碳/碳复合材料表面涂层工艺研究进展

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2024.12.017

中国塑料 ›› 2024, Vol. 38 ›› Issue (12): 105-114.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2024.12.017

碳/碳复合材料表面涂层工艺研究进展

刘鑫¹, 费怀宇², 左红梅¹^,³, 苏永生⁴, 胡侨乐¹^,³, 杨莉¹^,³, 阮芳涛¹^,³()

^1.安徽工程大学纺织服装学院，安徽芜湖 241000
^2.芜湖天鸟高新技术有限公司，安徽芜湖 241000
^3.安徽省纺织结构复合材料国际合作研究中心，安徽芜湖 241000
^4.安徽工程大学机械与汽车工程学院，安徽芜湖 241000

收稿日期:2024-03-13 出版日期:2024-12-26 发布日期:2024-12-25
通讯作者: 阮芳涛，工学博士，纤维增强复合材料方向，ruanfangtao @ahpu.edu.cn
E-mail:ruanfangtao @ahpu.edu.cn
作者简介:第一联系人：地址：北京市海淀区阜成路11号《中国塑料》杂志社
邮编：100048
基金资助:
安徽省教育科学研究项目(2022AH050991);安徽省重点研究与开发计划项目(2022a05020006);安徽省高等学校科学研究重大项目(2022AH040134)

Research progress in surface coating process for carbon/carbon composites

LIU Xin¹, FEI Huaiyu², ZUO Hongmei¹^,³, SU Yongsheng⁴, HU Qiaole¹^,³, YANG Li¹^,³, RUAN Fangtao¹^,³()

^1.School of Textile and Clothing，Anhui Polytechnic University，Wuhu 241000，China
^2.Wuhu Skybird High?Tech Co，Ltd，Wuhu 241000，China
^3.Anhui Textile Structural Composites International Cooperation Research Centre，Wuhu 241000，China
^4.School of Mechanical and Automotive Engineering，Anhui Polytechnic University，Wuhu 241000，China

Received:2024-03-13 Online:2024-12-26 Published:2024-12-25
Contact: RUAN Fangtao E-mail:ruanfangtao @ahpu.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

从陶瓷先驱体、SiC、过渡金属涂层材料和磁控溅射、化学气相渗透、化学气相沉积、反应熔渗法、先驱体转化法、包埋法等涂层工艺角度，回顾了C/C复合材料近期的表面涂层处理技术的制备原理及工艺过程的研究现状。探讨了表面改性C/C复合材料在提高材料性能、拓展应用领域等方面的最新进展和发展前景。

关键词: 碳/碳复合材料, 涂层材料, 涂层工艺, 高性能

Abstract:

This paper reviewed the research progress in the preparation principles and processes of surface coating treatment technologies for carbon （C）/carbon （C） composites from the aspects of ceramic precursors， SiC， transition metal⁃coated materials， and coating processing such as magnetron sputtering， chemical vapor permeation， chemical vapor deposition， reactive fusion infiltration， precursor conversion， and encapsulation. The future development prospects of surface⁃modified C/C composites for the improvement of material properties and extension of application areas were discussed.

Key words: carbon/carbon composite, coating material, coating process, high performance

中图分类号:

TQ322

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图/表 5

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材料	制备工艺	密度/g·cm^-3	测试参数	线烧蚀率/μm·s^-1	参考文献
C/C	LPI	1.98	3 200 ℃/60 s	26.10	［41］
C/C⁃ZrC	PIP	1.80	3 000 ℃/120 s	7.02	［42］
	RMI	1.12	3 100 ℃/20 s	1.2	［43］
	RMI		20s	2	［44］
C/C⁃ZrB₂	SI		3 000 ℃/30 s	4.33	［45］
C/C⁃SiC⁃ZrC	PIP	2.22	2 300 ℃/60 s	2.48	［46］
	RMI	2.64	3 000 ℃/60 s	0.29	［47］
	RMI		2 610 ℃/60 s	0.4	［48］
	CLVD	1.97	90 s	0.67	［49］
	ICVI	2.37	2.38 MW·m^-2/60 s	7.5	［50］
C/C⁃SiC⁃ZrB₂	PC		1 727 ℃/40 s	4.40	［51］
	LSI	2.366	300 s	0.217	［52］
	PIP		4.2 MW·m^-2/120 s	12.74	［53］
C/C⁃SiC⁃ZrC⁃ZrB₂	PIP	1.87	2.38 MW·m^-2 /60 s	4.05	［54］
	RMI	2.23	20 s	2	［55］
	SI⁃RMI		4.18 MW·m^-2/60 s	2.5	［56］
C/C⁃HfC	PIP	2.01	2 300 ℃/240 s	5.31	［57］
C/C⁃HfC	RMI		60 s	8	［58］
C/C⁃SiC⁃HfC	PIP	2.38	4.18 MW·m^-2/60 s	1.06	［59］
C/C⁃SiC⁃HfC	RMI	3.42	4.18 MW·m^-2/120 s	2.33	［60］
C/C⁃HfB₂	PIP	1.84	3 000 ℃/90 s	6.56	［61］
C/C⁃SiC⁃HfB₂	PIP	1.94	2.38 MW·m^-2/60 s	14.7	［62］
C/C⁃TaB2⁃SiC	PC		4.38 W·m^-2/30 s	4.2	［63］
C/C⁃SiC⁃HfC⁃TaC	PC⁃SAPS		2.38 MW·m^-2/60 s	0.32	［64］
C/C⁃ZrB₂⁃ MoSi₂	PS		1 600 ℃/600 s	0.48	［65］
C/C⁃SiC⁃MoSi₂	RMI	3.20			［66］
C/C⁃HfB₂⁃MoSi₂⁃SiC	PC⁃SP		2 500 ℃/90 s	18.60	［66］
C/C⁃Mo⁃Si⁃Cr	RMI	2.66	2 500 ℃/600 s	4.00	［68］
C/C⁃ZrB₂⁃MoSi₂	APS		1 500 ℃/9 h		［69］

材料	制备工艺	密度/g·cm^-3	测试参数	线烧蚀率/μm·s^-1	参考文献
C/C	LPI	1.98	3 200 ℃/60 s	26.10	［41］
C/C⁃ZrC	PIP	1.80	3 000 ℃/120 s	7.02	［42］
	RMI	1.12	3 100 ℃/20 s	1.2	［43］
	RMI		20s	2	［44］
C/C⁃ZrB₂	SI		3 000 ℃/30 s	4.33	［45］
C/C⁃SiC⁃ZrC	PIP	2.22	2 300 ℃/60 s	2.48	［46］
	RMI	2.64	3 000 ℃/60 s	0.29	［47］
	RMI		2 610 ℃/60 s	0.4	［48］
	CLVD	1.97	90 s	0.67	［49］
	ICVI	2.37	2.38 MW·m^-2/60 s	7.5	［50］
C/C⁃SiC⁃ZrB₂	PC		1 727 ℃/40 s	4.40	［51］
	LSI	2.366	300 s	0.217	［52］
	PIP		4.2 MW·m^-2/120 s	12.74	［53］
C/C⁃SiC⁃ZrC⁃ZrB₂	PIP	1.87	2.38 MW·m^-2 /60 s	4.05	［54］
	RMI	2.23	20 s	2	［55］
	SI⁃RMI		4.18 MW·m^-2/60 s	2.5	［56］
C/C⁃HfC	PIP	2.01	2 300 ℃/240 s	5.31	［57］
C/C⁃HfC	RMI		60 s	8	［58］
C/C⁃SiC⁃HfC	PIP	2.38	4.18 MW·m^-2/60 s	1.06	［59］
C/C⁃SiC⁃HfC	RMI	3.42	4.18 MW·m^-2/120 s	2.33	［60］
C/C⁃HfB₂	PIP	1.84	3 000 ℃/90 s	6.56	［61］
C/C⁃SiC⁃HfB₂	PIP	1.94	2.38 MW·m^-2/60 s	14.7	［62］
C/C⁃TaB2⁃SiC	PC		4.38 W·m^-2/30 s	4.2	［63］
C/C⁃SiC⁃HfC⁃TaC	PC⁃SAPS		2.38 MW·m^-2/60 s	0.32	［64］
C/C⁃ZrB₂⁃ MoSi₂	PS		1 600 ℃/600 s	0.48	［65］
C/C⁃SiC⁃MoSi₂	RMI	3.20			［66］
C/C⁃HfB₂⁃MoSi₂⁃SiC	PC⁃SP		2 500 ℃/90 s	18.60	［66］
C/C⁃Mo⁃Si⁃Cr	RMI	2.66	2 500 ℃/600 s	4.00	［68］
C/C⁃ZrB₂⁃MoSi₂	APS		1 500 ℃/9 h		［69］

分类	特征	优点	缺点
平衡磁控溅射	磁场紧密，磁力线在靶材表面保持闭合	结构简单，应用广泛	膜基结合程度差，易形成多孔粗糙的柱状晶薄膜
非平衡磁控溅射	磁场较弱，部分磁力线可延伸至基底表面，常用于多靶系统	可沉积出大面积均匀致密的高质量薄膜	结构复杂
直流磁控溅射	采用直流电源，可溅射导体或半导体材料	工艺设备简单，已大量应用在工业上	溅射时易产生电弧，不稳定，靶材利用率低，成膜质量较差
射频磁控溅射	采用射频电源，能对任何材料进行溅射	溅射电流大，溅射速率高，膜基结合力强	电源结构复杂，设备昂贵
中频磁控溅射	采用交流中频电源（13.56 MHz），常用于孪生靶溅射系统	靶材利用率高，溅射速度快，可杜绝“靶中毒”现象	电源结构复杂，设备昂贵
脉冲磁控溅射	采用脉冲电源，输出电压波形是非对称的双极性脉冲	溅射功率高，防止打弧，降低基底温度，提高沉积速率，成膜质量最好	电源结构复杂，设备昂贵
反应磁控溅射	通入反应气体，靶材与反应气体反应形成化合物	丰富了膜的种类，可沉积多元复合膜	易出现“靶中毒”，阳极消失现象

分类	特征	优点	缺点
平衡磁控溅射	磁场紧密，磁力线在靶材表面保持闭合	结构简单，应用广泛	膜基结合程度差，易形成多孔粗糙的柱状晶薄膜
非平衡磁控溅射	磁场较弱，部分磁力线可延伸至基底表面，常用于多靶系统	可沉积出大面积均匀致密的高质量薄膜	结构复杂
直流磁控溅射	采用直流电源，可溅射导体或半导体材料	工艺设备简单，已大量应用在工业上	溅射时易产生电弧，不稳定，靶材利用率低，成膜质量较差
射频磁控溅射	采用射频电源，能对任何材料进行溅射	溅射电流大，溅射速率高，膜基结合力强	电源结构复杂，设备昂贵
中频磁控溅射	采用交流中频电源（13.56 MHz），常用于孪生靶溅射系统	靶材利用率高，溅射速度快，可杜绝“靶中毒”现象	电源结构复杂，设备昂贵
脉冲磁控溅射	采用脉冲电源，输出电压波形是非对称的双极性脉冲	溅射功率高，防止打弧，降低基底温度，提高沉积速率，成膜质量最好	电源结构复杂，设备昂贵
反应磁控溅射	通入反应气体，靶材与反应气体反应形成化合物	丰富了膜的种类，可沉积多元复合膜	易出现“靶中毒”，阳极消失现象

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碳/碳复合材料表面涂层工艺研究进展

Research progress in surface coating process for carbon/carbon composites

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