CN1903791A - 一种碳/碳复合材料基碳化硅涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种碳/碳复合材料基碳化硅涂层，其组成包括富含碳的碳化硅相和富含硅的碳化硅相。其制备方法为利用包埋法在经打磨抛光后的碳/碳复合材料表面直接沉积以氧化硼为添加剂的碳化硅涂层。本发明具有更加优异的与碳/碳复合材料基体之间的结合强度以及致密度，提高了碳化硅涂层的抗氧化性能，具有1500℃下200小时抗氧化的优异性能。

Description

一种碳/碳复合材料基碳化硅涂层及其制备方法
(一)所属技术领域
本发明涉及一种化工材料的制备方法，尤其是一种碳/碳复合材料基涂层的制备方法。
(二)背景技术
近年来碳/碳复合材料已成为人们研究的热点。碳/碳复合材料具有热膨胀系数低、密度低、耐烧蚀、耐腐蚀、摩擦系数稳定、导热导电性能好和高强度、高模量等特点，并且该材料具有随温度升高力学性能不下降反而升高的特性，被广泛应用于航空、航天及民用工业领域。然而，它的上述许多性质只能在惰性气氛下或者在低于450℃的条件下才能保持，否则氧化失重会使得碳/碳复合材料的力学性能明显下降，从而限制了其作为高温耐火材料在氧化气氛下的广泛应用。因此，解决碳/碳复合材料高温氧化防护问题是充分利用其性能的前提。抗氧化涂层被认为是解决其高温氧化防护问题的有效方法，而碳化硅陶瓷材料由于具有与碳/碳复合材料良好的物理化学相容性，所以被普遍采用作为和碳/碳复合材料基体接触的涂层材料。为了得到更加致密的、抗氧化性能优异的涂层结构，在利用包埋法制取碳化硅涂层时往往添加一定量的金属氧化物或者添加某种化合物，这种化合物经过氧化后能够生成一定的氧化物，而这种氧化物能够改善涂层与碳/碳复合材料基体结合的强度以及涂层的致密度并提高涂层的抗氧化能力，例如黄剑锋、曾燮榕等人在2004年第42卷的《碳》期刊中研究了用氧化铝作为制备碳化硅涂层添加剂的涂层体系；杰弗里和韦恩在1995年第33卷的《碳》期刊中研究了在原料中添加含碳化硼制备碳/碳复合材料碳化硅涂层的涂层体系。由于所选用的添加剂不同，碳化硅涂层和碳/碳复合材料基体的结合力和致密度不同，从而影响涂层的抗氧化性能，因此这些文献所公开的碳化硅涂层还未实现在有氧介质中1500℃下长时间的抗氧化。
(三)发明内容
为了克服现有技术致密度不佳以及抗氧化性能较差的缺陷，本发明提供了一种碳/碳复合材料基碳化硅涂层，其组成包括富含碳的碳化硅相和富含硅的碳化硅相。
其制备方法为利用包埋法在经打磨抛光后的碳/碳复合材料表面直接沉积以氧化硼为添加剂的碳化硅涂层。
本发明所采用的技术方案包括下列步骤：
1)先将碳/碳复合材料用砂纸打磨抛光后用无水乙醇洗涤干净，干燥备用；
2)选用氧化硼为制备碳化硅涂层的添加剂；
3)制备碳化硅涂层的粉料配方为：硅、碳、碳化硅与氧化硼混合粉体的质量百分比为：硅，65～78％；碳，11～18％；碳化硅，10～16％；氧化硼，1～8％；
4)将备用的碳/碳复合材料分别埋于前述的混合粉料中，利用包埋法在碳/碳复合材料表面沉积碳化硅涂层。
本发明相比现有技术中碳化硅涂层与碳/碳复合材料基体之间的结合强度以及致密度较差的特点，碳化硅涂层具有更加优异的与碳/碳复合材料基体之间的结合强度以及致密度，通过在原料中添加氧化硼，改善了涂层与碳/碳复合材料基体之间的结合，增加了涂层的致密度，进而提高了碳化硅涂层的抗氧化性能，具有1500℃下200小时抗氧化的优异性能。
附图说明：
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
图1为碳/碳复合材料表面碳化硅涂层成分图，
其中1区为富含碳的碳化硅相，2区为富含硅的碳化硅相；
图2为碳/碳复合材料表面碳化硅涂层侧面形貌。
具体实施方式
实施例1：将密度为1.72g/cm3的碳/碳复合材料分别用400号、800号以及1000号的砂纸依次打磨抛光后用无水乙醇洗涤干净，在空气中放置干燥备用。
称取粉料置于树脂球磨罐中。粉料的配比为：纯度为99.5％、粒度为300目的硅粉74.6％，纯度为99％、粒度为320目的碳粉12％，纯度为99.5％、粒度为300目的碳化硅粉12.4％，纯度为99.5％、粒度为300目的氧化硼粉1％；同时取不同数量不同直径的玛瑙球放于球磨罐中，随后加入适量蒸馏水作为球磨剂。球磨12小时后，将混合液取出放入烧杯中，用200目筛过筛，过筛后的悬浮液放入烧杯中，放于烘箱中于90℃下烘干，之后用研钵研磨分散粉料，再分别过200目筛后备用。
将一定量的混合粉体预先放入石墨坩埚中，然后放入备用的碳/碳复合材料试样，再在石墨坩埚中放入适量粉体，轻微摇晃坩埚，使粉料均匀包埋试样，然后加上坩埚盖密闭。
将石墨坩埚放入石墨作加热体的立式真空炉中；抽真空30分钟后使真空度达到-0.09MPa，静置30分钟，观察真空表指示是否变化，如无变化，说明系统密封完好，通氩气至常压后再抽真空，此过程重复三次；随后将炉温从室温升至1500～1800℃，升温速度控制在5～10℃/min，达到预定的最高温度后保温1～3小时，随后降温，以10℃/min的速度降温至1200℃，关电源自然冷却至室温，整个过程通氩气保护。开炉后打开坩埚，从粉体中取出碳/碳复合材料，清洗干净后可看到在材料表面有一层产物即为碳化硅涂层。
实施例2：将密度为1.72g/cm3的碳/碳复合材料分别用400号、800号以及1000号的砂纸依次打磨抛光后用无水乙醇洗涤干净，在空气中放置干燥备用。
称取粉料置于树脂球磨罐中。粉料的配比为：纯度为99.5％、粒度为300目的硅粉65％，纯度为99％、粒度为320目的碳粉17％，纯度为99.5％、粒度为300目的碳化硅粉10％，纯度为99.5％、粒度为300目的氧化硼粉8％；同时取不同数量不同直径的玛瑙球放于球磨罐中，随后加入适量蒸馏水作为球磨剂。球磨12小时后，将混合液取出放入烧杯中，用200目筛过筛，过筛后的悬浮液放入烧杯中，放于烘箱中于90℃下烘干，之后用研钵研磨分散粉料，再分别过200目筛后备用。
将一定量的混合粉体预先放入石墨坩埚中，然后分别放入备用的碳/碳复合材料试样，再在石墨坩埚中放入适量粉体，轻微摇晃坩埚，使粉料均匀包埋试样，然后加上坩埚盖密闭。
将石墨坩埚放入石墨作加热体的立式真空炉中；抽真空30分钟后使真空度达到-0.09MPa，静置30分钟，观察真空表指示是否变化，如无变化，说明系统密封完好，通氩气至常压后再抽真空，此过程重复三次；随后将炉温从室温升至1500～1800℃，升温速度控制在5～10℃/min，达到预定的最高温度后保温1～3小时，随后降温，以10℃/min的速度降温至1200℃，关电源自然冷却至室温，整个过程通氩气保护。开炉后打开坩埚，从粉体中取出碳/碳复合材料，清洗干净后可看到在材料表面有一层产物即为碳化硅涂层。

Claims (2)

1、一种碳/碳复合材料基碳化硅涂层，其特征在于：其组成还包括富含碳的碳化硅相和富含硅的碳化硅相。
2、一种碳/碳复合材料基碳化硅涂层的制备方法，其特征在于包括下列步骤：
1)先将碳/碳复合材料用砂纸打磨抛光后用无水乙醇洗涤干净，干燥备用；
2)选用氧化硼为制备碳化硅涂层的添加剂；
3)制备碳化硅涂层的粉料配方为：硅、碳、碳化硅与氧化硼混合粉体的质量百分比为：硅，65～78％；碳，11～18％；碳化硅，10～16％；氧化硼，1～8％；
4)将备用的碳/碳复合材料分别埋于前述的混合粉料中，利用包埋法在碳/碳复合材料表面沉积碳化硅涂层。
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