[發明專利]一種碳/碳復合材料表面寬溫域長壽命抗氧化涂層及低溫制備方法

有效

• 申請號: 202210032714.5
• 申請日: 2022-01-12
• 公開（公告）號: CN114315390B
• 公開（公告）日: 2023-06-02
• 發明（設計）人: 張雨雷;朱肖飛;李濤;陳慧;陳睿聰
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: C04B35/66
• 分類號: C04B35/66;C04B41/87;C04B35/565;C04B35/58;C04B35/622
• 代理公司: 西安凱多思知識產權代理事務所(普通合伙) 61290
• 代理人: 王鮮凱

本發明涉及一種碳/碳復合材料表面寬溫域長壽命抗氧化涂層及低溫制備方法，用于提高C/C復合材料在寬溫域(900?1500℃)的抗氧化性能。本發明的技術方案是用冷涂法先在SiC涂覆的C/C復合材料表面制備一個多孔的HfBsubgt;2/subgt;?SiC預涂層，然后該預涂層經過低溫致密化處理，使HfBsubgt;2/subgt;原位產生Bsubgt;2/subgt;Osubgt;3/subgt;玻璃填充微孔和粘結涂層中的陶瓷顆粒，形成了一個含有豐富Bsubgt;2/subgt;Osubgt;3/subgt;玻璃，SiC和HfOsubgt;2/subgt;陶瓷顆粒的復合涂層。在低中溫氧化環境下，涂層會分別產生硼硅酸鹽玻璃和SiOsubgt;2/subgt;玻璃，作為阻氧屏障來防護C/C復合材料不被氧化。另外，涂層中的Hf?oxides(HfOsubgt;2/subgt;和HfSiOsubgt;4/subgt;)陶瓷顆粒可以增韌玻璃和抑制玻璃的揮發。所以該涂層可以在900?1500℃的寬溫域內防護C/C復合材料長壽命抗氧化。

技術領域

本發明屬于碳/碳復合材料抗氧化涂層領域，涉及一種碳/碳復合材料表面寬溫域長壽命抗氧化涂層及低溫制備方法。

背景技術

碳/碳(C/C)復合材料是一種由碳纖維和碳基體組成的，具有優異高溫力學性能的超高溫熱結構材料，非常有潛力應用于航空航天領域。然而C/C復合材料在高于450℃的有氧環境下極易發生氧化，造成碳基體和碳纖維損傷，從而導致C/C復合材料的力學性能大幅度下降，限制了該材料在超高溫領域的應用。為了提高C/C復合材料高溫抗氧化性能，基體改性和表面涂層技術被廣大研究者發展，其中表面涂層可被用來阻斷氧氣與C/C復合材料的接觸，所以制備抗氧化涂層是一種可實現長時間防護C/C復合材料的有效手段。目前常用的抗氧化涂層是硅基陶瓷涂層，因為該類涂層在高溫(1400-1600℃)氧化時會在表面生成一層致密的SiO₂玻璃層，可以愈合涂層中微裂紋，有效地阻礙了氧氣向C/C復合材料基體的擴散。但當氧化溫度低于1200℃時，硅基陶瓷涂層的氧化速率很低，短時間產生的SiO₂玻璃很少且粘度較高，難以對裂紋進行有效愈合。為了提高硅基陶瓷涂層在中低溫對C/C復合材料的保護能力，文獻1“Q.G.Fu,H.J.Li,Y.J.Wang,K.Z.Li,X.H.Shi,B₂O₃?modified?SiC-MoSi₂?oxidation?resistant?coating?for?carbon/carbon?composites?by?a?two-steppack?cementation,Corros.Sci.51(2009)2450-2454.”文獻2“T.Feng,H.J.Li,X.Yang,X.H.Shi,S.L.Wang,Z.B.He,Multilayer?and?multi-component?oxidation?protectivecoating?system?for?carbon/carbon?composites?from?room?temperature?to?1873K,Corros.Sci.72(2013)144-149.”均提出通過包埋法引入B₂O₃改性硅基陶瓷涂層，因為在900℃下B₂O₃玻璃比SiO₂玻璃具有更低的粘度，且能和SiO₂生成硼硅酸鹽玻璃，可以愈合硅基陶瓷涂層中的微裂紋，所以相比于硅基陶瓷涂層，B₂O₃改性的硅基陶瓷涂層在900℃氧化環境下獲得了較好的抗氧化性能。但通過包埋法制備涂層所需的制備溫度在1900℃以上，保持時間為1-3小時，在如此高的溫度和長的時間，包埋粉料中低熔點高蒸氣壓的B₂O₃會迅速揮發，導致該制備方法獲得的涂層中B₂O₃含量是較低的，涂層在900℃有效防護時間僅為150h。所以通過高溫包埋法制備的B₂O₃改性硅基陶瓷涂層不能滿足長壽命防護C/C復合材料的要求。文獻3公開專利“一種碳/碳復合材料表面寬溫域復合抗氧化涂層及制備方法(CN113716977A)”采用料漿浸涂結合氣相滲硅工藝制備了一種SiC-Si/TiB₂-SiC-Si/SiC-Si/SiO₂-B多層復合抗氧化涂層。該制備方法中氣相滲硅溫度較高(≥1800℃)，另外，該涂層體系是由四層涂層構成，制備步驟繁瑣，工藝復雜，不可控因素較多，成本高，且該涂層在900℃也僅保護C/C復合材料182h就已失重，取的效果有限，也不能實現對C/C復合材料長壽命防護。鑒于上述涂層制備溫度高，涂層中B₂O₃含量低，防護時間短，有必要設法通過低溫制備獲得一個可以在寬溫域實現長壽命抗氧化的涂層。