[發(fā)明專利]一種基體-涂層改性炭/炭復合材料及其制備工藝

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810602004.5
• 申請日: 2018-06-12
• 公開（公告）號: CN108892542A
• 公開（公告）日: 2018-11-27
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 孫澤旭;周哲;易茂中;冉麗萍;葛毅成;彭可
• 申請（專利權(quán)）人: 中南大學
• 主分類號: C04B41/90
• 分類號: C04B41/90;C04B35/52;C04B35/83
• 代理公司: 北京國坤專利代理事務(wù)所(普通合伙) 11491
• 代理人: 趙紅霞

本發(fā)明公開了一種基體?涂層改性炭/炭復合材料及其制備工藝，基體?涂層改性炭/炭復合材料包括C/C?SiC?ZrC基體及其表面鎢涂層，C/C?SiC?ZrC基體材料包括炭纖維層、熱解炭層、SiC過渡涂層及ZrC層；基體改性后C/C?SiC?ZrC基材料表面為鎢涂層。基體?涂層改性炭/炭復合材料制備工藝包括以下工藝步驟：基體表面處理；Zr?Si粉末混合熔滲粉料的制備；噴涂鎢涂層的噴涂粉料的篩選；等離子噴涂W涂層和反應(yīng)熔滲方法制備Zr?Si改性C/C復合材料；基體材料應(yīng)力緩解；抗燒蝕性能測試。本發(fā)明使復合材料在3000℃左右氧乙炔焰抗燒蝕時間從10s提高到150s且材料整體結(jié)構(gòu)不發(fā)生破壞。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及材料領(lǐng)域，特別指一種基體-涂層改性炭/炭復合材料及其制備工藝。

背景技術(shù)

炭/炭復合材料以其低密度、高比強度、耐燒蝕和耐熱沖擊等優(yōu)異性能已成為沖壓發(fā)動機噴管喉襯的首選材料之一。但炭/炭復合材料在空氣中400℃以上開始氧化，氧化過程伴隨著氣體介質(zhì)中的氧的流動，并且在雜質(zhì)微粒的催化作用下，從材料邊界通過材料內(nèi)部孔隙擴散至內(nèi)部，導致強度和其他機械性能的迅速衰減，并且氧化失重1％，其力學性能下降達10％，因此純炭/炭復合材料難以長時間在非真空環(huán)境中承受高溫、高速粒子流的沖刷。炭/炭復合材料表面涂覆涂層是提高其耐燒蝕性的有效途徑。當前制備鎢涂層的方法主要有等離子噴涂法和化學氣相沉積法，表面涂層在2800℃左右30s范圍內(nèi)基本保證不脫落和不出現(xiàn)燒蝕坑，目前炭/炭復合材料在2900℃左右氧乙炔焰燒蝕時間在10s左右；因此，對于更長時間處于2800℃和以上溫度的耐燒蝕性仍懸而未決。

文獻1：“Wen B,Ma Z,Liu Y,et al.Supersonic flame ablation resistance ofW/ZrC coating deposited on C/SiC composites by atmosphere plasma spraying[J].Ceramics International,2014,40(8):11825-11830.”介紹了ZrC-W的兩項涂層的制備方式，且W涂層最為ZrC與基體層之間的中間層，其涂層的燒蝕率為29.5×10^-3g/s，線燒蝕率5.33×10^-3mm/s，但本種方法制備涂層中間過度層為W，由于在含氧條件下燒蝕過程中生成氧化鎢等氧化產(chǎn)物，會形成鎢涂層中間的體積膨脹，由于體積膨脹的過程會使得涂層與基體之間的結(jié)合發(fā)生破壞，影響涂層的抗燒蝕性能。

文獻2：“Shi X H,Huo J H,Zhu J L,et al.Ablation resistance of SiC–ZrCcoating prepared by a simple two-step method on carbon fiber reinforcedcomposites[J].Corrosion Science,2014,88(6):49-55.”介紹了C/C-SiC-ZrC兩相涂層的制備方法，通過漿料浸漬等方式制備制備SiC-ZrC抗燒蝕涂層，且涂層可以抵御30s的燒蝕試驗。本文獻采用單一的PIP法將ZrC和SiC均勻的分散在分散劑中，在材料表面進行涂覆，但是本種方法制備的抗燒蝕涂層在電鏡下面的組織不均勻，且距離實際應(yīng)用還有較大的差距，測試顯示只能抵御30s的燒蝕試驗，材料及會發(fā)生破壞，所以此種方法制備的涂層對材料的抗燒蝕性提升有限，且涂層與基體的結(jié)合為機械結(jié)合，涂層強度不能保證。燒蝕過程中容易發(fā)生鎢涂層因燒蝕氧化而發(fā)生體積膨脹，使得涂層失效。

文獻3：“成來飛,張立同,徐永東,等.液相法制備碳碳復合材料Si-W涂層表面氧化層的結(jié)構(gòu)[J].硅酸鹽學報,1997(5):537-541.”介紹了在密度為1.7g/cm³的炭/炭復合材料上通過提前的Si粉包埋的方式制備了一種具有SiC過渡層的上噴涂鎢的鎢涂層，由于其制備方式過于復雜，且不適合對材料內(nèi)部進行保護，且中間有玻璃相生成對樣品高溫處理的時候的狀態(tài)對材料的內(nèi)部向內(nèi)進行流動。且對材料的內(nèi)部保護不夠，高溫時期的玻璃相對材料纖維有一定程度的損害。