[發明專利]一種C/C復合材料的高溫防護涂層及制備方法

在審

• 申請號: 201810345296.9
• 申請日: 2018-04-17
• 公開（公告）號: CN108503389A
• 公開（公告）日: 2018-09-07
• 發明（設計）人: 劉學璋;章麗偉
• 申請（專利權）人: 江西科技師范大學
• 主分類號: C04B41/87
• 分類號: C04B41/87
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明屬于材料領域，公開一種C/C復合材料的高溫防護涂層及制備方法。本發明的特點是通過對粒徑3～5μm的ZrB₂粉體預處理，在其表面誘導組裝一層200～500nm的稀土氧化物。等離子噴涂過程中，該層優先熔融，阻隔ZrB₂顆粒的氧化分解，沉積到基體后；優先熔融的稀土氧化物填充到ZrB₂顆粒扁平化堆積的間隙中，提高涂層的致密性；高溫防護過程中，該稀土氧化物層能穩定氧化產物ZrO₂，避免晶型轉變帶來大量孔隙或裂紋，從而延長涂層的高溫防護時間。本發明所獲得的高溫防護涂層成分均勻，結構致密，可抵御1600℃的高速氣流不低于800s的燒蝕，且其質量損失率低于?2.0×10^?4g/s。

技術領域

本發明涉及一種C/C復合材料的高溫防護涂層及制備方法，屬于復合材料領域。

背景技術

碳纖維增強碳基體復合材料(也稱C/C復合材料)不僅克服了一般碳-石墨材料低強度的缺點，還具有高比強、高比模、低熱膨脹系數、低密度等一系列優異性能，已廣泛應用于固體火箭發動機(SRM)噴管、超聲速飛行器的熱防護系統以及導彈鼻錐等航空航天高技術領域的熱端部件。但是，C/C復合材料高溫下的氧化成為了其廣泛應用的致命障礙。已有研究表明，當氧化性環境溫度超過400℃時，C/C復合材料中的碳基體與碳纖維組織將發生氧化，且溫度越高，氧化速率急速上升，其機械性能隨之下降。

等離子噴涂制備涂層不僅能有效隔離氧化環境與基體材料，還具有極低的氧滲透率和良好的抗沖刷性能，是C/C復合材料高溫長壽命抗燒蝕防護的最有效方法。其中，ZrB₂的熔點高達3245℃，氧化產物B₂O₃能自我封填裂紋，使得ZrB₂基涂層具有非常優異的抗燒蝕性能。此外，MoSi₂與SiC等常常作為助燒結劑加入ZrB₂中，以進一步提高其抗氧化燒蝕能力。

但是，等離子噴涂制備ZrB₂基防護涂層存在一些關鍵問題：1)噴涂過程中ZrB₂易氧化分解，所生成的熔化產物(B₂O₃，熔點為450℃)在1000℃以上會大量揮發，致使涂層成分不均勻，結構性能下降。2)熔融的ZrB₂高速撞擊基體后形成扁平化粒子，相互堆積成涂層，這些扁平化的堆積之間不可避免形成空隙，導致涂層的致密性不高。3)1600℃左右的高溫防護中，涂層氧化生成的ZrO₂易發生晶型轉變，帶來體積變化將產生孔隙或裂紋，致使涂層失效。

鑒于此，申請號為CN 107021787 A的發明專利“一種抗燒蝕涂層的制備方法”采用氧化釔改性的二硼化鋯-二硅化鉬或碳化硅涂層，旨在提高碳/碳復合材料的抗高溫燒蝕性能，未涉及噴涂粉體ZrB₂氧化分解，涂層致密性差等問題。申請號為CN201710204416.9的發明專利“一種碳/碳復合材料表面長時間抗燒蝕復合涂層及制備方法”采用包埋法和超音速等離子噴涂兩步法制備了SiC涂層和ZrC-La₂O₃復相陶瓷涂層。在ZrC涂層中引入稀土La₂O₃，可與氧化鋯形成的低揮發性的復合氧化物，使其對防護涂層的孔隙、裂紋進行愈合，從而延長涂層防護時間。但該專利也未涉及噴涂過程中粉體的氧化分解等問題。

發明內容

本發明針對以上背景技術中所闡述的不足，提出一種對C/C復合材料的高溫防護涂層的制備方案：通過對粒徑3～5μm的ZrB₂粉體預處理，在其表面誘導組裝一層200～500nm的稀土氧化物。等離子噴涂過程中，該層優先熔融，阻隔ZrB₂顆粒的氧化分解，沉積到基體后；優先熔融的稀土氧化物填充到ZrB₂顆粒扁平化堆積的間隙中，提高涂層的致密性；高溫防護過程中，該稀土氧化物層能穩定氧化產物ZrO₂，避免晶型轉變帶來大量孔隙或裂紋，從而延長涂層的高溫防護時間。