[发明专利]一种基体-涂层改性炭/炭复合材料及其制备工艺

说明书

本发明公开了一种基体‑涂层改性炭/炭复合材料及其制备工艺，基体‑涂层改性炭/炭复合材料包括C/C‑SiC‑ZrC基体及其表面钨涂层，C/C‑SiC‑ZrC基体材料包括炭纤维层、热解炭层、SiC过渡涂层及ZrC层；基体改性后C/C‑SiC‑ZrC基材料表面为钨涂层。基体‑涂层改性炭/炭复合材料制备工艺包括以下工艺步骤：基体表面处理；Zr‑Si粉末混合熔渗粉料的制备；喷涂钨涂层的喷涂粉料的筛选；等离子喷涂W涂层和反应熔渗方法制备Zr‑Si改性C/C复合材料；基体材料应力缓解；抗烧蚀性能测试。本发明使复合材料在3000℃左右氧乙炔焰抗烧蚀时间从10s提高到150s且材料整体结构不发生破坏。

技术领域

本发明涉及材料领域，特别指一种基体-涂层改性炭/炭复合材料及其制备工艺。

背景技术

炭/炭复合材料以其低密度、高比强度、耐烧蚀和耐热冲击等优异性能已成为冲压发动机喷管喉衬的首选材料之一。但炭/炭复合材料在空气中400℃以上开始氧化，氧化过程伴随着气体介质中的氧的流动，并且在杂质微粒的催化作用下，从材料边界通过材料内部孔隙扩散至内部，导致强度和其他机械性能的迅速衰减，并且氧化失重1％，其力学性能下降达10％，因此纯炭/炭复合材料难以长时间在非真空环境中承受高温、高速粒子流的冲刷。炭/炭复合材料表面涂覆涂层是提高其耐烧蚀性的有效途径。当前制备钨涂层的方法主要有等离子喷涂法和化学气相沉积法，表面涂层在2800℃左右30s范围内基本保证不脱落和不出现烧蚀坑，目前炭/炭复合材料在2900℃左右氧乙炔焰烧蚀时间在10s左右；因此，对于更长时间处于2800℃和以上温度的耐烧蚀性仍悬而未决。

文献1：“Wen B,Ma Z,Liu Y,et al.Supersonic flame ablation resistance ofW/ZrC coating deposited on C/SiC composites by atmosphere plasma spraying[J].Ceramics International,2014,40(8):11825-11830.”介绍了ZrC-W的两项涂层的制备方式，且W涂层最为ZrC与基体层之间的中间层，其涂层的烧蚀率为29.5×10^-3g/s，线烧蚀率5.33×10^-3mm/s，但本种方法制备涂层中间过度层为W，由于在含氧条件下烧蚀过程中生成氧化钨等氧化产物，会形成钨涂层中间的体积膨胀，由于体积膨胀的过程会使得涂层与基体之间的结合发生破坏，影响涂层的抗烧蚀性能。

文献2：“Shi X H,Huo J H,Zhu J L,et al.Ablation resistance of SiC–ZrCcoating prepared by a simple two-step method on carbon fiber reinforcedcomposites[J].Corrosion Science,2014,88(6):49-55.”介绍了C/C-SiC-ZrC两相涂层的制备方法，通过浆料浸渍等方式制备制备SiC-ZrC抗烧蚀涂层，且涂层可以抵御30s的烧蚀试验。本文献采用单一的PIP法将ZrC和SiC均匀的分散在分散剂中，在材料表面进行涂覆，但是本种方法制备的抗烧蚀涂层在电镜下面的组织不均匀，且距离实际应用还有较大的差距，测试显示只能抵御30s的烧蚀试验，材料及会发生破坏，所以此种方法制备的涂层对材料的抗烧蚀性提升有限，且涂层与基体的结合为机械结合，涂层强度不能保证。烧蚀过程中容易发生钨涂层因烧蚀氧化而发生体积膨胀，使得涂层失效。

文献3：“成来飞,张立同,徐永东,等.液相法制备碳碳复合材料Si-W涂层表面氧化层的结构[J].硅酸盐学报,1997(5):537-541.”介绍了在密度为1.7g/cm³的炭/炭复合材料上通过提前的Si粉包埋的方式制备了一种具有SiC过渡层的上喷涂钨的钨涂层，由于其制备方式过于复杂，且不适合对材料内部进行保护，且中间有玻璃相生成对样品高温处理的时候的状态对材料的内部向内进行流动。且对材料的内部保护不够，高温时期的玻璃相对材料纤维有一定程度的损害。