[发明专利]一种碳/碳复合材料表面1500~1700℃抗氧化涂层及制备方法

说明书

本发明涉及一种碳/碳复合材料表面1500～1700℃抗氧化涂层及制备方法，采用原位反应法制备梯度硼化铪改性碳化硅外涂层，由内到外硼化铪含量依次增加，该方法一方面解决了涂层与涂层之间的热膨胀系数失配的问题，提高了涂层间的结合和熔渗，降低了涂层热膨胀系数过高在氧化过程中的剥落问题；另一方面通过原位反应法制备出的梯度硼化铪改性碳化硅外涂层大大提高了HfB₂在涂层中的含量，有效地提高了硅基陶瓷涂层的抗氧化性能。相比于其他制备抗氧化涂层的方法，如料浆法、等离子喷涂法等，该制备方法操作简单，节省成本，而且制备的涂层与基体具有良好的结合力。

技术领域

本发明属于碳/碳复合材料表面涂层及制备方法，涉及一种碳/碳复合材料表面1500～1700℃抗氧化涂层及制备方法。

背景技术

C/C复合材料具有热膨胀系数小、高比模、高比强、耐高温、耐热冲击、易加工制造等优异性能。然而这些优异的性能只能在惰性气氛中取得，其在有氧环境下，当温度超过370℃后，C/C复合材料就可开始发生氧化，并且氧化速率随着温度的升高迅速增大，若无抗氧化措施，在高温氧化环境中长时间使用C/C复合材料必将引起灾难性后果。要使C/C复合材料能在高温氧化气氛下长期、可靠地工作，并能承受高温的热冲击，必须依靠涂层技术来抗氧化。硅基陶瓷涂层由于与C/C复合材料之间存在较好的物理化学相容性，高温氧化反应可生成连续、均匀、致密的SiO₂保护薄膜，因此被认为是最理想的内层(过渡层)材料。然而硅酸盐玻璃层在1500℃以上的超高温下容易挥发，且SiC在1500℃以上容易发生主动氧化生成SiO气体，会形成一些孔洞和气泡，从而会导致涂层的失效。因此，必须在SiC涂层C/C复合材料表面引入外涂层，以提高涂层在高温下的抗氧化性能。基于上述问题，为了提高涂层的氧化抗性，多相复合涂层引起了研究人员的关注。其中引入外涂层的方法有很多种，如CVD法、料浆法、等离子体喷涂法等，但是这些方法都存在涂层结合力不高、致密度不够、强度较低等弊端。

文献1“A MoSi₂-SiOC-Si₃N₄/SiC anti-oxidation coating for C/C compositesprepared at relatively low temperature,Fangxu Niu,Yanxiang Wang,Imran Abbas,Shanlong Fu, Chengguo Wang.Ceramics International,2017,43:3238-3245.”公开了一种采用料浆法制备MoSi₂-SiOC-Si₃N₄抗氧化外涂层的方法。该方法首先在C/C复合材料表面采用包埋法制备多孔的SiC内涂层；其次采用料浆法在SiC涂层C/C复合材料表面制备MoSi₂-SiOC-Si₃N₄抗氧化外涂层。该方法操作方便，工艺简单易控，可以人为控制涂层的结构和厚度，但该方法制备的涂层致密性不强，结合力较弱，在1500℃空气气氛下只保护C/C复合材料100小时。

文献2“High-temperature oxidation behavior of plasma-sprayed ZrO₂modified LaMo-Si composite coatings,Changcong Wang,Kezhi Li,Xiaohong Shi,Qinchuan He, Caixia Huo.MaterialsDesign,2017,128:20-33.”公开了一种采用等离子喷涂法制备 ZrO₂改性La-Mo-Si涂层的方法，该方法在SiC涂层C/C复合材料表面采用等离子喷涂法制备抗氧化涂层，在1500℃空气气氛下保护C/C复合材料140小时失重0.96％。该方法工艺简单易行，但制备的涂层结合力较弱，不利于涂层的氧化抗性，因此在 1500℃空气气氛下只能保护C/C复合材料较短时间。