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[学位]

多孔氮化硅表面γ-Y2Si2O7涂层的微观结构设计及优化

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Author:

范星宇 (范星宇.)

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学位论文库

Abstract:

航天技术的飞速发展对超音速飞行器天线罩/窗材料耐温性、机械性能和抗热震性能的要求不断提高。多孔氮化硅陶瓷具有低密度、高气孔率、良好的机械性能、优异的介电性能和高温稳定性等优点,在航天透波领域具有广泛的应用前景。但是多孔结构容易吸附环境中的水汽,严重影响材料的介电性能和隔热性能,同时还会降低材料强度、表面硬度及抗冲蚀磨损性能等。为此,必须通过制备环境障涂层解决该问题。本文采用浆料喷涂的方法在多孔Si3N4表面制备了致密的环境障涂层,并对涂层材料体系设计、微观组织演变过程、微观结构调控及涂层性能优化进行了深入的研究。 
γ-Y2Si2O7是一种综合性能优异的高温结构陶瓷,与多孔Si3N4的热膨胀系数相差不大,可用作表面涂层材料,但高纯单相γ-Y2Si2O7的合成通常需要较高的温度和较长的时间。本文向Y2O3/SiO2反应体系中分别加入Li2O、MgO、Al2O3,采用热力学分析与动力学计算相结合的方法,阐明金属离子在γ-Y2Si2O7的液/固相反应合成过程中的作用机制,分析其对γ-Y2Si2O7本征性能的影响。结果表明,金属离子对Si-O结构的断键作用能有效降低γ-Y2Si2O7的合成反应活化能,降低合成温度,提高合成反应速率。金属离子的断键能力随化合价的升高而降低,即Li+>Mg2+>Al3+。γ-Y2Si2O7中的金属离子分别以Li-Y-Si-O、Mg-Y-Si-O、Al-Y-Si-O非晶相的形式存在于晶界处,非晶相微观网络结构的差异导致了γ-Y2Si2O7材料性能不同。Al3+可作为网络中间体对非晶网络结构补网,使结构变得紧密,因此含Al3+的γ-Y2Si2O7具有较高的高温强度、良好的高温介电性能、较低的热膨胀系数和热导率以及优异的化学稳定性。
使用热膨胀系数与γ-Y2Si2O7和多孔Si3N4相近的BAS(B2O3-Al2O3-SiO2)玻璃作为粘接剂,利用玻璃在高温下的粘滞流动提供液相,填充γ-Y2Si2O7粉体空隙,减少烧结过程中的体积收缩,在多孔Si3N4表面形成了致密的γ-Y2Si2O7/BAS涂层。利用水冷热震实验和有限元计算(FEM)的方法,系统研究了涂层的抗热震性能。结果表明,1400℃保温1 h时,BAS玻璃相粘度适中,形成了厚度约100 μm的单层涂层,该涂层微观结构致密且防水性能良好,吸水率低至1.9%。但是,γ-Y2Si2O7/BAS复合材料较低的耐火度和急剧衰减的高温力学性能是限制其使用温度的关键因素,通过FEM计算,该涂层保持结构完整无损伤的临界热震温度是872.24℃,计算值与热震实验测试结果基本一致,说明计算结果较为准确。基于此,本文利用FEM,从热应力的角度揭示了涂层材料本征热物理性能及微观结构对材料抗热震性能的影响。结果表明,选择具有较低热膨胀系数、热导率的材料制备涂层,同时设计一层本征性能介于涂层与基体之间的过渡层,形成微观双层结构,能显著提升涂层整体的抗热震性能。
为此,进一步选择了具有更高耐火度及高温力学性能的YAS(Y2O3-Al2O3-SiO2)玻璃作为制备多孔Si3N4陶瓷表面高性能涂层的原料,通过调控YAS玻璃的化学成分,阐明化学成分对玻璃微观网络结构及性能的影响,选择了综合性能最优的玻璃配方(SiO2/Al2O3摩尔比为3.4、Y2O3质量分数为35%)进行后续的涂层制备。该玻璃的高温粘度较低,在制备过程中易渗入多孔基体内部形成过渡层,形成微观双层结构,有利于抗热震性能的提升;同时该体系玻璃在高温下可析出Y2Si2O7晶相,避免因玻璃相过多造成涂层高温稳定性较差的问题。但液相的流失会导致涂层致密程度下降,不利于防水性能。
采用高温熔渗法,对γ-Y2Si2O7/YAS双层涂层的制备工艺进行改进,使YAS液相在高温阶段不断进入γ-Y2Si2O7内部,为γ-Y2Si2O7/YAS涂层的致密化提供充足的液相。通过控制制备温度和保温时间,涂层的材料本征性能及微观结构均可控。表面γ-Y2Si2O7层(I层)中的晶粒长大过程符合晶界扩散控制机制,YAS熔体渗入多孔基体形成过渡层(II层)的厚度变化符合熔渗动力学研究中的Washburn模型。通过改变制备温度和保温时间,可以调节I层中γ-Y2Si2O7相的相对含量,使I层材料的杨氏模量数值在50 ~80 GPa内可控,同时也能实现II层厚度的精确控制。热震实验与FEM计算结果表明,涂层材料的杨氏模量和涂层微观结构对其热震过程中的最大热应力值有显著影响:I层材料的杨氏模量主要影响表层涂层中的热应力最大值,I层与II层的厚度比主要影响过渡层中的热应力最大值。只有当双层涂层同时满足I层与II层的安全条件,即具有较低的模量和较厚的过渡层时,才能承受1200℃的热震,保持结构的完整性。
最终,本文基于γ-Y2Si2O7/YAS双层涂层在制备过程中的微观结构演变规律及抗热震性能优化模型,提出了两步烧结(先高温短时间,后低温长时间)的涂层制备工艺,实现了高性能陶瓷涂层的微观结构设计。该方法制备出的涂层具有优异的综合性能:I层表面平整,吸水率低至2.5%;涂层晶相含量较高且II层厚度较大,可在1200℃→室温的热循环中保持结构完整性,满足了天线罩在高马赫数飞行过程中稳定使用的要求。该方法除可用于制备多孔Si3N4表面涂层,还具有用来制备包括航空航天用防/隔热材料在内的所有高气孔率多孔材料表面高性能陶瓷涂层的潜力,对于进一步丰富和发展高性能陶瓷涂层理论具有重要的科学意义。

Keyword:

多孔氮化硅 二硅酸钇 微观结构调控 性能优化 致密涂层

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  • [ 1 ] 西安交通大学材料科学与工程学院

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Basic Info :

Degree: 工学博士

Mentor: 王红洁

Year: 2019

Language: Other

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30 Days PV: 80

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