[发明专利]一种复合涂层及其在碳/碳复合材料中的应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种复合涂层及其在碳/碳复合材料中的应用，属于抗氧化碳/碳复合材料制造技术领域。

背景技术

碳/碳复合材料是目前在惰性气氛中高温力学性能最好、烧蚀环境下烧蚀性能最佳的材料，其强度从室温到2000℃随着温度的升高而升高。碳/碳复合材料这种独特的高温性能保持率是材料家族中独一无二的，成为宇航工业和其他领域耐热结构的关键材料。然而，碳/碳复合材料独特的高温强度保持率是在惰性气氛环境下获得的，而碳/碳复合材料大都用于高温甚至超高温氧化环境，未作抗氧化处理的碳/碳复合材料在370℃即开始氧化，500℃开始氧化加速，导致材料毁灭性破坏。因此，必须对碳/碳复合材料进行抗氧化处理已满足应用的需要。

提高碳/碳复合材料抗氧化能力有两种途径:一是提高碳/碳复合材料自身的抗氧化能力，即基体改性法。基体改性技术主要是通过向碳/碳体中添加难熔金属化合物封闭碳/碳体中的活性点来降低氧化速率，进而达到抗氧化的效果。二是在碳/碳复合材料表面施加抗氧化涂层，即抗氧化涂层法。目前，国内外公开发表的抗氧化涂层的使用温度大都局限在1650℃以下，而更高温度环境下碳/碳复合材料的抗氧化问题仍是悬而未决，相关涂层体系及工艺方法鲜有报道。

抗氧化涂层最基本的功能是把碳材料与氧化环境隔离开来，碳化硅(SiC)涂层由于具有与碳/碳复合材料良好的物理、化学相容性和相近的线膨胀系数，被广泛用作碳/碳复合材料的抗氧化涂层。目前,已报道的SiC涂层的制备方法主要有：化学气相沉积法、等离子喷涂法、原位化学反应法等。化学气相沉积和等离子喷涂制备SiC涂层在原理都属于物理过程，涂层与基体之间的连接属于物理连接，无法生成梯度过渡的、高结合强度的SiC涂层，在使用过程中容易因热应力导致涂层开裂或剥离，使碳/碳复合材料受到氧化破坏。而原位化学反应法可在碳/碳复合材料基体上实现Si-C的梯度过渡，生成的涂层与基体之间属于化学结合，可以有效提高涂层与碳/碳复合材料间结合强度，降低涂层开裂和剥落的趋势。

然而，基于SiC涂层本身的抗氧化特性，其使用温度很难超过1650℃，在更高温度下使用时，SiC涂层将很快发生失效，严重影响碳/碳复合材料的使用性能和使用寿命。因此，必须在SiC涂层表面引入更高熔点的材料对SiC涂层进行保护。M-Si-O是一种三元陶瓷材料，其熔点可以通过改变材料中M与Si原子比进行调节，甚至可以高达2400℃以上，其作为涂层材料具有熔点高、自愈合、氧扩散系数低等优点。目前，有关M-Si-O涂层用于碳/碳复合材料抗氧化保护的报道较少，常用的制备方法主要有溶胶凝胶法、刷涂烧结、等离子喷涂等。这些方法通常很难解决M-Si-O涂层与碳/碳基础之间的物理化学相容性、强结合和热胀匹配的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有碳/碳复合材料表面抗氧化涂层耐温性等级低、与基体界面匹配性差的问题，提出一种复合涂层及其在碳/碳复合材料中的应用，提高碳/碳复合材料在超高温有氧环境下的使用性能和使用寿命。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明的一种复合涂层，该复合涂层包括SiC基础过渡层和M-Si-O涂层外涂层，即该复合涂层为SiC/M-Si-O复合涂层；其中，M为锆、钇或镱。

本发明的复合涂层在碳/碳复合材料中的应用，步骤为：

1）采用原位化学反应制备SiC涂层用粉料配制：将SiC、Si、Al₂O₃和C采用球磨机混合均匀，得到反应粉料；

2）SiC涂层制备：将碳/碳复合材料试样清洗烘干后置于石墨坩锅中，周围用步骤1）配制好的反应粉料进行包埋；随后，将坩锅装入高温炉中，升温进行碳化硅涂层原位化学反应制备，反应完毕随炉冷却后取出，用酒精清洗、烘干，即可制得带有SiC涂层的碳/碳复合材料试样；

3）M-Si-O溶胶配制：用M前驱体和去离子水配制M前驱体水溶液，待M前驱体完全溶解后加入无水乙醇，然后缓慢滴加正硅酸乙酯，搅拌、陈化后制得M-Si-O溶胶；

4）M-Si-O溶胶浸渍：将步骤2）得到的带SiC涂层的碳/碳复合材料试样放入容器中后装入真空浸渍罐，开启真空泵抽真空，随后打开进料阀吸入步骤3）得到的M-Si-O溶胶，待试样完全被溶胶淹没后继续抽真空，完成溶胶浸渍；

5）M-Si-O溶胶干燥处理：将步骤4）中溶胶浸渍试样取出，自然晾干后放入马弗炉中进一步干燥处理，目的是去除涂层中的挥发份；

6）为保证涂层厚度，重复步骤4）-5）2～5次；