[发明专利]一种碳/碳复合材料外涂层的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于C/C复合材料技术领域，涉及一种C/C复合材料高温外涂层的制备方法，具体涉及一种红外-磁控-脉冲电弧放电沉积制备表面均匀无微裂纹产生的ZrSiO₄-B₂O₃复合外涂层的方法。

背景技术

碳/碳(C/C)复合材料具有热膨胀系数低、密度低、耐高温、耐烧蚀、高强度、高模量等优异性能，特别是在惰性气氛的2200℃以内条件下其强度和模量随温度升高而增加的优异性能，使其在航空航天领域具有广阔的应用前景。然而，C/C复合材料在超过370℃的有氧环境就会被氧化，氧化质量损失导致其强度下降，限制了其实际应用。因此，解决C/C复合材料高温防氧化问题是充分利用其性能的关键。

提高C/C复合材料抗氧化性能主要有两种途径：一种是基体改性技术；一种是表面涂层技术。研究表明，基体改性技术只适用于低温段对C/C材料的氧化保护。而涂层技术则能够解决C/C材料的高温氧化问题。

目前研究较多的C/C复合材料高温抗氧化涂层有SiC[Y.L.Zhang,H.J.Li,Q.G.Fu.AC/SiC gradient oxidation protective coating for carbon/carbon composites.Surf.Coaf.Techol.,2006,201:3491-3495.]、Si-MoSi₂[Yu-Lei Zhang,He-Jun Li,Xi-Yuan Yao.Oxidation protection of C/SiC coated carbon/carbon composites with Si-Mo coating at high temperature,Corros.Sci.,2011,53:2075-2079.]、Mo-Si-N[Z.H.Lai,J.C.Zhu,J.H.Jeon.Phase constitutions of Mo-Si-N anti-oxidation multi-layer coatings on C/C composites by fused slurry.Mater.Sci.Eng.A,2009,499:267-270.]和Si-Mo-SiO₂[Z.Q.Yan,X.Xiong,P.Xiao,et al.Si-Mo-SiO₂oxidation protective coatings prepared by slurry painting for C/C-SiC composites.Surf.Coaf.Techol.,2008,202:4734-4740.]等，黄剑锋等还研究了以SiC为过渡层的其它复合涂层，如SiC/MoSi₂-CrSi₂-Si[Li-He-Jun,Feng Tao,Fu Qian-Gang.Oxidation and erosion resistance of MoSi₂-CrSi₂-Si/SiC coated C/C composites in static and aerodynamic oxidation environment,Carbon,2012,48:1636-1642.]等。然而，上述涂层还达不到1600-2500℃高速离子流冲刷条件下的实际应用要求，针对碳/碳复合材料的高温抗氧化陶瓷涂层在高速燃气冲刷环境下易脱落及氧化保护时间短的难题，为了解决SiC和MoSi₂内外涂层间由于膨胀系数差异造成的缺陷问题，借鉴晶须增韧陶瓷的思想[XW Yin,LF Cheng,LT Zhang,et al.Microstructure and oxidation resistance of Carbon/silicon carbide composites infiltrated with chromium silicide[J].Materials Science and Engineering A,2000,290:89-94.]，利用莫来石较低的膨胀系数和与SiC良好的物理化学相容性通过在涂层中引入莫来石晶须，能增强内外涂层、基体与内涂层间的结合力，有效减小C-AlPO₄-MoSi₂外涂层与SiC内涂层间因热膨胀系数失配及组织结构突变而引起的应力，在一定程度上降低涂层开裂与剥落的趋势[曾燮榕，李贺军，杨峥，等.表面硅化对C/C复合材料组织结构的影响[J].金属热处理学报,2000,21(2)：64-67.]。