轻质复合材料重点实验室，在国家自然科学基金重点及面上项目的资助下，展开了碳/碳（C/C）复合材料表面多层碳化物抗烧蚀涂层结构设计及性能研究，解决了C/C复合材料表面单层涂层无法同时满足超高温环境下对涂层致密性、耐温性和抗冲刷方面的需求，同时还改善了超高温陶瓷断裂韧性不佳的短板，为C/C复合材料构件表面超高温长寿命多层结构涂层的应用提供技术储备。主要创新性研究内容如下：

一、交替涂层的制备及氧乙炔烧蚀性能的研究

采用超音速等离子喷涂工艺在C/C复合材料表面设计制备了整体厚度一致但亚层数量不同（4和6层）的ZrC-10 vol.% SiC/ZrC-70 vol.% SiC交替涂层，在热流密度为2.38 MW/m²的氧乙炔环境下评估不同涂层的烧蚀性能。结果表明，随着亚层厚度的减小，涂层裂纹抗性逐渐增加，同时界面结合强度有所下降。此外，交替涂层在烧蚀末期会出现层间融合，导致氧化层由致密/多孔交替结构向均匀结构转变，而亚层厚度的减小有利于减缓层间融合进程，即赋予涂层更好的抗烧蚀性能。

图1 （a）氧乙炔烧蚀设备示意图；（b，c）4层交替涂层烧蚀240 s后表面及截面形貌；（d，e）6层交替涂层烧蚀240 s后表面及截面形貌

二、有限元模拟结合试验优化多层涂层亚层厚度

借助有限元模拟预测了多层涂层亚层厚度与烧蚀应力的关系，然后对代表性涂层进行烧蚀测试，最后通过拉曼峰偏移计算不同氧化层中的烧蚀应力以验证有限元结果。研究表明，有限元模型预测的多层涂层热应力随亚层厚度变化趋势与氧化层中裂纹密度、尺寸及拉曼峰偏移所反映的结果表现出高度一致性。在超过2100 ℃的烧蚀环境中，优化后的多层涂层经历90 s热冲击烧蚀率仅为-0.34 mg/s和-0.48 μm/s，与未优化涂层相比分别下降了19.86%和64.05%。

图2 （a）有限元模拟亚层厚度与多层涂层烧蚀应力关系；（b）代表性试样氧乙炔烧蚀后宏观形貌；（c）烧蚀后试样表面拉曼谱图

三、楔形C/C构件表面复合结构涂层烧蚀性能的研究

考虑到实际应用中为了满足飞行气动要求，C/C复合材料往往需要被加工成楔形薄壁复杂构件，这与常规圆饼试样存在较大差别，因此在楔形C/C构件表面制备了复合结构涂层，并考察其氧乙炔烧蚀性能。结果表明，复合结构涂层在超过2300 ℃的烧蚀环境中可为楔形C/C基体提供超过120 s的可靠防护。

图3 氧乙炔烧蚀后单层、多层试样宏观形貌及三维表面轮廓比较

主要创新点

（1）揭示了交替结构涂层烧蚀过程中存在的层间融合现象及亚层厚度对层间融合进程的影响机制，有效缓解了ZrC-SiC涂层体系无法同时满足抗冲刷和耐温性需求的问题。

（2）提出了有限元模拟结合实验验证优化多层涂层亚层厚度的思路，在超过2100 ℃的烧蚀环境中，优化后的多层涂层经历90 s热冲击烧蚀率仅为-0.34 mg/s和-0.48 μm/s，与未优化涂层相比分别下降了19.86%和64.05%。

（3）构建了梯度、交替相结合的复合结构涂层，建立了多层结构与烧蚀行为之间的关系，制备的复合结构涂层可为圆饼形C/C试样提供超过600 s的有效防护；该涂层应用于楔形C/C构件，在超过2300 ℃的烧蚀环境中经120 s考核后，氧化层仍无明显损伤。

代表性创新成果

1. Guanghui Feng, Xiyuan Yao*, Yulan Yu, et al. Synthesis and performance characterization of Hafnium-based multilayer coating applied over carbon/carbon composites with sharp leading edge. Journal of Materials Science & Technology, 2023, 153: 254-262.

2. Guanghui Feng, Yulan Yu, Xiyuan Yao*, et al. Nanosized Hf₆Ta₂O₁₇ particles reinforced HfC ceramic coating for high temperature applications. Journal of the European Ceramic Society, 2023, 43(8): 3043-3052.

3. Guanghui Feng, Xiyuan Yao*, Yulan Yu, et al. Response mechanism study of alternate ZrC-10vol.% SiC/ZrC-70vol.% SiC coatings with various sublayer, thicknesses for cyclic and long-term thermal exposure. Journal of Materials Science & Technology, 2023, 140: 153-162.

4. Guanghui Feng, Hejun Li*, Xiyuan Yao*, et al. Evaluation of ablation resistant ZrC-SiC multilayer coating for SiC coated carbon/carbon composites under oxyacetylene and laser conditions. Corrosion Science, 2022, 205: 110427.

5. Guanghui Feng, Hejun Li*, Xiyuan Yao*, et al. An optimized strategy toward multilayer ablation coating for SiC-coated carbon/carbon composites based on experiment and simulation. Journal of the European Ceramic Society, 2022, 42(9): 3802-3811.

6. Guanghui Feng, Hejun Li*, Xiyuan Yao*, et al. Investigation on the relationship between multilayer architecture and ablation behavior using an oxyacetylene torch. Corrosion Science, 2022, 198: 110104.

7. Guanghui Feng, Yulan Yu, Xiyuan Yao*, et al. Ablation behavior of single and alternate multilayered ZrC-SiC coatings under oxyacetylene torch. Journal of the European Ceramic Society, 2022, 42(3): 830-840.

8. Guanghui Feng, Lei Chen, Xiyuan Yao*, et al. Design and characterization of zirconium-based multilayer coating for carbon/carbon composites against oxyacetylene ablation. Corrosion Science, 2021, 192: 109785.