[发明专利]一种碳纤维表面ZrB2-SiBNC复合涂层的制备方法

说明书

本发明公开了一种碳纤维表面ZrB₂‑SiBNC复合涂层的制备方法，所述方法为低温先驱体溶液浸渍裂解法，其特征在于，依次包括：涂层液的制备，碳纤维表面活化处理、涂覆、干燥及热处理；即得耐高温抗氧化的ZrB₂‑SiBNC碳纤维涂层。本发明工艺简单，设备和操作环境要求简单，无需专门设备，可实施性强，原材料价格便宜，且易于获取，容易实现，节能环保，可在碳纤维表面制得均匀致密且附着力好、厚度在2μm之内的耐高温抗氧化涂层，不仅保留了碳纤维原有的力学性能，提高了碳纤维的高温抗氧化性能，还改善了纤维和基体的界面问题。

技术领域

本发明属于无机非金属材料技术领域，具体涉及一种碳纤维表面ZrB₂-SiBNC复合涂层的制备方法。

背景技术

碳纤维具有高模量、高强度、低密度、低热膨胀、耐高温、抗氧化、无蠕变，高导热、耐腐蚀等优异的性能，可以作为复合材料的增强体，使得碳纤维在陶瓷、树脂、金属、碳等材料为基体的复合材料中得到广泛应用。但是碳纤维在400℃以上的空气中就已经氧化，抗氧化性能较差，导致材料的性能下降，而且不经过表面处理的碳纤维表面活性较低，与某些基体的浸润性不好，结合能力较差，也会导致复合材料的性能降低。不仅如此，在制备复合材料高温裂解温度下，碳纤维很容易与某些基体发生反应，从而损伤纤维，严重降低了复合材料的性能。

对碳纤维进行表面涂层可以有效的解决上述问题。涂层不仅能提高碳纤维的抗氧化性能，而且它作为碳纤维和基体之间的阻挡层，可以防止碳纤维和基体发生界面反应，能够改善复合材料中纤维与基体的界面相容性问题。硼化锆(ZrB₂)具有高熔点、高硬度、高温稳定性、抗氧化性并与碳纤维具有良好的化学相容性，能较好的满足超高温环境下的使用要求，这些优点使其成为一种极具发展潜力的耐高温抗氧化涂层。SiBNC具有良好的高温稳定性、抗氧化性并与碳纤维具有良好的化学相容性，在惰性气体保护下低于1700℃时无热失重和分相，2000℃时才有结晶转变为SiC和Si₃N₄及少量的非晶BN，而且在1700℃下空气中的抗氧化性能远好于SiC和Si₃N₄，这些优点也使其成为一种极具发展潜力的耐高温抗氧化涂层。2014年，中国发明专利CN 103757603A公开了一种二硼化锆涂层的制备方法，它是以ZrCl₄、BCl₃和H₂作为源气体、Ar气或N₂作为载气和保护性气体，采用化学气相沉积法制备二硼化锆涂层，制备工艺复杂，条件苛刻，温度高，能耗大，需要专门设备，且不适于多维纤维表面的均匀涂层。2015年，中国发明专利CN 105331921A公开了一种喷涂粉体、热喷涂原位合成硼化锆-碳化锆基陶瓷涂层及其制备方法，它是以括铝粉、氢化锆粉和碳化硼粉为原料按照一定的配比，采用在热喷涂原位反应合成硼化锆复合涂层，硼化锆复合涂层的制备方法，主要涉及硼化物对金属、陶瓷等基底材料的镀覆，不适于在纤维表面制备致密的界面相涂层。2015年，中国发明专利CN 104609892A公开了外表沉积SiBNC涂层的莫来石纤维及其制备方法，它是以硼吖嗪(BZ)和液态聚碳硅烷(LPCS)为原料通过化学气相沉积工艺制备得到。CVD工艺制备SiBNC，需要寻找合适的SiBNC先驱体，条件苛刻，需要专门设备、成本昂贵、操作复杂，很难实现工业化生产，且该方法的反应物多为有毒气体，在高温高压的环境下实验大大地增加了危险性。本发明是以聚乙烯醇、硼酸、无机锆盐、SiBNC纳米陶瓷粉末为原料，采用的低温先驱体溶液浸渍裂解法适用于多种形态的碳纤维表面涂层，该制备方法不仅在碳纤维表面制备出了均匀连续致密的ZrB₂-SiBNC涂层，而且整个涂覆液制备过程，工艺简单，无需专门设备，节约能源，原材料价格便宜，无毒无污染，且易于获取，容易实现，经过较低的热处理温度后形成的涂层，不仅改善了纤维的抗氧化性能以及纤维和基体的界面问题，还克服了上述缺陷。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供了一种碳纤维表面耐高温抗氧化ZrB₂-SiBNC复合涂层的制备方法。