Research progress in surface coating process for carbon/carbon composites

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2024.12.017

Abstract

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

CLC Number:

TQ322

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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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