反应熔渗制备多孔氮化硅环境障涂层及其致密化——界面强化协同机制

Porous Si3N4 ceramics has been widely studied as a promising broadband wave-transparent candidate material for the high temperature radome applications. But the porous structure will reduce the strength of component, destabilize the dielectric properties and weaken the heat-insulating property. So in this research, a new method is used to prepare γ- Y2Si2O7 powders at low temperature,through adding the volatile substances Li2O, and the novel process for preparing γ- Y2Si2O7 environmental barrier coating (EBC) on the porous Si3N4 substrate which have the micro-double layer is proposed by colloidal spray and reaction melt infiltration method. In this method, the densification of the coating and strengthening of their interface is cooperative, which made the coating densifed, no shrinkage and has the good bonding between the coating and the substrate. The low-temperature synthesis of the powder, the transformation and densification process of the coating structure, as well as the microstructure evolution will be studied systematically in this research. The effect of Li-ion in synthesis and its mechanism of departure, evolution process and mechanism of Y2Si2O7 coating's microscopic structure, the key factor that decides the binding power of boundary will be illustrated. At last, the cooperative mechanism between the coating densification and the interface strengthen will be obtained, and a new technology to produce the high performance EBC on porous ceramics matrix can be built to obtain more excellent performance.

多孔Si3N4是国内外高温透波材料研究的热点，但气孔会导致构件强度低、介电性能不稳定及隔热性能差等问题。为此，本项目提出通过添加可挥发性助剂Li2O，低温制备高纯γ- Y2Si2O7陶瓷粉体；并以该粉体为原料，通过对涂层宏 /微观结构设计，采用料浆喷涂结合反应熔渗，在多孔Si3N4表面低温制备具有双层结构的环境障涂层(EBC)的新思路。该思路以YAS液相为纽带，实现涂层致密化与界面强化的协同进行，达到涂层既致密化又不收缩，同时与基体保持良好结合的目的。系统研究γ- Y2Si2O7粉体的低温合成，涂层宏/微观结构转变、致密化及显微组织演变过程、规律及对透波材料性能影响。力图阐明Li离子在粉体合成中的作用及去除机制、Y2Si2O7涂层的微观组织演变过程及机理、决定界面结合的关键因素等关键基础科学问题，获得涂层致密化与界面强化的协同机制，建立一种在多孔基体表面低温制备高性能EBC的新思路和新方法

多孔氮化硅陶瓷由于具有密度小、可加工、良好的高温稳定性和隔热性、较低的介电常数和介电损耗等优点，在航天透波领域具有广泛的应用前景。但是多孔结构易吸潮，影响材料的介电性能和隔热性能；同时，表面的气孔会降低材料的抗冲蚀性能。为此，在多孔氮化硅陶瓷表面制备一层环境障涂层（EBC）十分必要。.γ-Y2Si2O7具有良好的力学性能、高温稳定性和化学稳定性，且热膨胀系数与多孔氮化硅材料接近，是理想的EBC涂层材料。但是通过Y2O3和SiO2的固相反应合成γ-Y2Si2O7非常困难。为此，本项目提出利用液/固相反应在较低的合成温度获得高纯γ-Y2Si2O7相。然后采用高温熔渗方法，以自制的高纯γ-Y2Si2O7粉体和Y-Al-Si-O玻璃粉体为原料，在多孔氮化硅表面低温制备了具有双层结构且结构可控的环境障涂层，取得了一些有意义的研究成果。.首先，以Y2O3和SiO2为原料，通过添加不同的烧结助剂，利用液/固相反应原理在较低温度下合成了γ-Y2Si2O7，分析了反应机制。不同价态金属氧化物在熔体形成过程中的断键作用能有效降低γ-Y2Si2O7粉体的合成温度，其中一价金属氧化物（Li2O）的断键作用最明显，使γ-Y2Si2O7的合成反应活化能降低79.75%，合成温度降低约300℃。其次，系统研究了涂层在熔渗过程中的宏/微观结构转变、致密化及显微组织演变过程，通过控制涂层的烧结工艺，实现了对涂层材料性能及微观结构的精确控制。最后，通过研究涂层本征性能对整体透波材料性能的影响，最终实现了对涂层抗热震性能的优化设计，使涂层能够在1200℃的热震循环下保持结构完整性。.本项目建立的这种在多孔基体表面低温制备高性能EBC的新思路和新方法，除了可以用于制备多孔氮化硅表面的环境障涂层，还可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的涂层，对于进一步丰富和发展高性能陶瓷涂层，特别是在高气孔率基体表面设计和制备高性能陶瓷涂层具有重要的科学意义。