CN1544827A - 防止炭/炭复合材料氧化的方法 - Google Patents
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Abstract
防止炭/炭复合材料氧化的方法，其特征在于：所采用的物料为一水相混合物，可以浸入炭/炭复合材料，其包含下列组份(重量百分比)：水30％～50％，氯化铝5％～10％，氯化锌5％～10％，磷酸铝10％～20％，磷酸锌5％～10％，磷酸15％～40％；此外，还可以包括表面活性剂1％～5％，将上述组份的物料混合均匀，在炭/炭复合材料表面刷涂，或将炭/炭复合材料在该水相混合物中浸渍处理后，再用高温热处理，使固体组分从水相溶液中沉积到炭/炭复合材料的表面和孔隙中。采用本发明的方法对飞机炭刹车盘等炭/炭复合材料进行防氧化处理后，可以降低炭/炭复合材料的孔隙率，增加炭/炭复合材料的密度，大幅提高炭/炭复合材料的高温防氧化能力以及海水或盐雾污染和湿热状态下的高温防氧化能力。
Description
所属技术领域
本发明涉及防止炭/炭复合材料氧化的方法。
背景技术
C/C复合材料的比强大，比模量高，耐高温，抗热震，防粘滞卡咬，有极优良的摩擦磨损性能，是制作刹车盘的最佳材料，与传统的金属基飞机刹车材料相比，C/C复合材料具有高温力学性能优异、导热性好、热容量大、热膨胀系数小、密度低、重量轻、摩擦磨损性能好和使用寿命长等特点，用来制造飞机刹车副具有特别的技术优势和经济优势，有逐渐取代金属基飞机刹车材料的趋势。但C/C复合材料一般有10％至15％的孔隙，在450℃以上空气中会发生氧化，而飞机着陆时巨大的动能要在很短的时间内被刹车副(热库)吸收，使刹车副的温度可达500℃～900℃，甚至更高。因此，C/C复合材料刹车到在反复热冲击的氧化条件下工作，轻度氧化时材料的密度降低，强度下降；严重氧化时材料会出现分层，甚至变为絮状，完全丧失材料的机械性能氧化，从而导致刹车失效甚至发生事故。航空刹车盘材料的氧化严重威胁着飞机的安全性和可靠性，它引起了材料界和机械设计界的高度重视。抗氧化技术是C/C复合材料航空刹车副能否安全可靠使用的关键技术，也是飞机炭刹车盘制造过程中一项关键技术。
中国专利审定公告号CN1062961中描述了一种用于飞机碳/碳复合材料刹车盘防氧化涂层，它由致密的具有自弥合功能的物理阻挡层(由稀土硼硅酸盐形成)和化学阻挡层以及冶金扩散层组成，稀土硼硅酸盐在防氧化涂层中不小于85％。中国专利申请公开号CN1415669公开了一种用于飞机碳/碳刹车盘防氧化涂层及其涂覆工艺，采用预浸液(硼酸、磷酸盐及蒸馏水)和涂料(碳化硅、硼与硼化物、硅粉等)，经对碳盘浸涂、热处理等工序，使碳盘除摩擦面外的各部位均附着预浸液和涂料，其厚度最终形成为0.05～0.1mm。虽然这两项专利申请均不同程度的提高了C/C复合材料刹车盘的抗氧化能力以及抗湿能力，但其工艺比较复杂，在高温时抗氧化能力和抗湿能力还有待提高。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种工艺简单、高温防氧化能力以及海水或盐雾污染和湿热状态下的高温防氧化能力高，适合飞机炭刹车盘等C/C复合材料的防止炭/炭复合材料氧化的方法。
本发明的技术解决方案如下：一种防止炭/炭复合材料氧化的方法，其特征在于：所采用的物料为一水相混合物，可以浸入炭/炭复合材料，其包含下列组份(重量百分比)：水30％～50％，氯化铝5％～10％，氯化锌5％～10％，磷酸铝10％～20％，磷酸锌5％～10％，磷酸15％～40％；此外，还可以包括表面活性剂1％～5％，将上述组份的物料混合均匀，在炭/炭复合材料表面刷涂，或将炭/炭复合材料在该水相混合物中浸渍处理后，再用高温热处理，使固体组分从水相溶液中沉积到炭/炭复合材料的表面和孔隙中。
上述炭/炭复合材料表面刷涂工艺是在大气压下实施的；炭/炭复合材料水相混合物浸渍处理工艺是在真空下实施的，热处理温度在从700℃～900℃。
本发明与现有技术相比具有的优点如下：
(1)本发明所需原材料价格低，实施工艺简单，工艺性好，可成批处理，工艺实施成本低。
(2)本发明可在炭/炭复合材料表面和内部孔隙中形成一连续密实的均匀防护层，封填了C/C材料表层和次表层的一些空洞和疏松，有效掩蔽材料表面以及孔隙内部的氧化活性中心，可以有效阻止氧分子的扩散渗透，阻碍材料与氧气的反应。
(3)含钾或钠等碱金属的海水或盐雾以及除冰剂和清洗剂容易污染飞机炭刹车盘，由于碱金属对飞机炭刹车盘的氧化具有催化作用，可使炭的氧化损失速率提高1～2个数量级。本发明可在炭/炭复合材料表面和内部孔隙中沉积含磷和含氯组分，该组分可与对氧化反应有催化性的钾或钠等碱金属反应生成稳定的不活泼的磷酸盐或氯化物，达到反催化的目的，可以净化受污染飞机炭刹车盘，提高飞机炭刹车盘等炭/炭复合材料海水或盐雾污染状态下的高温防氧化能力。
(4)本发明在炭/炭复合材料表面和内部孔隙中沉积的组分，在高温下形成熔融流动态，愈合了本身的微孔及在高温下所产生的微裂纹，为一稳定的自愈合体系，有效地阻止了氧分子的侵蚀。本发明在500℃～900℃范围内，具有良好的抗氧化性。
(5)采用本发明处理过的炭/炭复合材料具有良好的抗热冲击性能，能经受多次高温热冲击，特别适用于防止飞机炭刹车盘的高温氧化。
总之，采用本发明的方法可以降低炭/炭复合材料的孔隙率，增加炭/炭复合材料的密度，大幅提高炭/炭复合材料的高温防氧化能力以及海水或盐雾污染和湿热状态下的高温防氧化能力。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进一步详细说明。
实施例1
将下列组份(重量百分比)：水30％，氯化铝10％，氯化锌5％，磷酸铝20％，磷酸锌10％，磷酸25％，硅烷表面活性剂KH-550 5％，混合搅伴均匀，在炭/炭复合材料表面刷涂，或将炭/炭复合材料在该水相混合物中浸渍处理，然后再用高温热处理，其温度为700℃，使其固体组分从水相溶液中沉积到炭/炭复合材料的表面和孔隙中。上述炭/炭复合材料表面刷涂工艺是在大气压下实施的，炭/炭复合材料水相混合物浸渍处理工艺是在真空下实施的。
实施例2
将下列组份(重量百分比)：水50％，氯化铝5％，氯化锌5％，磷酸铝10％，磷酸锌5％，磷酸24％，硅烷表面活性剂1％，混合搅伴均匀，在炭/炭复合材料表面刷涂，或将炭/炭复合材料在该水相混合物中浸渍处理，然后再用高温热处理，其温度为800℃，使其固体组分从水相溶液中沉积到炭/炭复合材料的表面和孔隙中。上述炭/炭复合材料表面刷涂工艺是在大气压下实施的，炭/炭复合材料水相混合物浸渍处理工艺是在真空下实施的。
实施例3
将下列组份(重量百分比)：水40％，氯化铝5％，氯化锌5％，磷酸铝10％，磷酸锌5％，磷酸15％，硅烷表面活性剂1％，混合搅伴均匀，在炭/炭复合材料表面刷涂，或将炭/炭复合材料在该水相混合物中浸渍处理，然后再用高温热处理，其温度为800℃，使其固体组分从水相溶液中沉积到炭/炭复合材料的表面和孔隙中。上述炭/炭复合材料表面刷涂工艺是在大气压下实施的，炭/炭复合材料水相混合物浸渍处理工艺是在真空下实施的。
实施例3
将下列组份(重量百分比)：水40％，氯化铝10％，氯化锌15％，磷酸铝19％，磷酸锌5％，磷酸15％，硅烷表面活性剂1％，混合搅伴均匀，在炭/炭复合材料表面刷涂，或将炭/炭复合材料在该水相混合物中浸渍处理，然后再用高温热处理，其温度为900℃，使其固体组分从水相溶液中沉积到炭/炭复合材料的表面和孔隙中。上述炭/炭复合材料表面刷涂工艺是在大气压下实施的，炭/炭复合材料水相混合物浸渍处理工艺是在真空下实施的。
实施例4
将下列组份(重量百分比)：水30％，氯化铝5％，氯化锌5％，磷酸铝15％，磷酸锌5％，磷酸40％，混合搅伴均匀，在炭/炭复合材料表面刷涂，或将炭/炭复合材料在该水相混合物中浸渍处理，然后再用高温热处理，其温度为900℃，使其固体组分从水相溶液中沉积到炭/炭复合材料的表面和孔隙中。上述炭/炭复合材料表面刷涂工艺是在大气压下实施的，炭/炭复合材料水相混合物浸渍处理工艺是在真空下实施的。
采用本发明的方法后，对炭/炭复合材料制成的刹车盘进行了试验，其结果如下：
试样的炭材料选用Boeing-757型飞机炭刹车盘材料，机加成10mm×10mm×10mm的小样，将试样在该水相混合物中真空下浸渍处理1小时后，再在800℃热处理(氮气氛)2小时制得。试样浸渍处理前密度为1.80g/cm2，浸债处理后密度为1.85g/cm2，提高约3％。
在500℃，经过100h氧化试验后，失重率仅为0.5％，700℃经过100h氧化试验后失重率仅为11％.900℃经过5h氧化试验后失重率仅为2.2％。
将试样升温至500℃，然后迅速冷却至室温，进行50次循环；升温至700℃，进行5次循环；升温至1100℃，进行3次循环后，测试试样的氧化失重率，试样在经过多次热冲击后，氧化失重仅为1.6％。
按ASTMD1141海水代用规范配置海水，对试样进行处理后进行氧化试验，在500℃，经过100h氧化试验后，失重率仅为2.6％，700℃经过100h氧化试验后失重率仅为16％。900℃经过sh氧化试验后失重率仅为4.2％。
按MIL-STD-810湿热环境试验方法，对试样进行处理后进行氧化试验，在500℃，经过100h氧化试验后，失重率仅为0.8％，700℃经过100h氧化试验后失重率仅为12％.900℃经过5h氧化试验后失重率仅为2.9％。
Claims (5)
1、一种防止炭/炭复合材料氧化的方法，其特征在于：所采用的物料为一水相混合物，可以浸入炭/炭复合材料，其包含下列组份(重量百分比)：水30％～50％，氯化铝5％～10％，氯化锌5％～10％，磷酸铝10％～20％，磷酸锌5％～10％，磷酸15％～40％，将上述组份的物料混合均匀，在炭/炭复合材料表面刷涂，或将炭/炭复合材料在该水相混合物中浸渍处理后，再用高温热处理，使固体组分从水相溶液中沉积到炭/炭复合材料的表面和孔隙中。
2、根据权利要求1所述的防止炭/炭复合材料氧化的方法，其特征在于：还可以包括表面活性剂1％～5％。
3、根据权利要求1所述的防止炭/炭复合材料氧化的方法，其特征在于：所述的炭/炭复合材料表面刷涂工艺是在大气压下实施的。
4、根据权利要求1所述的防止炭/炭复合材料氧化的方法，其特征在于：所述的炭/炭复合材料水相混合物浸渍处理工艺是在真空下实施的。
5、根据权利要求1所述的防止炭/炭复合材料氧化的方法，其特征在于：所述的热处理温度为700℃～900℃。
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