碳材料因具有低密度、低热膨胀系数、优异的抗热震性和优异的高温力学性能等特点，使其成为航空航天领域设备部件中应用的极具吸引力的轻量化高强热结构材料。然而，碳材料对氧气的高度敏感性使其在450 ℃以上容易氧化而失重，进而显著加速其结构退化。因此，开发可靠的外部抗氧化涂层技术对于充分利用碳材料的潜力至关重要。
近年来，由于TaB2和SiC的高熔点、高导热性、优异的抗氧化性和化学稳定性，TaB2-SiC抗氧化涂层显示出了优异的高温热保护潜力。然而，尽管生成的Ta-B-Si-O复相玻璃对TaB2-SiC涂层的抗氧化能力至关重要，但在玻璃层形成过程中，涂层自身氧化生成的气体产物的逸出不仅造成阻氧结构灾难性衍变和结构性分裂，还削弱Ta-B-Si-O复相玻璃抑制氧气渗透的能力。因此，必须提高TaB2-SiC涂层阻氧结构的动态稳定性，在涂层氧化程度最小化的前提下创建具有低透氧性的Ta-B-Si-O复相玻璃。
为了提高TaB2-SiC涂层的抗氧化性，本文首先采用放电等离子烧结（SPS）技术增强了TaB2-SiC涂层的结构阻氧能力。接下来，进行预氧化处理以诱导形成保护膜。最后，探讨了TaB2相含量和预氧化温度对TaB2-SiC涂层抗氧化性的影响。
相关研究成果以题“Oxidation of TaB2-SiC coatings prepared by spark plasma sintering and effect of pre-oxidation treatments”发表在期刊Journal of the European Ceramic Society (JCR Q1，IF=5.302）。
氧化后的涂层表面均覆盖含有白色Ta氧化物颗粒和孔隙的复相玻璃。随着TaB2含量的增加，生成玻璃中的孔隙数量逐渐减少，玻璃层的完整性显著提高，表明适量添加TaB2可显著增强玻璃层抑制气体释放的能力。涂层表面上自生玻璃层的厚度分别约为170 µm、90 µm、130 µm和180 µm。
图1不同TaB2含量的TaB2-SiC涂层在1500 ℃下氧化100分钟后的表面背散射扫描：(a) 20 wt%, (b) 40 wt%, (c) 60 wt%, (d) 80 wt%, (e)-(h)是(a)-(d)的局部放大图像，(i)-(l)是(a)-(d)的断面背散射SEM图像，(m)-(p)是(i)-(l)中O扩散的相应EDS图
Ta-氧化物纳米晶颗粒被无定形SiO2玻璃牢牢包裹，形成Ta-B-Si-O复相玻璃。Ta离子是一种高价金属阳离子，具有很强的离子络合能力，极易与SiO2四面体结合形成大量的络合离子团，并交织成网状结构，从而提高了生成玻璃的整体粘度。
图2 (a) Ta-B-Si-O复合相玻璃层的TEM图像，(b)和(c)纳米晶体的高分辨率TEM图像
在过低的预氧化温度(1100 ℃)下，生成的玻璃难以扩散，表现出较差的成膜质量。随着预氧化温度的增加，生成的玻璃表面上的孔的大小和数量逐渐减少，表明生成的玻璃层的质量逐渐提高。当预氧化温度增加到1500 ℃时，由于生成的玻璃膜逐渐扩散，只有有限的Ta氧化物暴露在涂层表面，这有效地阻碍了氧气的扩散。
图3 40TaB2-60SiC涂层在不同温度的空气中进行预氧化处理后的表面背散射SEM: (a) 1100 ℃, (b) 1200 ℃, (c) 1300 ℃, (d) 1400 ℃, (e) 1500 ℃, (f) 1600 ℃
与未经处理的涂层相比，1500 ℃预氧化后的涂层在活性氧化阶段涂层的最高透氧率值从0.19%降至0.11%，下降42.11%。而在惰性氧化阶段，其值从0.093%下降到0.038%，下降了59.14%。
图4 经过不同预氧化处理的40TaB2-60SiC涂层在1500 ℃最终氧化的氧气渗透率曲线
链接: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S095522192200440X?via%3Dihub
DOI: https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2022.06.003
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