[發明專利]一種復合涂層及其在碳/碳復合材料中的應用

有效

• 申請號: 201310288675.6
• 申請日: 2013-07-10
• 公開（公告）號: CN103360124A
• 公開（公告）日: 2013-10-23
• 發明（設計）人: 樊楨;李興超;蔡東旭;徐林;程家;張中偉;宋永忠
• 申請（專利權）人: 航天材料及工藝研究所;中國運載火箭技術研究院
• 主分類號: C04B41/89
• 分類號: C04B41/89
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 安麗

技術領域

本發明涉及一種復合涂層及其在碳/碳復合材料中的應用，屬于抗氧化碳/碳復合材料制造技術領域。

背景技術

碳/碳復合材料是目前在惰性氣氛中高溫力學性能最好、燒蝕環境下燒蝕性能最佳的材料，其強度從室溫到2000℃隨著溫度的升高而升高。碳/碳復合材料這種獨特的高溫性能保持率是材料家族中獨一無二的，成為宇航工業和其他領域耐熱結構的關鍵材料。然而，碳/碳復合材料獨特的高溫強度保持率是在惰性氣氛環境下獲得的，而碳/碳復合材料大都用于高溫甚至超高溫氧化環境，未作抗氧化處理的碳/碳復合材料在370℃即開始氧化，500℃開始氧化加速，導致材料毀滅性破壞。因此，必須對碳/碳復合材料進行抗氧化處理已滿足應用的需要。

提高碳/碳復合材料抗氧化能力有兩種途徑:一是提高碳/碳復合材料自身的抗氧化能力，即基體改性法。基體改性技術主要是通過向碳/碳體中添加難熔金屬化合物封閉碳/碳體中的活性點來降低氧化速率，進而達到抗氧化的效果。二是在碳/碳復合材料表面施加抗氧化涂層，即抗氧化涂層法。目前，國內外公開發表的抗氧化涂層的使用溫度大都局限在1650℃以下，而更高溫度環境下碳/碳復合材料的抗氧化問題仍是懸而未決，相關涂層體系及工藝方法鮮有報道。

抗氧化涂層最基本的功能是把碳材料與氧化環境隔離開來，碳化硅(SiC)涂層由于具有與碳/碳復合材料良好的物理、化學相容性和相近的線膨脹系數，被廣泛用作碳/碳復合材料的抗氧化涂層。目前,已報道的SiC涂層的制備方法主要有：化學氣相沉積法、等離子噴涂法、原位化學反應法等。化學氣相沉積和等離子噴涂制備SiC涂層在原理都屬于物理過程，涂層與基體之間的連接屬于物理連接，無法生成梯度過渡的、高結合強度的SiC涂層，在使用過程中容易因熱應力導致涂層開裂或剝離，使碳/碳復合材料受到氧化破壞。而原位化學反應法可在碳/碳復合材料基體上實現Si-C的梯度過渡，生成的涂層與基體之間屬于化學結合，可以有效提高涂層與碳/碳復合材料間結合強度，降低涂層開裂和剝落的趨勢。

然而，基于SiC涂層本身的抗氧化特性，其使用溫度很難超過1650℃，在更高溫度下使用時，SiC涂層將很快發生失效，嚴重影響碳/碳復合材料的使用性能和使用壽命。因此，必須在SiC涂層表面引入更高熔點的材料對SiC涂層進行保護。M-Si-O是一種三元陶瓷材料，其熔點可以通過改變材料中M與Si原子比進行調節，甚至可以高達2400℃以上，其作為涂層材料具有熔點高、自愈合、氧擴散系數低等優點。目前，有關M-Si-O涂層用于碳/碳復合材料抗氧化保護的報道較少，常用的制備方法主要有溶膠凝膠法、刷涂燒結、等離子噴涂等。這些方法通常很難解決M-Si-O涂層與碳/碳基礎之間的物理化學相容性、強結合和熱脹匹配的問題。

發明內容

本發明的目的是為了解決現有碳/碳復合材料表面抗氧化涂層耐溫性等級低、與基體界面匹配性差的問題，提出一種復合涂層及其在碳/碳復合材料中的應用，提高碳/碳復合材料在超高溫有氧環境下的使用性能和使用壽命。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的。

本發明的一種復合涂層，該復合涂層包括SiC基礎過渡層和M-Si-O涂層外涂層，即該復合涂層為SiC/M-Si-O復合涂層；其中，M為鋯、釔或鐿。

本發明的復合涂層在碳/碳復合材料中的應用，步驟為：

1）采用原位化學反應制備SiC涂層用粉料配制：將SiC、Si、Al₂O₃和C采用球磨機混合均勻，得到反應粉料；

2）SiC涂層制備：將碳/碳復合材料試樣清洗烘干后置于石墨坩鍋中，周圍用步驟1）配制好的反應粉料進行包埋；隨后，將坩鍋裝入高溫爐中，升溫進行碳化硅涂層原位化學反應制備，反應完畢隨爐冷卻后取出，用酒精清洗、烘干，即可制得帶有SiC涂層的碳/碳復合材料試樣；

3）M-Si-O溶膠配制：用M前驅體和去離子水配制M前驅體水溶液，待M前驅體完全溶解后加入無水乙醇，然后緩慢滴加正硅酸乙酯，攪拌、陳化后制得M-Si-O溶膠；

4）M-Si-O溶膠浸漬：將步驟2）得到的帶SiC涂層的碳/碳復合材料試樣放入容器中后裝入真空浸漬罐，開啟真空泵抽真空，隨后打開進料閥吸入步驟3）得到的M-Si-O溶膠，待試樣完全被溶膠淹沒后繼續抽真空，完成溶膠浸漬；

5）M-Si-O溶膠干燥處理：將步驟4）中溶膠浸漬試樣取出，自然晾干后放入馬弗爐中進一步干燥處理，目的是去除涂層中的揮發份；

6）為保證涂層厚度，重復步驟4）-5）2～5次；