[发明专利]一种泡沫炭表面原位合成Si3N4涂层的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种在泡沫炭材料表面原位合成Si₃N₄涂层的方法，属于新材料技术领域。

背景技术

泡沫炭材料作为一种新型炭材料，独特的孔洞结构赋予其低密度、高强度、导电、导热、热稳定、化学稳定等优越的性能，广泛应用于宇航、冶金、化工、环保、电子等领域。但是高温氧化气氛中易氧化腐蚀的弱点，严重影响泡沫炭材料优异性能的发挥，进而制约其在众多领域的应用。因此，亟需一种有效的抗氧化防护方法，在不影响泡沫炭材料结构及性能的前提下，阻止泡沫炭材料的氧化。

目前，泡沫炭材料的抗氧化防护主要包括基体改性和涂层法两种，且涂层法是最为有效的抗氧化防护措施。Si₃N₄因其独特的力学、光学、电学性质以及理想的钝化、抗氧化性能，也是一种重要的涂层和薄膜材料。现有技术虽涉及Si₃N₄在炭材料的抗氧化涂层中的研究，但多是用于炭/炭复合材料基体表面且与SiC等进行复合形成一定的复合涂层，而用于多孔的泡沫炭材料的抗氧化Si₃N₄涂层还未见相关技术报道。

本发明基于Si₃N₄形成的气-固机理，提出了一种工艺简单、易于控制，低温易掺杂的溶胶浸渍结合高温氮化处理制备Si₃N₄涂层的新方法，大大提高泡沫炭材料的抗氧化性能，为其在宇航、化工、电子、环保等领域的大规模开发及应用提供一定的理论基础和实验参考。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种在泡沫炭材料表面原位合成Si₃N₄涂层的方法。

本发明采用正硅酸乙酯为主要原料，经过酸性条件的水解和常温静置陈化获得粘度均匀的溶胶溶液；接着将常压物理发泡所得的酚醛泡沫浸入上述溶胶溶液，超声波震荡条件下对酚醛泡沫基体包覆涂层；最后将充分干燥的涂层试样置于气氛热压炉中，氮气气氛中1400℃下保温4h反应烧成。

本发明一种在泡沫炭材料表面原位合成Si₃N₄涂层的方法，其优点在于工艺简单，易于操作，成本低，涂层致密度高，抗氧化效果好。

具体制备工艺步骤及原理如下：

(1)称取适量热固性酚醛树脂，强磁力搅拌条件下依次加入碳酸氢钠、吐温80、 对甲苯磺酸，三者添加比例分别为酚醛树脂质量的5wt％、6wt％和20wt％，强磁力搅拌混合几分钟，将混合物置于烘箱中80℃左右下烘干数分钟，发泡固化，得到酚醛泡沫基体。

(2)分别量取适量体积比的正硅酸乙酯和无水乙醇，在室温下强磁力搅拌混合。向该混合物中加入适量体积的去离子水，并用10％硝酸调整混合液的pH值，强磁力搅拌一定时间。最后，向上述混合物加入一定体积的蔗糖溶液，强磁力搅拌数小时，在室温下静置陈化数天，得到所需溶胶溶液。

(3)将步骤(1)的酚醛泡沫基体超声清洗，烘干后，浸入步骤(2)的溶胶溶液中，在超声波震荡条件下浸渍一定时间表面获得涂层。每次涂层充分干燥后，进行下一次的浸渍涂层，反复浸渍数次，得到溶胶涂层试样。

(4)将步骤(3)的溶胶涂层试样置于气氛热压炉中，一定温度下，氮气气氛中，保温数小时反应，得到泡沫炭表面原位合成Si₃N₄涂层试样。为减少溶胶涂层与酚醛泡沫基体热膨胀系数差异引起的剥落、微裂纹等缺陷的产生，升温机制为：首先以10℃/min的速率升温到300℃，接着以5℃/min的速率升温到500℃，最后以2℃/min的速率升温至1400℃，保温4h，自然冷却至室温，制得抗氧化涂层泡沫炭试样。

附图说明

图1本发明的泡沫炭材料表面原位合成Si₃N₄涂层的工艺流程图；

图2实施例一所得Si₃N₄涂层XRD图谱；

图3实施例一所得Si₃N₄涂层SEM照片；

图4实施例一所得Si₃N₄涂层横断面SEM照片；

具体实施方式

实施例一：