[發明專利]一種在硼化鋯-碳化硅陶瓷復合材料表面原位生成高抗氧化性能膜的方法

無效

• 申請號: 200910072136.2
• 申請日: 2009-05-27
• 公開（公告）號: CN101560103A
• 公開（公告）日: 2009-10-21
• 發明（設計）人: 張幸紅;韓文波;王智;洪長青;胡平;孫新
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: C04B35/622
• 分類號: C04B35/622;C04B35/58;C04B35/565;C04B41/85
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所
• 代理人: 榮 玲

技術領域

本發明涉及一種在陶瓷復合材料表面原位生成的高抗氧化性能膜的方法。

背景技術

隨著宇航、航空、原子能、冶煉新技術等現代技術的發展，對高溫結構材 料提出了越來越苛刻的要求，要求材料具有良好的高溫性能以適應苛刻的作業 環境，如抗熱沖擊、高溫強度、耐腐蝕性、抗氧化性等。二硼化鋯陶瓷因為具 有高熔點、高硬度、導電導熱性好、良好的中子控制能力等特點而在高溫結構 陶瓷材料、復合材料、耐火材料、電極材料以及核控制材料等領域中受到人們 的高度重視并得到應用。但由于它在溫度高于650℃開始氧化，并且強度相對 不高，因此影響了它的使用效果。如何在保持優良特性的同時，改善其抗氧化 性，提高其高溫抗氧化性也成為各國科研工作者關注的主要問題。通過大量的 實驗研究表明，碳化硅添加到硼化鋯中能顯著地改善硼化鋯陶瓷的抗氧化性能 和力學性能。硼化鋯-碳化硅陶瓷復合材料在高溫下生成的硼硅酸鹽玻璃密封 在材料的表面，阻止氧氣向材料內部擴散，這有效地提高了硼化鋯-碳化硅陶 瓷復合材料的抗氧化性能到1700℃左右。但是當硼化鋯-碳化硅陶瓷復合材料 的使用溫度超過1800℃時由于硼硅酸鹽玻璃的揮發，使硼化鋯-碳化硅陶瓷復 合材料的抗氧化性能明顯降低。隨著科學技術的高速發展，現代飛行器(如宇 宙飛船、火箭、導彈、超音速飛機)正朝高速、高空、大推力和更安全的方向 發展，這對高溫結構材料提出了更高的要求：能夠適應超高音速長時間飛行、 大氣層再入、跨大氣層飛行和火箭推進系統等極端環境，尤其是飛行器鼻錐、 機翼前緣、發動機熱端等各種關鍵部位或部件的工作溫度是高于2000℃，而 現有硼化鋯-碳化硅陶瓷復合材料的抗氧化性能差，使用過程中質量損失大。

微弧氧化也叫微等離子體氧化或陽極火花沉積，是通過電解液與相應電參 數的組合，在鋁、鎂、鈦及其合金表面依靠弧光放電產生的瞬時高溫高壓作用， 生長出以基體金屬氧化物為主的陶瓷膜層。微弧氧化是在陽極氧化基礎上發展 起來的一種新型的材料表面處理技術，微弧氧化工藝將工作區域由普通陽極氧 化的法拉第區域引入到高壓放電區域，克服了硬質陽極氧化的缺陷，極大地提 高了膜層的綜合性能。但是遺憾的是通常材料工作者認為微弧氧化反應只能發 生Al、Mg、Ti等閥金屬表面，而無法應用到陶瓷表面。

發明內容

本發明為了解決現有硼化鋯-碳化硅陶瓷復合材料的抗氧化性能差、使用 過程中質量損失大，無法將微弧氧化法應用到陶瓷表面處理上，而提供一種在 硼化鋯-碳化硅陶瓷復合材料表面原位生成高抗氧化性能膜的方法。

本發明在硼化鋯-碳化硅陶瓷復合材料表面原位生成高抗氧化性能膜的方 法按如下步驟進行：一、將純度均為98％以上的硼化鋯粉末和碳化硅粉末按照 體積比為75～85∶20的比例混合，然后通過行星式球磨機對硼化鋯粉末和碳化 硅粉末進行混合分散，以無水乙醇為分散介質、氧化鋯磨球為研磨介質，球磨 機混料時轉速為180～250r/min，混合時間為8～12h，再將混合后的漿料在旋轉 蒸發器上蒸發烘干，再將干燥后的混合粉料用瑪瑙研缽研磨至粉料粒度為 30μm以下；二、燒結：將步驟一研磨后得到的混合粉料在真空或惰性氣氛中 進行熱壓燒結，燒結溫度為1900℃，燒結壓力為30MPa，保溫時間為60分鐘， 冷卻至室溫后取出試樣；三、微弧氧化反應：對試樣表面進行拋光處理后采用 功率為5kW、電流密度為10A/dm²、占空比為20的雙脈沖電源，以不銹鋼槽 作為陰極、以試樣作為陽極浸泡在10g/L的偏鋁酸鈉溶液中，通電1～10min， 采用100～150r/min的磁力攪拌器攪拌，通電過程中采用流動的冷水浴控制反 應溶液的溫度不高于30℃；即在硼化鋯-碳化硅陶瓷復合材料表面原位生成了 高抗氧化性能膜。

本發明在硼化鋯-碳化硅陶瓷復合材料表面原位生成高抗氧化性能膜的方 法具有以下優點：1、成功地應用微弧氧化法在硼化鋯-碳化硅陶瓷復合材料表 面原位生成一層致密的氧化鋯涂層，基體結合牢固，涂層與基體結合力高達 30MPa結構致密，具有良好的耐磨、耐腐蝕、耐高溫沖擊和電絕緣；

2、通過氧乙炔抗氧化實驗，本發明生成的高抗氧化性能膜能夠顯著增強 基體的抗氧化性，減少基體材料在高氧化性條件下的質量損失，通電時間越長， 形成的膜層越厚，抗氧化性效果就越好；