CN113772685A - 一种c/c复合材料等离子喷涂用硅酸锆粉体的制备方法 - Google Patents

一种c/c复合材料等离子喷涂用硅酸锆粉体的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种C/C复合材料等离子喷涂用硅酸锆粉体的制备方法，通过水解法分别得到氧化硅溶胶和氧化锆溶胶，然后将两种溶胶进行混合，得到复合溶胶，对溶胶进行干燥、煅烧、造粒、再煅烧而成。本发明制备的球形硅酸锆粉体在喷涂时不会造成因组分不均一而产生的应力集中、层间裂纹现象，提高了涂层的使用寿命，保证了基体的抗高温氧化性能。

Description

一种C/C复合材料等离子喷涂用硅酸锆粉体的制备方法
技术领域
本发明涉及金属间化合物材料制备领域，具体为一种C/C复合材料等离子喷涂用硅酸锆粉体的制备方法。
背景技术
C/C复合材料兼具碳的惰性和碳纤维的高强度，具有很好的断裂韧性、耐磨性、耐热震性，其随着温度其力学性能不降反升，强度和刚度在1650℃下仍能保持不变，是一种高性能的新型高温结构材料，被广泛用于航空航天、核能、化工等领域。但C/C复合材料有个致命的弱点，其在300-400℃的含氧环境下回开始氧化，性能急剧下降甚至失效，工业部件很多都是在高温有氧的气氛下工作，C/C复合材料这个弱点严重的限制了其应用领域和使用场合。
为了解决C/C复合材料在高温环境使用时，会被氧化的问题，研究人员提出在C/C复合材料的表面涂覆一层高熔点的陶瓷涂层，以提高基体的高温抗氧化性能，目前陶瓷抗氧化涂层材料中，硅基陶瓷涂层研究、应用最成熟，硅基陶瓷涂层在高温下生成玻璃态的SiO2，可以填补涂层中的空隙、裂纹，防止氧气向材料内部的扩散，从而达到抗氧化的目的。
硅酸锆(ZrSiO4)陶瓷材料具有高熔点、低导热率、低氧离子扩散率，它能够承受1500℃的高温，保护基体不被氧化，非常适合用于C/C复合材料的抗氧化涂层。然而传统的硅酸锆涂层材料是将氧化锆粉体和氧化硅粉体进行干混，然后球磨制成浆料，通过喷雾造粒制备成团聚粉末，最后将团聚粉末用等离子喷涂技术制成涂层。这种方法虽然简单、易行。但由于氧化锆和氧化硅是通过固体颗粒混合在一起，在制成涂层时，会存在一些区域成分不均一的现象，而且氧化锆和氧化硅由于密度不一样、熔点不一样、被加热时到达基体时的动能不一样，会造成涂层的应力堆积，产生层间大裂纹，影响涂层的使用寿命。因此需要开发一种更合适的喷涂用的硅酸锆粉体。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种C/C复合材料等离子喷涂用硅酸锆粉体的制备方法，与现有技术相比，其生产的硅酸锆粉体最大程度上保证了喷涂时涂层组分的均一性，降低了涂层会出现因组分不同产生的应力集中，延长了涂层的使用寿命。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种C/C复合材料等离子喷涂用硅酸锆粉体的制备方法，包括如下步骤：
(1)将正硅酸乙酯溶于无水乙醇中，然后向其中缓慢地滴加一定浓度的氨水，然后搅拌24h，制成硅溶胶，备用；
(2)配置八水氧氯化锆溶液，然后用放入反应釜中进行水解反应，得到氧化锆溶胶；
(3)将步骤(1)中的硅溶胶与步骤(2)中的氧化锆水解浆料进行混合，再加入一定量的矿化剂，得到复合溶胶；
(4)将步骤(3)中的复合溶胶在一定温度下进行陈化，得到复合凝胶；
(5)将步骤(4)中的复合凝胶进行烘干，煅烧得到硅酸锆粉体；
(6)将步骤(5)中的硅酸锆粉体进行球磨，配置成一定浓度的浆料；
(7)将步骤(6)中的浆料进行喷雾造粒，得到等离子喷涂用球形硅酸锆粉体；然后将球形硅酸锆粉体进行煅烧得到硅酸锆粉体。
进一步的，所述步骤(1)中的硅溶胶的浓度为10wt％-30wt％；氨水的浓度为5wt％-10wt％。
进一步的，所述步骤(2)中的氧氯化锆的浓度为0.5-1.5mol/L，水解温度为85℃-105℃，水解时间为12h-30h。
进一步的，所述步骤(3)中的硅溶胶与氧化锆水解浆料按照硅锆比1：1～1:1.5进行混合；矿化剂的加入量为0.5wt％～3wt％。
进一步的，所述步骤(4)中的复合凝胶陈化温度为55℃-90℃，陈化时间为12h-24h。
进一步的，所述步骤(5)中煅烧温度为1000-1250℃，保温时间为1～5h。
进一步的，所述步骤(6)中，浆料的浓度为30wt％-50wt％，球磨结束时浆料的粒径D50为70nm～300nm。
进一步的，所述步骤(7)中，喷雾造粒是，雾化频率为30-50Hz；硅酸锆粉体煅烧温度为700℃-1000℃。
由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
(1)在溶胶阶段将锆与硅进行混合，使得锆原子与硅原子在极小的纳米尺度下进行混合，降低了硅酸锆的生成的温度，所得到的粉体组成更加均一；(2)复合溶胶干燥之后进行煅烧，直接得到硅酸锆粉体，很大程度的降低因组分不均一而造成涂层的应力集中；(3)通过造粒得到球形硅酸锆，并对球形硅酸锆进行初步煅烧，产生一定强度的团聚体，避免了造粒粉团聚结合力不够，在喷涂时破碎堵住送粉管。
具体实施方式
下面结合具体实施案例对本发明作进一步的详细说明。
本发明的一种C/C复合材料等离子喷涂用硅酸锆粉体的制备方法，包括如下步骤：包括如下步骤：
(1)将正硅酸乙酯溶于无水乙醇中，然后向其中缓慢地滴加一定浓度的氨水，然后搅拌24h，制成硅溶胶，备用；
(2)配置八水氧氯化锆溶液，然后用放入反应釜中进行水解反应，得到氧化锆溶胶；
(3)将步骤(1)中的硅溶胶与步骤(2)中的氧化锆水解浆料进行混合，再加入一定量的矿化剂，得到复合溶胶；
(4)将步骤(3)中的复合溶胶在一定温度下进行陈化，得到复合凝胶；
(5)将步骤(4)中的复合凝胶进行烘干，煅烧得到硅酸锆粉体；
(6)将步骤(5)中的硅酸锆粉体进行球磨，配置成一定浓度的浆料；
(7)将步骤(6)中的浆料进行喷雾造粒，得到等离子喷涂用球形硅酸锆粉体；然后将球形硅酸锆粉体进行煅烧得到硅酸锆粉体。
步骤(1)中的硅溶胶的浓度为10wt％-30wt％；氨水的浓度为5wt％-10wt％。
步骤(2)中的氧氯化锆的浓度为0.5-1.5mol/L，水解温度为85℃-105℃，水解时间为12h-30h。
步骤(3)中的硅溶胶与氧化锆水解浆料按照硅锆比1：1～1:1.5进行混合；矿化剂的加入量为0.5wt％～3wt％。
步骤(4)中的复合凝胶陈化温度为55℃-90℃，陈化时间为12h-24h。
步骤(5)中煅烧温度为1000-1250℃，保温时间为1～5h。
步骤(6)中，浆料的浓度为30wt％-50wt％，球磨结束时浆料的粒径D50为70nm～300nm。
步骤(7)中，喷雾造粒是，雾化频率为30-50Hz；硅酸锆粉体煅烧温度为700℃-1000℃。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种C/C复合材料等离子喷涂用硅酸锆粉体的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将正硅酸乙酯溶于无水乙醇中，然后向其中缓慢地滴加一定浓度的氨水，然后搅拌24h，制成硅溶胶，备用；
(2)配置八水氧氯化锆溶液，然后用放入反应釜中进行水解反应，得到氧化锆溶胶；
(3)将步骤(1)中的硅溶胶与步骤(2)中的氧化锆水解浆料进行混合，再加入一定量的矿化剂，得到复合溶胶；
(4)将步骤(3)中的复合溶胶在一定温度下进行陈化，得到复合凝胶；
(5)将步骤(4)中的复合凝胶进行烘干，煅烧得到硅酸锆粉体；
(6)将步骤(5)中的硅酸锆粉体进行球磨，配置成一定浓度的浆料；
(7)将步骤(6)中的浆料进行喷雾造粒，得到等离子喷涂用球形硅酸锆粉体；然后将球形硅酸锆粉体进行煅烧得到硅酸锆粉体。
2.根据权利要求1所述的C/C复合材料等离子喷涂用硅酸锆粉体的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的硅溶胶的浓度为10wt％-30wt％；氨水的浓度为5wt％-10wt％。
3.根据权利要求1所述的C/C复合材料等离子喷涂用硅酸锆粉体的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中的氧氯化锆的浓度为0.5-1.5mol/L，水解温度为85℃-105℃，水解时间为12h-30h。
4.根据权利要求1所述的C/C复合材料等离子喷涂用硅酸锆粉体的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中的硅溶胶与氧化锆水解浆料按照硅锆比1：1～1:1.5进行混合；矿化剂的加入量为0.5wt％～3wt％。
5.根据权利要求1所述的C/C复合材料等离子喷涂用硅酸锆粉体的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中的复合凝胶陈化温度为55℃-90℃，陈化时间为12h-24h。
6.根据权利要求1所述的C/C复合材料等离子喷涂用硅酸锆粉体的制备方法，其特征在于：所述步骤(5)中煅烧温度为1000-1250℃，保温时间为1～5h。
7.根据权利要求1所述的C/C复合材料等离子喷涂用硅酸锆粉体的制备方法，其特征在于：所述步骤(6)中，浆料的浓度为30wt％-50wt％，球磨结束时浆料的粒径D50为70nm～300nm。
8.根据权利要求1所述的C/C复合材料等离子喷涂用硅酸锆粉体的制备方法，其特征在于：所述步骤(7)中，喷雾造粒是，雾化频率为30-50Hz；硅酸锆粉体煅烧温度为700℃-1000℃。
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