CN1762904A - 一种炭材料表面高温抗氧化涂层的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种炭材料表面高温抗氧化涂层的制备方法对炭材料表面进行清洗，烘干，把硅粉、硼粉、水、粘结剂按重量比为硅粉∶硼粉∶水∶粘结剂＝43.5～50.5∶3～10∶44.5～45∶1.0～2.5进行混合配制成浆料，采用浸涂、喷涂或者刷涂法把此浆料包覆在清洗干净的炭材料表面，包覆浆料厚度为200μm～240μm，干燥后放入真空电阻炉，将炉子加热到400～500℃，保温10～20分钟，然后再将炉子加热到1420℃～1500℃，保温20～30分钟.冷却得到高温抗氧化陶瓷涂层。本发明具有本发明工艺简单，效率高，可重复性好，大幅度降低炭材料的生产成本：并且整个工艺过程易于放大，适合于工业化生产的优点。

Description

一种炭材料表面高温抗氧化涂层的制备方法

技术领域

本发明涉及一种在炭材料表面制备高温抗氧化涂层的方法，属于炭材料保护领域。

背景技术

碳材料具有优良的耐热性，化学稳定性和导电性，广泛地应用于高温领域作为结构和工程材料。但是，碳材料在400℃以上的氧化气氛中就开始发生氧化反应，使得其各项物理及力学性能迅速劣化，因此，对炭材料进行氧化防护处理是延长其工作寿命，提高其工作稳定性和可靠性的根本措施。

对炭材料进行涂层处理是解决炭材料高温(＞1200℃)氧化防护的一种主要方法。SiC涂层热稳定性高，与炭基体化学相容性好，热膨胀系数接近。是目前用于炭材料氧化防护的主要陶瓷涂层材料。目前制备SiC涂层主要方法有：包埋法，化学气相沉积法，等离子喷涂法，化学气相渗透法等，但这几种方法制备的SiC涂层一般含有很多微孔隙和微裂纹，抗氧化能力不强。为了提高SiC涂层的抗氧化能力，人们又采取不同的方法来封填裂纹，例如反复用溶胶-凝胶封堵SiC涂层。Gee等(Journal of Material Science，1991，26(4)；1093)在SiC涂层上又涂覆了硼酸玻璃，硼酸玻璃在高温下具有较低的粘度和良好的流动性，可以愈合SiC涂层中的微裂纹。Piquero等(Carbon，1995，33(4)；455)采用B₄C内涂层加SiC外涂层体系进行氧化防护研究。这样就使整个过程复杂化，降低了其经济效益。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种低成本、具有优良的抗氧化性、工艺简单的炭材料表面高温抗氧化涂层的制备方法

本发明的目的是这样实现的：按一定的比例把硅粉、硼粉、水、粘结剂混合配制成浆料，将浆料在球磨机中充分研磨，使其中各组分均匀分布。采用浸涂、喷涂或者刷涂法把此浆料包覆在预先清洗干净的炭材料表面，在100℃-150℃的环境中干燥10～16小时，得到干燥的包覆体。最后在真空电阻炉中，加热温度高于Si的熔点(1410℃)20～100℃，保温20～30min，由于炭材料内部存在大量的微孔隙，在毛细血管作用力下，料液Si向炭材料均匀渗透的同时与炭基体反应生成一定厚度的梯度SiC涂层，少量的硼均匀分布于梯度SiC涂层中。SiC涂层的梯度分布促进了涂层与基体材料的化学结合，避免了由于热应力的集中而导致涂层剥离。涂层中弥散的硼可以氧化转变成B₂O₃填充SiC涂层的微孔，使炭材料实现自愈合抗氧化。所制备的抗氧化涂层具有抗热冲击性和良好的高温(1300℃)抗氧化性能。

本发明的制备方法包括以下步骤：(1).对炭材料表面进行清洗，去污，用蒸馏水超声清洗，然后放入干燥箱烘干；

(2).把硅粉、硼粉、水、粘结剂按重量比为硅粉∶硼粉∶水∶粘结剂＝43.5～50.5∶3～10∶44.5～45∶1.0～2.5进行混合配制成浆料，将浆料在球磨机中充分研磨，使其各组分均匀分布，采用浸涂、喷涂或者刷涂法把此浆料包覆在清洗干净的炭材料表面，包覆浆料厚度为200μm～240μn，在100℃-150℃的环境中干燥10～16小时，得到干燥的包覆体；

(3).将上述制得的包覆体放入真空电阻炉，首先以5～10℃/分钟的加热速度将炉子加热到400～500℃，保温10～20分钟，然后再以15～20℃/分钟的加热速度将炉子加热到1420℃～1500℃，保温20～30分钟.断电停止加热，待炉子冷却后取出样品，即可得到高温抗氧化陶瓷涂层。

上述所用的硅粉粒度为5～47μm，硼粉粒度为3～10μm；粘结剂为聚乙烯醇(PVA)、丙烯酰胺(AM)或者是聚乙烯醇缩甲醛(PVA)。

本发明的优点：

1.工艺过程相对简单，重复性好。

2.采用液体渗硅工艺实现SiC涂层的梯度分布，促进了涂层与基体材料的化学结合，避免了由于热应力的集中而导致涂层剥离。

3.涂层中弥散的硼可以氧化转变成B₂O₃填充SiC涂层的微孔，使炭材料实现自愈合抗氧化。

4.制备的抗氧化涂层具有抗热冲击性和良好的高温(1300℃)抗氧化性能。

具体实施方式

实施例1

把Si、B、H₂O、聚乙烯醇按重量比为50.5∶3∶45∶1.5配制成浆料，在球磨机中充分研磨1小时，使浆料中各组分均匀分布。采用浸涂法把此浆料包覆在清洗干净的石墨材料表面，包覆浆料厚度为200μm。然后在100℃的烘箱中干燥16小时，得到干燥的包覆体。将干燥的包覆体放入石墨坩埚中，然后把坩埚放入真空电阻炉中，封炉，抽真空通电加热。以5℃/分钟的加热速度将炉子加热到400℃，保温20分钟，然后再以20℃/分钟的加热速度将炉子加热到1450℃，保温25分钟.断电停止加热，待炉子冷却后取出样品。在1300℃的空气中做抗氧化试验，未经涂层的石墨氧化1小时，重量损失为40％；经涂层处理后，氧化30小时后，重量损失为0.1％。

实施例2

把Si、B、H₂O、聚乙烯醇按重量比为45.5∶8∶45∶1.5配制成浆料，在球磨机中充分研磨1小时，使浆料中各组分均匀分布.采用刷涂法把此浆料包覆在清洗干净的石墨材料表面，包覆浆料厚度为230μm。然后在120℃的烘箱中干燥14小时，得到干燥的包覆体。将干燥的包覆体放入石墨坩埚中，然后把坩埚放入真空电阻炉中，封炉，抽真空通电加热.以8℃/分钟的加热速度将炉子加热到450℃，保温15分钟，然后再以15℃/分钟的加热速度将炉子加热到1500℃，保温20分钟.断电停止加热，待炉子冷却后取出样品。在1300℃的空气中做抗氧化试验，未经涂层的石墨氧化1小时，重量损失为40％；经涂层处理后，氧化30小时后，重量损失为0.06％。

实施例3

把Si、B、H₂O、丙烯酰胺，按重量比为43.5∶10∶45.5∶1.0配制成浆料，在球磨机中充分研磨1小时，使浆料中各组分均匀分布.采用喷涂法把此浆料包覆在清洗干净的炭/炭复合材料表面，包覆浆料厚度为240μm。然后在150℃的烘箱中干燥10小时，得到干燥的包覆体。将干燥的包覆体放入石墨坩埚中，然后把坩埚放入真空电阻炉中，封炉，抽真空通电加热.以10℃/分钟的加热速度将炉子加热到500℃，保温10分钟，然后再以18℃/分钟的加热速度将炉子加热到1440℃，保温30分钟.断电停止加热，待炉子冷却后取出样品。在1300℃的空气中做抗氧化试验，未经涂层的石墨氧化1小时，重量损失为40％；经涂层处理后，氧化30小时后，重量损失为0.04％。

实施例4

把Si、B、H₂O、聚乙烯醇缩甲醛，按重量比为48.5∶5∶44∶2.5配制成浆料，将浆料在球磨机中充分研磨1小时，使其中各组分均匀分布.其余同实施例1.对所制得的样品进行抗热冲击实验。实验时先将炉子温度升到1020℃，氧化30分钟后，将试样迅速投入室温20℃水中，经过10次热循环冲击试验，涂层完整，未见涂层开裂。试样重量损失率为0.8％。

Claims (4)

1、一种炭材料表面高温抗氧化涂层的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)对炭材料表面进行清洗，去污，用蒸馏水超声清洗，然后放入干燥箱烘干；

(2)把硅粉、硼粉、水、粘结剂按重量比为硅粉∶硼粉∶水∶粘结剂＝43.5～50.5∶3～10∶44.5～45∶1.0～2.5进行混合配制成浆料，将浆料在球磨机中充分研磨，使其各组分均匀分布，采用浸涂、喷涂或者刷涂法把此浆料包覆在清洗干净的炭材料表面，包覆浆料厚度为200μm～240μm，在100℃-150℃的环境中干燥10～16小时，得到干燥的包覆体；

(3)将上述制得的包覆体放入真空电阻炉，首先以5～10℃/分钟的加热速度将炉子加热到400～500℃，保温10～20分钟，然后再以15～20℃/分钟的加热速度将炉子加热到1420℃～1500℃，保温20～30分钟.断电停止加热，待炉子冷却后取出样品，即可得到高温抗氧化陶瓷涂层。

2、如权利要求1所述的一种炭材料表面高温抗氧化涂层的制备方法，其特征在于所述的硅粉粒度为5～47μm。

3、如权利要求1所述的一种炭材料表面高温抗氧化涂层的制备方法，其特征在于所述的硼粉粒度为3～10μm。

4、如权利要求1所述的一种炭材料表面高温抗氧化涂层的制备方法，其特征在于所述的粘结剂为聚乙烯醇、丙烯酰胺或者是聚乙烯醇缩甲醛。