[发明专利]在由C/C复合材料制成的部件上的自愈合层的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及将用于提供抗氧化保护的涂层施用至由含有碳的热结构复合材料制成的部件上。

背景技术

热结构复合材料的特征在于使得它们适于构成结构部件的它们的机械性能，以及它们在高温下保持这些机械性能的能力。它们通过由耐火材料基体致密化的纤维增强件构成，所述耐火材料基体至少部分填充纤维增强件内的孔隙。构成纤维增强件和基体的材料通常选自碳和陶瓷。热结构复合材料的例子为碳/碳(C/C)复合材料和陶瓷基体复合材料(CMCs)，如C/SiC(碳纤维增强件和碳化硅基体)或C/C-SiC(碳纤维增强件和碳及碳化硅两者的基体)，或实际上C/C-SiC-Si(通过与Si反应而硅化的C/C复合材料)。

热结构复合材料常常含有碳，无论其构成纤维，构成至少部分基体，或实际上构成在纤维上形成的界面层以提供与基体的充分连接。因此，当在350℃以上的温度下在氧化气氛中使用这种部件时，为了避免由这种复合材料制成的部件的快速恶化，必要的是提供抗氧化保护。

许多文献涉及至少部分由碳或石墨制成的部件的抗氧化保护涂层的形成。

对于由含有碳的热结构复合材料，特别是C/C复合材料制成的部件，已知形成至少部分由含有硼的组合物，更特别地由具有自愈合性能的组合物制成的保护涂层。用于组合物的术语“自愈合”意指通过经过在部件的使用温度下的粘性状态，其用于堵塞在涂层或保护层中形成的任何裂纹否则，在氧化气氛中，这种裂纹为环境中的氧气提供了到达复合材料并渗透至其剩余孔隙中的途径。常用的自愈合组合物为硼玻璃，特别是硼硅酸盐玻璃。举例而言，可参考文献US 4 613 522。

氧化物B₂O₃为硼保护组合物的必要元素。其具有相对较低的熔融温度(约450℃)，且其存在提供了润湿待保护的碳表面的足够能力。当使用条件需要使用特定的自愈合玻璃质混合物(配制该自愈合玻璃质混合物以在预期温度范围内具有适当的粘性)时，必要的是将这种混合物与B₂O₃结合以在基材表面上形成连续保护膜。

取决于使用条件，B₂O₃可以自500℃(特别是在湿润气氛中)逐渐挥发，或者在较高温度下更快速地挥发。在1100℃以上，挥发变得很迅速，使得所存在的保护混合物的效力由于失去润湿能力而消失，即使是在极短持续时间内使用。

减缓B₂O₃的完全消失的一种方式包括将金属硼化物加入保护组合物，所述硼化物能够在存在的B₂O₃挥发时通过氧化逐渐地重新形成B₂O₃。文献US 5 420 084描述了一种保护涂层，其特别用于保护C/C复合材料部件免于高至1350℃的氧化，所述保护涂层由二硼化锆ZrB₂和胶体二氧化硅SiO₂的混合物形成。

由文献US 6 740 408也可知一种形成C/C复合材料部件的保护涂层的方法。该方法包括在部件上形成涂层，该涂层含有大部分由二硼化钛TiB₂构成的硼化物粉末、耐火氧化物粉末(通过形成硅酸盐玻璃防止愈合性能，并含有占大多数的硼硅酸盐混合物(如SiO₂-B₂O₃混合物的粉末))、由耐火陶瓷前体树脂(例如选自聚碳硅烷(PCS)的树脂、碳化硅SiC的前体；和聚钛碳硅烷(PCTS))(前体接着被转化为陶瓷)构成的粘合剂的混合物。二硼化钛TiB₂构成B₂O₃再生剂。这是因为在氧化(自550℃逐渐氧化，自1100℃更快速氧化)时，TiB₂通过产生B₂O₃+TiO₂来补偿的B₂O₃的消失。TiO₂氧化物分散于硅酸盐玻璃的氧化物中，并有利于增加粘性而同时保持其愈合能力。因此，以此方式获得的保护层为在高温下在湿润环境中使用的C/C复合材料部件提供了有效且持久的抗氧化保护。