[發(fā)明專利]一種直接保護(hù)碳纖維的抗硅蒸汽侵蝕內(nèi)涂層及其原位制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310117223.1
• 申請(qǐng)日: 2013-04-07
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103193514A
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-07-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉汝萃;劉汝強(qiáng)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 山東國(guó)晶新材料有限公司
• 主分類號(hào): C04B41/89
• 分類號(hào): C04B41/89;C30B35/00;C30B29/06
• 代理公司: 濟(jì)南金迪知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 37219
• 代理人: 朱家富

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于化學(xué)氣相沉積技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種直接保護(hù)碳纖維的抗硅蒸汽侵蝕內(nèi)涂層及其原位制備方法。

技術(shù)背景

碳纖維增強(qiáng)碳基復(fù)合材料（簡(jiǎn)稱碳/碳）具有密度低、強(qiáng)度高、導(dǎo)熱快、高溫強(qiáng)度保留率高、熱升華溫度高以及可以獲得高純度等突出特點(diǎn)，在高溫工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用，特別是硅材料熔煉提純、鑄錠、拉制單晶等領(lǐng)域。但是，在碳纖維增強(qiáng)碳基復(fù)合材料中，熱解碳、樹脂碳、瀝青碳等碳基體同屬碳素材料，均不能有效保護(hù)碳纖維，在高溫使役過(guò)程中，環(huán)境氣氛滲入構(gòu)件內(nèi)部、侵蝕碳纖維，特別是在硅材料熔煉提純、鑄錠、拉制單晶使用碳/碳復(fù)合材料坩堝時(shí)，硅蒸汽滲入坩堝壁內(nèi)部，碳纖維與之發(fā)生高溫化學(xué)反應(yīng)而失強(qiáng)，進(jìn)而導(dǎo)致坩堝等碳/碳構(gòu)件過(guò)早失效報(bào)廢。控制和防止碳基復(fù)合材料中碳纖維與環(huán)境氣氛發(fā)生不利化學(xué)侵蝕反應(yīng)的最佳途徑是對(duì)碳纖維施加抗侵蝕涂層。

高純度碳化硅SiC具有密度低、熱穩(wěn)定性好、高溫抗氧化、抗沖刷、耐腐蝕等優(yōu)異性能，是碳基復(fù)合材料中碳纖維抗硅蒸汽侵蝕保護(hù)涂層的理想材料體系，化學(xué)氣相沉積、固相漿料涂覆、液相涂覆等眾多傳統(tǒng)方法亦被開(kāi)發(fā)用于制備碳化硅涂層。但是，這些傳統(tǒng)方法在碳/碳復(fù)合材料坩堝中碳纖維表面制備碳化硅涂層時(shí)，存在一些突出問(wèn)題：1.致密度，采用傳統(tǒng)的工藝制備的碳化硅涂層難以完全致密；2.結(jié)合強(qiáng)度，由于碳化硅與碳纖維的熱膨脹性能存在差異，采用傳統(tǒng)的工藝制備的碳化硅涂層往往容易從碳纖維表面開(kāi)裂脫落，3.包覆完整度，采用傳統(tǒng)的工藝制備的碳化硅涂層都存在涂覆不均、殘留空白的缺陷。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種直接保護(hù)碳纖維的抗硅蒸汽侵蝕內(nèi)涂層及其原位制備方法。

術(shù)語(yǔ)說(shuō)明：

碳/碳復(fù)合材料坩堝：是在按坩堝形狀成型的碳纖維立體織物預(yù)制體孔隙中采用化學(xué)氣相沉積（簡(jiǎn)稱CVD工藝）、浸漬碳化工藝（簡(jiǎn)稱PIP工藝）填充碳基體而得的碳纖維增強(qiáng)碳基復(fù)合材料構(gòu)件。

直接保護(hù)碳纖維的抗硅蒸汽侵蝕內(nèi)涂層：是在碳纖維立體織物中碳纖維表面上，通過(guò)原位化學(xué)氣相反應(yīng)和沉積，涂覆致密均勻、包覆完整、結(jié)合強(qiáng)度高的碳-碳化硅復(fù)合涂層，從而有效保護(hù)碳／碳復(fù)合材料坩堝中碳纖維免受硅蒸汽侵蝕。

成型的立體織物預(yù)制體：指根據(jù)需要制備的具有固定形狀的碳纖維立體物件；包括但不限于坩堝，圓盤狀構(gòu)件，環(huán)形構(gòu)件等；體積密度一般在0.25～0.85g/cm³。

小分子烴氣：指含≤3個(gè)碳原子的常溫下為氣體狀態(tài)的烴。

小分子硅氯化合物氣體：指含1個(gè)硅原子和≥1個(gè)氯原子的硅烷化合物的蒸汽。

發(fā)明概述：

直接保護(hù)碳纖維的抗硅蒸汽侵蝕內(nèi)涂層是通過(guò)在已成型的立體織物預(yù)制體中碳纖維表面上首先沉積一層熱解碳基底層，然后再沉積一層富碳化硅保護(hù)層。具體為：將已成型的碳纖維立體織物預(yù)制體置于化學(xué)氣相沉積室內(nèi)，在高溫加熱條件下，以氫氣、氮?dú)鉃橄♂尡Ｗo(hù)氣體，首先在高溫反應(yīng)室通入小分子烴氣，熱解碳在已成型的立體織物預(yù)制體中碳纖維表面上沉積，原位形成初級(jí)熱解碳基底層；然后通入小分子烴氣、小分子硅氯化合物氣體，熱解碳、熱解硅在初級(jí)熱解碳基底層上沉積一層二級(jí)富碳化硅保護(hù)層，最終獲得抗硅蒸汽侵蝕內(nèi)涂層。

發(fā)明詳述：

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種直接保護(hù)碳纖維的抗硅蒸汽侵蝕內(nèi)涂層，該內(nèi)涂層是在碳纖維表面通過(guò)化學(xué)氣相沉淀的方式覆蓋一層初級(jí)熱解碳基底層，再在初級(jí)熱解碳基底層表面通過(guò)化學(xué)氣相沉的方式覆蓋一層二級(jí)富碳化硅保護(hù)層；所述的初級(jí)熱解碳基底層為緊密粘結(jié)在碳纖維表面上的熱解碳，所述的二級(jí)富碳化硅保護(hù)層為與初級(jí)熱解碳基底層緊密均勻結(jié)合的碳化硅。

一種直接保護(hù)碳纖維的抗硅蒸汽侵蝕內(nèi)涂層的制備方法，步驟如下：

（1）將成型的立體織物預(yù)制體置在化學(xué)氣相沉積反應(yīng)室中，于900～1500℃，100～6000Pa真空度條件下，保溫5～30min；

（2）以N₂、H₂氣作為保護(hù)稀釋氣體，按小分子烴氣：N₂：H₂=（10～50）:（10～50）:（0～4）的體積比將小分子烴氣、N₂和H₂通入步驟（1）的反應(yīng)室內(nèi)，通氣反應(yīng)10～120min，得初級(jí)熱解碳基底層，所述的N₂流速控制在100～2000ml/min；