CN111393186A - 一种激光辐照快速制备碳材料表面抗氧化纳米SiC涂层的方法 - Google Patents

一种激光辐照快速制备碳材料表面抗氧化纳米SiC涂层的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种激光辐照快速制备碳材料表面抗氧化纳米SiC涂层的方法，步骤为：制备预处理碳材料基板；制备涂覆预制涂层：将SiC微粉、粘结剂和有机溶剂按照2：0.1～1：1～4的比例混合后，经研磨、超声分散、磁力搅拌形成均匀的料浆，将该料浆均匀涂刷在碳材料基板表面，形成预制涂层，然后进行烘干处理；在气氛保护装置中洗气；激光处理：打开激光制造系统，以SiC颗粒与碳材料物性参数为参考值，选取激光工艺参数对涂覆有预制涂层的碳材料基板进行激光辐照，与传统技术相比，本发明提供的方法效率更高，工艺控制简单，环保性好。

Description

一种激光辐照快速制备碳材料表面抗氧化纳米SiC涂层的 方法
技术领域
本发明属于激光辐照制备涂层技术领域，具体涉及一种激光辐照快速制备碳材料表面抗氧化纳米SiC涂层的方法。
背景技术
碳材料具备低密度、低热膨胀系数、高气化温度、高热导率和良好的抗热烧蚀及抗热震性能，是一种优异的热结构-功能一体化工程材料，广泛应用在航空航天、民用等领域。但是研究表明：碳材料在450℃以上高温有氧环境下就开始逐渐氧化，且氧化速率随温度的升高而快速增加，受氧化的碳材料的力学性能会大幅下降。然而实际应用中，碳材料所处的环境通常是高温有氧的情况，这极大的限制了其应用范围。
SiC具有优异的物理化学性能,如熔点高、硬度高、耐腐蚀、抗氧化、断裂韧性低、热膨胀系数低等,且与碳材料的热膨胀系数差异较小，两者具有良好的物理化学相容性。将SiC应用在复合材料的表面形成涂层结构可有效提升复合材料的高温抗氧化性能。传统抗氧化涂层的制备方法主要是利用难熔氧化物、碳化物、氮化物和高熔点金属等材料，通过包埋浸渍法、化学气相沉积法、溶胶-凝胶法、原位生成法、表面快速烧结法和等离子喷涂法等在碳材料表面制备致密的抗氧化涂层，来阻止、延缓碳材料氧化反应传质过程的发生。然而，上述这些工艺的制备条件大都比较苛刻，如存在需添加催化剂、制备温度较高且较难控制、制备周期往往需要4小时以上、污染环境等问题。
激光作为一种清洁的能源，具有可控性好、可重复性好、清洁无污染等特点，使得其成为制备纳米涂层的重要研究方向之一。以激光辐照制备涂层是指首先在放置于工作台上的基体表面铺一层粉末，然后在计算机控制下沿二维轨迹采用激光束辐照，使预置的微米颗粒瞬间气化，在密闭室内与惰性气体快速达到过饱和状态，随着激光扫描的进行，先前扫描区域的温度瞬时降低，使气化的饱和碳化硅沉积在碳材料表面形成纳米涂层。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明所要解决的关键性技术问题是提供一种新型的激光辐照SiC颗粒快速制备碳材料表面纳米SiC涂层的方法，它可以有效抑制碳材料在高温环境中的氧化行为，且可以避免传统的SiC涂层制备工艺条件苛刻，如需添加催化剂、制备温度较高且较难控制、制备周期往往需要4小时以上、污染环境等问题。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种激光辐照微米SiC颗粒快速制备碳材料表面纳米SiC涂层的方法，包括如下步骤：
(1)制备并预处理碳材料基板：将碳材料基体表面用SiC砂纸打磨后在去离子水中超声清洗，进行烘干处理；
(2)预置涂层的制备：将涂层主要原料SiC微粉、粘结剂和有机溶剂按照2：0.1～1：1～4的比例混合后，经研磨、超声分散、磁力搅拌形成均匀的料浆。采用涂刷法在碳材料基板表面形成均匀的预涂层，涂粉厚度约为0.3～0.5mm，再进行烘干处理；
(3)外加气氛保护装置及洗气：将涂覆有涂层浆料的碳材料基板置于上端具有激光可透过视窗的气氛保护装置工作台上，通入惰性保护气体，充换气2～3次以完成洗气并保持保护气流通状态。
(4)激光处理：打开激光制造系统，根据SiC颗粒与碳材料物性转变参数为参考值，初步选取激光工艺参数对涂层进行激光辐照。
进一步地，激光处理后，关闭激光器并保持保护气流通状态，待碳材料基板随气氛保护装置自然冷却后取出。将产物进行观察、测试并以此作为优化激光工艺参数的依据。进而获得较优的激光工艺参数。
进一步地，所述碳材料包括碳纤维、天然石墨、碳碳复合材料等材料。
进一步地，所述粘结剂为有机粘结剂,包括聚乙烯醇缩丁醛、酚醛树脂、聚碳硅烷或聚乙烯。
进一步地，所述有机溶剂为乙醇。
进一步地，所述气氛保护装置为上端具有激光可透过视窗的完全密闭的腔体。
进一步地，所述惰性保护气体为氮气、氩气、氦气等。
进一步地，激光制造系统为振镜式500W光纤激光制造系统，其频率为20kHz，激光器场镜焦距为298mm；光斑尺寸为120μm圆形光斑。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明的有益效果是:提出了一种激光辐照快速制备碳材料表面抗氧化纳米SiC涂层的方法。其不含中间层，涂层与基体可以实现良好的结合，涂层组织较为均匀。采用绿色、环保的光纤激光器,以一定的激光能量密度参数辐照微米碳化硅颗粒,使其转变为碳化硅纳米颗粒,并由激光烧结在碳材料基板表面形成涂层，其操作简单,只要掌握其优化工艺,即可直接在碳材料表面制备出碳化硅纳米涂层,避免了化学方法和其他方法的操作复杂,杂质多,成本高等缺陷，且可以实现快速高效地制备小面积基体的涂层。所制备的涂层可以有效提高碳材料的抗氧化烧蚀性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所使用的光纤激光制造系统的示意简图；
图2为未经激光辐照预制涂层×500倍数下的SEM图；
图3为涂层采用扫描速度为30mm/s,激光光斑的直径为120μm,激光功率为200W的激光辐照后×300倍数下的SEM图；
图4为涂层采用扫描速度为30mm/s,激光光斑的直径为120μm,激光功率为200W的激光辐照后×50K倍数下的SEM图；
图5为图3和图4所述激光工艺参数下的涂层试样与普通石墨试样的失重率随温度变化曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
(1)将石墨基体表面用SiC砂纸打磨后在去离子水中超声清洗10～15min，放入120℃烘箱中进行烘干处理；
(2)将涂层主要原料SiC微粉、酚醛树脂和无水乙醇按照2：1：4的质量比混合后，经研磨、磁力搅拌形成均匀的料浆。采用涂刷法在石墨基板表面形成均匀的预涂层，涂粉厚度约为0.3mm，再放入120℃烘箱中进行烘干处理；
(3)将涂覆有涂层浆料的石墨基板置于上端具有激光可透过视窗的气氛保护装置工作台上，通入保护气体为氮气(气流量10L/min)，充换气3次以完成洗气并保持保护气流通状态；
(4)打开激光制造系统，根据SiC颗粒与碳材料物性转变参数为参考值，初步选取激光工艺参数对涂层进行激光辐照。相关参数如下
Figure BDA0002386027300000051
本实施例中采用振镜式500W光纤制造系统，其频率是20kHz，激光器场镜焦距为298mm；工艺参数为：激光功率200W；扫描速率30mm/s；光斑尺寸为120μm圆形光斑；
(5)激光处理后，关闭激光器并保持保护气流通状态，待试样随气氛保护装置自然冷却后取出。将产物进行观察、测试并以此作为优化激光工艺参数的依据。进而获得较优的激光工艺参数。
实验结果与分析
从图2和图3中可以看出,本发明所采用的工艺能够将微米级的SiC颗粒转变为更小的纳米级SiC颗粒。所得的SiC涂层颗粒尺寸普遍较小,均小于100nm,结晶沉积的均匀性较高。从图中可以看出,随着氧化时间的增加,对应的普通石墨试样氧化失重率大幅度提高,而本发明实施例所得涂层试样氧化失重曲线随氧化时间变化较小，说明本发明实施例所得纳米SiC涂层能够有效提高石墨材料的高温抗氧化性能。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种激光辐照快速制备碳材料表面抗氧化纳米SiC涂层的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)制备预处理碳材料基板，将碳材料基板表面用SiC砂纸打磨后，用去离子水超声清洗，然后进行烘干处理；
(2)制备涂覆预制涂层：将SiC微粉、粘结剂和有机溶剂按照2：0.1～1：1～4的比例混合后，经研磨、超声分散、磁力搅拌形成均匀的料浆，将该料浆均匀涂刷在碳材料基板表面，形成预制涂层，然后进行烘干处理；
(3)在气氛保护装置中洗气：将涂覆有预制涂层的碳材料基板置于气氛保护装置的工作台上，通入惰性保护气体，充换气若干次完成洗气，保持气体处于流通状态；
(4)激光处理：打开激光制造系统，以SiC颗粒与碳材料物性参数为参考值，选取激光工艺参数对涂覆有预制涂层的碳材料基板进行激光辐照。
2.根据权利要求1所述的一种激光辐照快速制备碳材料表面抗氧化纳米SiC涂层的方法，其特征在于，所述预制涂层厚度为0.3～0.5mm。
3.根据权利要求1所述的一种激光辐照快速制备碳材料表面抗氧化纳米SiC涂层的方法，其特征在于，所述的激光工艺参数包括激光波长、激光入射角度、激光功率、激光扫描速度和光斑直径。
4.根据权利要求1所述的一种激光辐照快速制备碳材料表面抗氧化纳米SiC涂层的方法，其特征在于，所述的粘结剂为有机粘结剂，包括聚乙烯醇缩丁醛、酚醛树脂、聚碳硅烷或聚乙烯。
5.根据权利要求1所述的一种激光辐照快速制备碳材料表面抗氧化纳米SiC涂层的方法，其特征在于，激光制造系统为振镜式500W光纤激光制造系统，其频率为20kHz，激光器场镜焦距为298mm；光斑尺寸为120μm圆形光斑。
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