[發明專利]一種碳/碳復合材料多層涂層及其制備方法

有效

• 申請號: 201410333087.4
• 申請日: 2014-07-14
• 公開（公告）號: CN104193420A
• 公開（公告）日: 2014-12-10
• 發明（設計）人: 韋春貝;代明江;周克崧;劉敏;侯惠君;林松盛;胡芳;石倩;趙利;曾威
• 申請（專利權）人: 廣東省工業技術研究院(廣州有色金屬研究院)
• 主分類號: C04B41/89
• 分類號: C04B41/89
• 代理公司: 廣東世紀專利事務所 44216
• 代理人: 千知化

技術領域

本發明涉及一種碳/碳復合材料的多層涂層及其制備方法。

背景技術

碳/碳復合材料，即碳纖維增強碳基體復合材料，是一種具有性能可設計和抗熱震性的新型高性能復合材料，特別適合在要求減重且物理、化學、力學性能穩定性和可靠性極高的高溫及超高溫環境中，目前已成功地在航天航空領域得到廣泛應用。

然而碳/碳復合材料的高溫抗氧化性能比較差，在有氧環境下370℃開始氧化，當高于500℃時迅速氧化，并發生毀滅性破壞。碳/碳復合材料的使用環境高達1000~2000℃，甚至更高溫度，因此對碳/碳復合材料進行高溫抗氧化處理有重要意義。抗氧化涂層是提高碳/碳復合材料高溫抗氧化性能的重要途徑。目前制備高溫抗氧化涂層的技術應用比較廣泛的有包埋法、CVD法、燒結法等，然而這些方法都存在一些問題，如都屬于高溫制備技術，制備的涂層容易產生貫穿性裂紋；無法控制涂層厚度以及涂層均勻性，對于外形尺寸精度要求高的部件尺寸控制困難。

侯黨社等[硅鉬含量對C/C復合材料SiC-MoSi₂涂層結構和高溫抗氧化性能的影響，《固體火箭技術》，2008，第31卷第3期，283-287]?報道了采用包埋法制備SiC-MoSi₂涂層，涂層與基體具有良好的結合力，但會產生貫穿性裂紋，貫穿性裂紋的產生是長時間氧化后涂層失效的主要原因。

Zhaoqian?Li等[Preparation?and?ablation?properties?of?ZrC-SiC?coating?for?carbon/carbon?composites?by?solid?phase?infiltration，《Applied?Surface?Science》，258?(2011)?，565-571]?報道了采用包埋法制備ZrC-SiC涂層，采用這種方法制備的涂層具有較好的抗燒蝕性能，但涂層內存在裂紋，涂層厚度均勻性差。

李國棟[C/C抗燒蝕TaC、TaC/SiC涂層的制備及其抗燒蝕機理，中南大學博士學位論文，2006年4月，P86-89]?為了降低涂層內應力，降低涂層內裂紋的產生，制備了雙梯度多層TaC/SiC復合涂層，這種多層涂層結構致密，沒有裂紋產生，具有良好的抗氧化和抗燒蝕性能。但采用的CVD制備方法工藝復雜，采用的腐蝕性氣體具有較大的毒性，尾氣處理復雜。?

發明內容

本發明的目的是針對現有碳/碳復合材料的涂層的缺點和不足，提供一種結合力好、抗氧化性能好、涂層厚度均勻的多層涂層。

本發明的另一個目的是提供一種所述多層涂層的厚度可控、安全無污染的制備方法。

本發明所述的多層涂層依次由在碳/碳復合材料基體上的SiC底層、SiC過渡層和SiC層/陶瓷層交替層構成。

本發明所述的SiC過渡層的厚度為10~100μm。

本發明所述的SiC層/陶瓷層交替層的SiC層厚度為2~30μm，陶瓷層厚度為5~30μm，交替層總厚度為50~300μm。

本發明所述的陶瓷層為MoSi₂、ZrB₂、ZrC、HfC或HfB。

本發明所述的SiC底層的制備方法為刷涂法、噴涂法或磁控濺射法。

所述的刷涂法為75~80%的Si粉，10~15%的C粉，5~10%的Al₂O₃粉，將三種料粉放入乙醇溶液中攪拌均勻形成漿料，將漿料均勻涂刷于C/C復合材料表面，刷涂層厚度為30~300μm，烘干后放入石墨坩堝中，放入真空爐內，按10℃/min升溫至1600~1900℃，保溫1~3小時，氬氣保護。隨后以10℃/min的速度降至1200℃后隨爐冷卻至室溫，獲得SiC底層。

所述的噴涂法為在氬氣流量30~60L/min，H₂流量4~14L/min，噴距200~450mm，電流500~700A，電壓50~65V，送粉速率15~70g/min下，噴涂厚度為50~500μm的?Si涂層，在1600~1800℃下真空熱處理1.5~3小時，獲得SiC底層。

所述的磁控濺射法為在氣壓為0.4~1.0Pa，偏壓50~200V，Si靶功率5~12W/cm²下，沉積厚度為20~200μm的Si涂層，在1600~1800℃下真空熱處理1.5~3小時，獲得SiC底層。

本發明所述的SiC過渡層的制備方法為磁控濺射的方法，步驟如下：