CN101244947A - 炭/炭复合材料ZrC抗烧蚀涂层的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种炭/炭复合材料ZrC抗烧蚀涂层的制备方法，将C/C复合材料打磨抛光后清洗至少30分钟，放入烘箱中烘干备用；催化剂I₂和Zr粉在惰性气体保护下进行球磨混合；将制备的包埋粉料一半放入不锈钢坩埚，放入经处理的C/C复合材料，用另一半包埋料将C/C复合材料覆盖，然后加上不锈钢坩埚盖，用螺栓连接使不锈钢坩埚密闭；小流量惰性气体保护下，以5～10℃/min升温速度升温到1000～1300℃保温4～16h后断电降温，从而制备出ZrC抗烧蚀涂层。本发明克服基体改性过程中碳纤维的损伤，避免了普通包埋过程中温度过高对碳纤维的损伤，涂层与基体结合强度较高。

Description

炭/炭复合材料ZrC抗烧蚀涂层的制备方法

技术领域

本发明涉及一种化工制备方法，尤其是一种复合材料抗烧蚀涂层的制备方法。

背景技术

作为短时的热防护材料，炭/炭(C/C)复合材料不仅具有耐烧蚀、热膨胀小、密度小，抗热震性能好等优点，而且C/C复合材料制成的喷管内型面烧蚀比较均匀、光滑，烧蚀前后没有台阶或凹坑，有利于提高喷管效率，因此被公认是最佳的喉衬材料；然而，在高温有氧环境下，C/C复合材料极易氧化，大大降低了其烧蚀性能。主要的解决途径：1)C/C复合材料基体中添加难熔金属碳化物；2)C/C复合材料表面涂镀抗烧蚀涂层。

崔红、苏君明、李瑞珍、李贺军、康沫狂等人于2000年在西北工业大学学报第18期公开了名为“添加难熔金属碳化物提高C/C复合材料抗烧蚀性能的研究”的文献，采用该方法虽然从一定程度上提高了C/C复合材料的抗烧蚀性能；然而在金属氧化物和碳反应生成碳化物的过程中大大损伤了碳纤维，大大降低了C/C复合材料的力学性能。

文献2“Qian Gang Fu，He Jun Li et al.Silicon carbide coating to protect carbon/carboncomposites against oxidation[J]Scripta Materialia 52(2005)923-927”采用普通包埋在C/C复合材料表面制备涂层，该方法制备温度较高，一般都在1500℃以上，对碳纤维有很大的损伤，同时，涂层内热应力较大，容易在涂层中产生裂纹。

朱钧国、杜春飙、张秉忠等人于2002年在清华大学学报第20期公开了名为“碳化锆镀层的化学气相沉积”的文献，以ZrCl₄-H₂为先驱体，采用化学气相沉积制备ZrC涂层。采用该方法制备ZrC涂层，不但ZrCl₄价格昂贵、反应副产物HCl对设备腐蚀严重，而且涂层与基体的结合强度不高。

发明内容

为了克服现有技术在基体改性过程中金属氧化物和碳反应对碳纤维的损伤、普通包埋涂层内热应力较大、容易在涂层中产生裂纹以及采用化学气相沉积制备ZrC涂层与基体的结合强度不高等问题，本发明提供一种C/C复合材料ZrC抗烧蚀涂层的制备方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

1.将C/C复合材料打磨抛光后用无水乙醇清洗至少30分钟，放入烘箱中80～100℃烘干备用；

2.包埋粉料制备：催化剂I₂的质量百分比为3～8％、Zr粉为92～97％；催化剂I₂和Zr粉在惰性气体保护下进行球磨混合，以防止球磨过程中Zr粉的氧化；

3.将经步骤2所制备的包埋粉料一半放入不锈钢坩埚，放入经步骤1处理的C/C复合材料，用另一半包埋料将C/C复合材料覆盖，然后加上不锈钢坩埚盖，用螺栓连接使不锈钢坩埚密闭；

4.热处理工艺：不锈钢坩埚在400～600ml/min惰性气体保护下，以5～10℃/min升温速度升温到1000～1300℃保温4～16h后断电降温，从而制备出ZrC抗烧蚀涂层。

所述的催化剂I₂为结晶态、分析纯(质量百分含量≥99.8％)，Zr粉纯度为质量百分含量≥99.5％、中位粒径≤38μm。

本发明的有益效果是：在C/C复合材料表面制备Zr与C反应生成ZrC克服基体改性过程中金属氧化物和C反应对碳纤维的损伤，另外，碘的加入大大降低了Zr与C反应的温度，降低了涂层内的热应力，避免了普通包埋过程中温度过高对碳纤维的损伤，同时涂层和基体间能形成一定的成分梯度，涂层与基体结合强度较高。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图说明

图1是本发明所制备C/C复合材料ZrC涂层烧蚀前的X-射线衍射图谱。

图2是本发明所制备C/C复合材料ZrC涂层烧蚀后的形貌，白色物质为ZrO₂。

具体实施方式

方法实例1：

1.将C/C复合材料分别用400号、800号以及1000号砂纸依次打磨抛光后用无水乙醇清洗，放入烘箱中80℃烘干备用。

2.分别称取97gZr粉，3g碘，置于树脂球磨罐中，氩气保护下球磨8小时后，将混合粉体取出作为包埋料备用。

3.将上述包埋粉料一半放入不锈钢坩埚，放入C/C复合材料，再放入另一半包埋粉料，轻微摇晃坩埚，使包埋粉料均匀包覆所述C/C复合材料，然后加上不锈钢坩埚盖，用螺栓连接使不锈钢坩埚密闭。

4.将不锈钢坩埚放入石墨发热体的立式真空炉中，对真空炉进行抽真空处理后，开始以5℃/min升温速度将炉温从室温升至1000℃，达到预定温度后保温4小时，然后断电冷却至室温，全程400ml/min氩气保护。开炉后打开不锈钢坩埚，从粉料中取出C/C复合材料，可以发现材料表面有一层黑色产物。该产物即为ZrC抗烧蚀涂层。

方法实例2：

1.将C/C复合材料分别用400号、800号以及1000号砂纸依次打磨抛光后用无水乙醇超声波清洗，放入烘箱中90℃烘干备用。

2.分别称取95gZr粉，5g碘，置于树脂球磨罐中，氩气保护下球磨10小时后，将混合粉体取出作为包埋料备用。

3.将上述包埋粉料一半放入不锈钢坩埚，放入C/C复合材料，再放入另一半包埋粉料，轻微摇晃坩埚，使包埋粉料均匀包覆所述C/C复合材料，然后加上不锈钢坩埚盖，用螺栓连接使不锈钢坩埚密闭。

4.将不锈钢坩埚放入石墨发热体的立式真空炉中，对真空炉进行抽真空处理后，开始以8℃/min升温速度将炉温从室温升至1150℃，达到预定最高温度后保温8小时，然后断电冷却至室温，全程500ml/min氩气保护。开炉后打开不锈钢坩埚，从粉料中取出C/C复合材料，可以发现材料表面有一层黑色产物。该产物即为ZrC涂层。

方法实例3：

1.将C/C复合材料分别用400号、800号以及1000号砂纸依次打磨抛光后用无水乙醇超声波清洗，放入烘箱中100℃烘干备用。

2.分别称取92gZr粉，8g碘，置于树脂球磨罐中，氩气保护下球磨15小时后，将混合粉体取出作为包埋料备用。

3.将上述包埋粉料一半放入不锈钢坩埚，放入C/C复合材料，再放入另一半包埋粉料，轻微摇晃坩埚，使包埋粉料均匀包覆所述C/C复合材料，然后加上不锈钢坩埚盖，用螺栓连接使不锈钢坩埚密闭。

4.将不锈钢坩埚放入石墨发热体的立式真空炉中，对真空炉进行抽真空处理后，开始以10℃/min升温速度将炉温从室温升至1300℃，达到预定最高温度后保温8小时，然后断电冷却至室温，全程600ml/min氩气保护。开炉后打开不锈钢坩埚，从粉料中取出C/C复合材料，可以发现材料表面有一层黑色产物。该产物即为ZrC抗烧蚀涂层。

如图1所示本发明所制备C/C复合材料ZrC涂层烧蚀前的X-射线衍射图谱，图中只出现了单一的ZrC衍射峰，说明通过本方法能够制备出C/C复合材料ZrC涂层。

Claims (2)

1、炭/炭复合材料ZrC抗烧蚀涂层的制备方法，其特征在于包括下述步骤：

(a)将C/C复合材料打磨抛光后用无水乙醇清洗至少30分钟，放入烘箱中80～100℃烘干备用；

(b)包埋粉料制备：催化剂I₂的质量百分比为3～8％、Zr粉为92～97％；催化剂I₂和Zr粉在惰性气体保护下进行球磨混合；

(c)将经步骤(b)所制备的包埋粉料一半放入不锈钢坩埚，放入经步骤(a)处理的C/C复合材料，用另一半包埋料将C/C复合材料覆盖，然后加上不锈钢坩埚盖，用螺栓连接使不锈钢坩埚密闭；

(d)不锈钢坩埚在400～600ml/min惰性气体保护下，以5～10℃/min升温速度升温到1000～1300℃保温4～16h后断电降温，从而制备出ZrC抗烧蚀涂层。

2、根据利用权利要求1所述的炭/炭复合材料ZrC抗烧蚀涂层的制备方法，其特征在于：所述的催化剂I₂为结晶态、质量百分含量≥99.8％，Zr粉纯度为质量百分含量≥99.5％、中位粒径≤38μm。

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