[发明专利]一种炭质材料表面制备高温抗氧化涂层的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种炭质材料表面制备高温抗氧化涂层的方法，属于碳材料氧化防护用无机涂层材料技术领域。

背景技术

碳材料具有质量轻，导热性能好和强的抗冲击性能，尤其是碳/碳复合材料在1700℃以上的高温环境下，具有非常高的力学性能，被广泛应用于航空、航天、核能等条件苛刻的高技术领域。但是碳质材料在450℃的有氧环境下开始氧化，对其力学性能有致命性的破坏。抗氧化涂层是一种有效的解决碳材料高温热防护的主要方法，但是对于高于1700℃的高温有氧环境，单层涂层难以满足抗氧化要求，只能采用梯度涂层。梯度涂层由基体向外一般分为过渡层、氧阻挡层、密封层等。SiC涂层具有很好的热稳定性，与碳质材料具有很好的物理化学相容性，热膨胀系数相近，是理想的过渡层候选材料。但是SiC在高于1650℃的高温环境下氧化生成的SiO₂开始熔融，与碳材料的结合力明显降低，容易导致涂层脱落而失效。在SiC涂层的基础上制备一层含有高熔点碳化物陶瓷(以下简称XC)的涂层，如HfC(熔点3890℃)、TaC(3880℃)、ZrC(3540℃)，能够避免涂层脱落，在更高温度和更长时间抗氧化。SiO₂在高温下能够熔融，封填涂层微裂纹，而且可以和HfC、TaC、ZrC氧化分别生成的HfO₂，Ta₂O₅，ZrO₂反应生成玻璃态熔融物，牢牢附着在涂层表面，封填表面的开孔，阻止氧化气体进入基体，增强涂层的高温抗氧化性能。因此在炭质材料表面制备SiC/XC/SiO₂梯度涂层，能够在高于1800℃的高温下具有较好的抗氧化效果。但是现有研究制备XC涂层主要采用化学气相沉积的方法，该方法存在周期较长，尾气污染严重等缺点。

发明内容

本发明的目的是为了现有技术中化学气相沉积法制备XC涂层存在周期长、尾气污染严重的缺点，提出一种炭质材料表面制备高温抗氧化涂层的方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明的一种炭质材料表面制备高温抗氧化涂层的方法，该方法为涂敷烧结法，涂敷烧结法不受外形和尺寸的限制，制备周期短且成本低，该方法是在炭质材料表面涂敷反应浆料I，然后烧结，再涂敷浆料II，再烧结，最后刷涂正硅酸乙酯，干燥后得到表面具有高温抗氧化涂层的炭质材料；具体步骤为：

1)在炭质材料表面涂敷反应浆料I；反应浆料I由树脂和有效组元组成；树脂与有效组元的质量比为1-2∶1；树脂作为反应物料和载体，树脂为硅树脂、酚醛树脂或环氧树脂中的一种或其混合物；有效组元为单质硅；

2)将步骤1)中得到的炭质材料进行烧结，烧结完成后在炭质材料的表面形成碳化硅(SiC)应力释放层；烧结温度为1400-1800℃，烧结时间为1-4h；

3)在步骤2)得到的碳化硅表面涂敷氧阻挡层浆料II；氧阻挡层浆料II树脂作为反应物料和载体，添加难熔金属氧化物并混合均匀而成；难熔金属氧化物记为XO，其中，X为Hf、Ta或Zr；树脂与XO的质量比为3∶1-4；

4)将步骤3)得到的炭质材料进行烧结，烧结完成后重复步骤3)中的涂敷和该步骤的烧结过程1-2次；最后在碳化硅表面形成难熔金属碳化物即XC氧阻挡层；烧结温度为1300-1800℃，烧结时间为1-4h；

5)在步骤4)得到的XC氧阻挡层表面刷涂正硅酸乙酯(TEOS)，然后干燥；重复刷涂和干燥1-4次，得到密封层，干燥温度为100-120℃，干燥时间为1-3h；该密封层用于封填XC氧阻挡层的孔隙。

将上述方法制备的炭质材料在1300℃静态氧化环境中考核30min，其失重率为1×10-3^-4×10^-3g/(m².s)；

将上述方法制备的炭质材料在1500℃静态氧化环境中考核20min，其失重率为3×10^-3-6×10^-3g/(m².s)；

将上述方法制备的碳/碳复合材料在1800℃等离子风洞环境中考核800s，其失重率为5×10^-3-9×10^-3g/(m².s)。

有益效果

本发明通过难熔金属氧化物(XO)和树脂的相对含量，解决梯度涂层内部应力不匹配的问题，减少微裂纹，增大涂层的结合力，增强涂层抗氧化能力；