[發明專利]一種碳/碳復合材料抗氧化磷酸鹽玻璃涂層的制備方法

有效

• 申請號: 201110375926.5
• 申請日: 2011-11-23
• 公開（公告）號: CN102503562A
• 公開（公告）日: 2012-06-20
• 發明（設計）人: 黃劍鋒;張志清;曹麗云
• 申請（專利權）人: 陜西科技大學
• 主分類號: C04B41/85
• 分類號: C04B41/85
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 陸萬壽

技術領域

本發明涉及一種碳/碳復合材料表面涂層的制備方法，具體涉及一種碳/碳復合材料抗氧化磷酸鹽玻璃涂層的制備方法。

背景技術

C/C復合材料是以碳為基體的碳纖維或石墨纖維增強的材料，其整體體系是由碳元素組成的[劉檳，易茂中，熊翔等.C/C復合材料抗氧化復合涂層制備及其性能[J].礦冶工程，2000，20(8)：74-76]。由于C/C復合材料具有比重輕、比強度大、耐燒蝕、耐磨性、以及良好的高溫力學性能和熱學性能等優點，因此被廣泛應用于航空航天、洲際導彈的端頭帽、火箭發動機噴管和飛機剎車盤等領域，顯示出極大的優越性[程基偉，羅瑞盈，王天民.炭/炭復合材料高溫抗氧化研究現狀[J].炭素技術，2001，116(5)：28-33]。但是隨著使用溫度的升高，C/C復合材料易被氧化成為其應用的“瓶頸”，在有氧存在的環境下，溫度高于400℃時，炭/炭復合材料會發生氧化，其強度大幅度降低甚至全部喪失，限制了C/C復合材料在高溫領域(1300℃以上)的應用。

目前對防止C/C復合材料氧化的措施主要集中在以下兩個方面：一是內部防氧化技術。主要是對碳纖維進行抗氧化處理以及對C/C復合材料的基體進行改進。二是外部涂層抗氧化技術。通過在C/C復合材料的外部制備單一的或者是復合涂層來防止氧擴散進入基體中而發生氧化，從而提高了高溫抗氧化性能。

往往單一的涂層并不能滿足碳/碳復合材料長時間抗氧化的要求，因此多層復合涂層成為人們解決碳/碳復合材料高溫抗氧化的首選方案，一般多層復合涂層是陶瓷涂層與玻璃涂層的復合涂層，由于陶瓷涂層的基體與涂層之間的熱膨脹差異會在涂層中形成微裂紋等缺陷，使抗氧化性能會變差，而玻璃涂層在高溫下具有低粘度和潤濕性及熱穩定性等特點來填補這些微裂紋等缺陷[黃劍鋒，李賀軍，熊信柏等.炭/炭復合材料高溫抗氧化涂層的研究進展[J].新型炭材料，2005，20(4)：373-379]，能使C/C復合材料的抗氧化溫度得到大幅度提高。由于SiC陶瓷涂層與基體具有相匹配的熱膨脹系數，且氧化后生成SiO₂能較好的抑制基體碳的向外擴散，被廣泛的應用于C/C復合材料抗氧化涂層的內涂層。外涂層采用磷酸鹽玻璃涂層，磷化物對C/C復合材料高溫氧化的抑制作用主要有兩個：一個是物理阻礙，另一種是活性點阻礙，玻璃涂層中的氧橋鍵的存在及含磷化合物的存在時保持抑制效應的關鍵因素，對C/C復合材料氧化磷化物玻璃是有效的外表面涂層[胡興華，吳明鉑，查慶芳.炭/炭復合材料抗氧化研究進展[J].炭素，2006，127(3)：38-45]。

目前，用于抗氧化的玻璃涂層主要是硼酸玻璃系列和磷酸鹽玻璃。硼酸鹽玻璃的主要成分為B₂O₃，由于B₂O₃在潮濕環境中具有較高的敏感性及揮發性，并且隨著溫度升高其潤濕性也會降低，這些缺點限制了硼酸鹽玻璃涂層在1000℃以上的有氧環境中的應用。雖然人們對硼酸鹽玻璃進行了改進，但是仍無法滿足在1500℃這種極端溫度下的應用。

發明內容

本發明的目的提出一種以碳化硅為過渡層、磷酸鹽玻璃為外涂層的碳/碳復合材料抗氧化磷酸鹽玻璃涂層的制備方法。本發明制備工藝簡單，成本低，生產周期快，適合進行大規模生產，并且通過本發明制備的復合涂層厚度均勻，無裂紋，結合牢固，具有良好的高溫抗氧化性能。

為達到上述目的，本發明采用的技術方案是：

1)碳化硅過渡層的制備：按Si粉∶C粉∶Al₂O₃粉∶B₂O₃粉＝3-8∶1∶1∶1的質量比研磨混合均勻制成粉料，然后將3D-碳/碳復合材料放入石墨坩堝，并加入粉料使粉料完全包埋3D-碳/碳復合材料，將石墨坩堝放入立式真空爐中，通入氬氣作為保護氣氛，隨后控制立式真空爐的升溫速度為5-20℃/min，將爐溫從室溫升至1800-2000℃后，保溫3-5h，隨后以5-20℃/min的速率降至室溫，開爐后打開坩堝，從粉料中取出3D-碳/碳復合材料，用無水乙醇在超聲波中清洗干凈后獲得碳/碳復合材料碳化硅過渡層；