CN101139217A - 一种C/SiC复合材料表面抗氧化涂层及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种C/SiC复合材料表面上涂层及其制备方法，由与基底C/SiC复合材料相结合的SiC涂层，及依次连接的Mo－Si涂层、SiC涂层、Mo－Si涂层、SiC涂层组成；所述的Mo－Si涂层由Si粉、Mo粉和化学纯硅溶胶按质量比30～40％∶10～20％∶50～60％混合而成。本发明的涂层可在1400℃氧化气氛中长期使用时，既具有低的氧化失重率和高的强度保持率，又具有优异的抗热震性能。

Description

一种C/SiC复合材料表面抗氧化涂层及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种碳/陶复合材料表面处理，尤其是涉及一种C/SiC复合材料表面1400℃长寿命抗氧化涂层及其制备方法。

背景技术

C/SiC复合材料具有低密度、抗热震、耐磨损，以及优异的高温力学性能和稳定的摩擦系数等优点，目前已被广泛应用于航空航天等领域。然而，C/SiC复合材料中的炭纤维在400℃以上的空气中即出现明显的失重和强度降低现象，导致材料性能下降甚至完全失效，而C/SiC复合材料作为结构工程构件应用时大多处于氧化气氛中。因此，必须对C/SiC复合材料进行抗氧化防护。

C/SiC复合材料抗氧化防护可分为基体改性抗氧化和表面涂层抗氧化。前者的抗氧化效果有限，且通常局限于1000℃以下使用；后者多为用单一的涂层制备技术制备单层单一组元的陶瓷涂层，在使用过程中，或因涂层与基体热膨胀失配而形成裂纹，或因涂层与基体结合差而剥落，使涂层的抗氧化防护作用削弱，涂层的有效使用寿命低。目前，大量的抗氧化防护研究尚不能从根本上解决C/SiC复合材料1400℃长时间的氧化问题。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足之处，而提供一种在1400℃氧化气氛中长期使用时，既具有低的氧化失重率和高的强度保持率，又具有优异的抗热震性能，C/SiC复合材料表面抗氧化涂层。

本发明的另一目的旨在上述C/SiC复合材料表面抗氧化涂层的制备方法。

本发明的目的是通过下述方式实现的；

C/SiC复合材料表面上涂层：由与基底C/SiC复合材料相结合的SiC涂层，及依次连接的Mo-Si涂层、SiC涂层、Mo-Si涂层、SiC涂层组成，所述的Mo-Si涂层由Si粉、Mo粉和化学纯硅溶胶按质量比30～40％∶10～20％∶50～60％混合而成。

上述C/SiC复合材料表面抗氧化涂层的制备方法为，

(1)将经表面处理的C/SiC复合材料置于化学气相沉积炉(CVD)炉中，以三氯甲基硅烷(MTS)为硅源，采用恒温水浴，保持MTS的温度为28～35℃；以Ar为稀释气体，以H₂为载气，通过鼓泡的方式将MTS带入CVD炉中沉积制备SiC涂层，沉积压力为200～250Pa，沉积温度为1050～1150℃，沉积时间5～7h；

(2)Mo-Si涂层制备

将Mo-Si浆料均匀地刷涂在SiC涂层表面，于45-55℃烘干后放入真空碳管烧结炉中烧结，烧结气氛为Ar，烧结压力为常压，烧结温度为：以5～10℃/min的升温速度将炉温从室温升至1430℃～1530℃，保温5～30min，随后以5～10℃/min的速度降温至950～1050℃，自然冷却至室温得到SiC涂层+Mo-Si涂层的试样；

所述Mo-Si浆料为：将Si粉、Mo粉和化学纯硅溶胶按质量比30～40％：10～20％∶50～60％混合配制；

(3)将步骤(2)制备的试样依次重复步骤(1)、(2)、(1)，最终制备得到所需涂层。涂层组成为SiC涂层-Mo-Si涂层-SiC涂层-Mo-Si涂层-SiC涂层。

所述的(1)步中摩尔比为H₂/MTS＝(8～10)/1。

将300～400目Si粉、400～550目Mo粉。

本发明的方法可制备化学气相渗透(CVI)和/或熔硅浸渗(MSI)工艺制备的C/SiC复合材料的长寿命抗氧化涂层。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果体现在：

①致密的SiC涂层起过渡层和氧扩散阻挡层的作用。SiC层与C/SiC复合材料具有相近的热膨胀系数和较好的物理、化学相容性，起过渡层和氧扩散阻挡层的作用

②多孔的Mo-Si涂层一方面为后续的沉积SiC提供了沉积位置，有利于提高涂层之间的结合，减少出现贯穿裂纹和减小热应力，另一方面在1400℃氧化时，不仅由于氧化生成SiO₂而发生自愈合，同时可以缓解生成SiO₂所引起的体积膨胀。

③涂层具有优异的抗氧化、抗热震性能，可满足1400℃氧化环境中长期使用的要求。

表1：本发明涂层试样1400℃100℃热震后的弯曲强度.

表1

	未热震	热震次数/次
				25	50
		弯曲强度/MPa	180.99			173.26	147.71

强度保持率/％

\

95.73

81.61

附图说明

图1：涂层试样的SEM照片(a)表面；(b)侧面；

图2：涂层试样1400℃、150h的氧化情况；

图3：涂层试样1400℃100℃的热震曲线；

具体实施方式

实施例1：

制备过程和工艺参数为：将MSI或CVI工艺制备的C/SiC复合材料表面进行打磨抛光，打磨抛光后尺寸为20×20×5mm，然后超声波清洗，烘干后待用；(1)将以上经处理的复合材料置于CVD炉中。以MTS为硅源，采用恒温水浴，保持MTS的温度为28-35℃之间的任一温度；以Ar为稀释气体(流量为200～300ml/min)，以H₂为载气，通过鼓泡的方式将MTS带入CVD炉中制备SiC涂层。工艺参数：沉积压力为200～250Pa，沉积温度为1050～1150℃，所述的(1)步中摩尔比为H₂/MTS＝(8～10)/1，沉积时间5～7h；(2)以Si粉(300～400目)、Mo粉(400～550目)和硅溶胶(化学纯)为原料。按Si粉∶Mo粉∶硅溶胶质量比30～40％∶10～20％∶50～60％混合配制浆料，进行不少于30min的搅拌处理，使浆料中各组分均匀分布；将以上配制的浆料均匀地刷涂在步骤(1)制备了SiC涂层的试样表面，于45～55℃烘箱中烘干后放入石墨坩埚中，将石墨坩埚放入真空碳管烧结炉中，抽真空后充Ar至常压，以5～10℃/min的升温速度将炉温从室温升至1430～1530℃，保温5～30min，随后以5～10℃/min的速度降温至950～1050℃，关电源自然冷却至室温取出。整个过程炉压均保持为常压。(3)将步骤(2)制备的试样依次重复进行步骤(1)、(2)、(1)，最终制备涂层试样。

在开放式硅钼棒炉内，升温至1400℃，温度稳定后，将涂层试样置于炉内，氧化一定的时间后取出，空冷至室温称重。重复以上氧化过程，直至氧化时间累计为150h。

制备的涂层试样1400℃的氧化结果如下：

涂层试样经1400℃、150h氧化后，涂层保持完整，没有出现脱落、掉块现象，质量失重率仅为-0.25％。

实施例2：

制备过程和工艺参数为：将MSI工艺制备的复合材料表面进行打磨抛光，打磨抛光后尺寸为40×5×3mm，然后超声波清洗，烘干后待用；其它步骤同实施例1。

在开放式硅钼棒炉内，升温至1400℃，温度稳定后，将涂层试样置于炉内，氧化5min后，迅速投入100℃的恒温水浴快速降温至100℃，烘干后称重。重复以上热震过程。热震累计次数分别为25次和50次。

制备的涂层试样1400℃100℃的热震结果如下：

涂层试样在热震过程中，涂层保持完整，没有出现脱落、掉块现象，经25次和50次热震后，弯曲强度保持率分别为95.73％和81.61％。

Claims (4)

1.一种C/SiC复合材料表面上涂层，其特征在于：由与基底C/SiC复合材料相结合的SiC涂层，及依次连接的Mo-Si涂层、SiC涂层、Mo-Si涂层、SiC涂层组成；所述的Mo-Si涂层由Si粉、Mo粉和化学纯硅溶胶按质量比30～40％∶10～20％∶50～60％混合而成。

2.一种C/SiC复合材料表面抗氧化涂层的制备方法，其特征在于：

(1)将经表面处理的C/SiC复合材料置于化学气相沉积炉炉中，以三氯甲基硅烷(MTS)为硅源，采用恒温水浴，保持MTS的温度为28～35℃；以Ar为稀释气体，以H₂为载气，通过鼓泡的方式将MTS带入CVD炉中沉积制备SiC涂层，沉积压力为200～250Pa，沉积温度为1050～1150℃，沉积时间5～7h；

(2)Mo-Si涂层制备

将Mo-Si浆料均匀地刷涂在SiC涂层表面，于45-55℃烘干后放入真空碳管烧结炉中烧结，烧结气氛为Ar，烧结压力为常压，烧结温度为：以5～10℃/min的升温速度将炉温从室温升至1430℃～1530℃，保温5～30min，随后以5～10℃/min的速度降温至950～1050℃，自然冷却至室温得到SiC涂层+Mo-Si涂层的试样；

所述Mo-Si浆料为：将Si粉、Mo粉和化学纯硅溶胶按质量比30～40％∶10～20％∶50～60％混合配制；

(3)将步骤(2)制备的试样依次重复步骤(1)、(2)、(1)，最终制备得到所需涂层，涂层组成为SiC涂层-Mo-Si涂层-SiC涂层-Mo-Si涂层-SiC涂层。

3.根据权利要求2所述的一种C/SiC复合材料表面抗氧化涂层的制备方法，其特征在于：所述的(1)步中摩尔比为H₂/MTS＝(8～10)/1。

4.根据权利要求2所述一种C/SiC复合材料表面抗氧化涂层的制备方法，其特征在于：将300～400目Si粉、400～550目Mo粉。

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