[发明专利]在碳/碳复合材料表面制备SiO2

说明书

本发明涉及一种在碳/碳复合材料表面制备SiO₂‑SiC镶嵌结构微孔抗氧化涂层的方法，用于缓解陶瓷涂层因热失配引起的易开裂问题，提高碳/碳复合材料的抗氧化性能。本发明的技术方案是通过包埋法在碳/碳复合材料表面制备致密的SiC‑Si内涂层，然后用料浆法和热处理制备多孔的SiC‑Si外涂层，最后经过高温预氧化，氧气在多孔的外涂层快速扩散，氧化SiC颗粒，形成了SiO₂‑SiC镶嵌结构微孔抗氧化涂层，该结构的具有很好的阻氧扩散能力，微孔的存在也会对氧化过程中产生的裂纹扩展具有阻碍作用，该涂层在1500℃空气环境下表现出良好的抗热震性能。

技术领域

本发明属于碳/碳复合材料抗氧化涂层领域，涉及一种在碳/碳复合材料表面制备SiO₂-SiC镶嵌结构微孔抗氧化涂层的方法。

背景技术

碳/碳复合材料具有低密度、高比强、耐冲击和摩擦等优良性能，特别是高温力学性能高于室温力学性能，使其作为超高温热结构材料在航空航天等领域具有极大的应用前景。然而碳/碳复合材料在高温有氧环境下易发生氧化，造成碳基体和碳纤维损伤，从而引起碳/碳复合材料的力学性能大幅下降。为保护碳/碳复合材料不被氧化，在其表面制备抗氧化涂层是一种行之有效的手段。SiC陶瓷涂层在高温氧化时会生成粘度较低且具有低氧扩散系数的SiO₂玻璃，其不但可有效阻止氧气向碳/碳复合材料基体的扩散，还能愈合涂层中的裂纹和孔洞等缺陷，是目前最常用的一种抗氧化涂层。

文献1“Xin Yang,Qi-zhong Huang,Zhe-an Su,Li-yuan Chai,Xiu-fei Wang,Le-ping Zhou.A double layer nanostructure SiC coating for anti-oxidationprotection of carbon/carbon composites prepared by chemical vapor reactionand chemical vapor deposition[J].Ceramics International,39(2013):5053-5062.”用液相熔渗和气相沉积的方法制备的双层碳化硅涂层，在抗氧化过程中，涂层表面的无定形二氧化硅膜发生晶化，生成了方石英，该晶相的CTE比无定形二氧化硅大，在二氧化硅膜上产生了宽度为 16.08um的裂纹，进而导致SiC涂层的失效。文献2“Yan-hui Chu,He-junLi,Qiang-ang Fu,Le-hua Qi，Xu Zou.Toughening by SiC Nanowires in a Dense SiC-Si Ceramic Coating for Oxidation Protection of C/C Composites[J].Journal ofthe American Ceramic Society, 95(2012)3691-3697.”公布了一种碳/碳复合材料表面SiC纳米线增韧SiC陶瓷涂层的制备方法，该方法通过在SiC涂层中引入SiC纳米线在一定程度抑制了SiC涂层的开裂，但没有缓解SiC和表面SiO₂玻璃因晶化和热失配导致的氧化膜开裂的问题，最终抗氧化性能不佳。因此，如何有效解决SiO₂玻璃层的晶化脆性开裂问题，是提高SiC 涂层抗氧化性能的关键前提。文献3“S.Q.Ding,S.M.Zhu,Y.P.Zeng,D.L.Jiang,Fabrication of mullite-bonded porous silicon carbide ceramics by in situreaction bonding,J. Eur.Ceram.Soc.27(4)(2007)2095-2102.”提出多孔碳化硅陶瓷因具有较高的比表面积，利用原位氧化反应，在碳化硅颗粒间生成二氧化硅。相比于碳化硅表面的层状二氧化硅玻璃，镶嵌在碳化硅颗粒间的二氧化硅不易开裂。文献4“M.Chen,H.J.Wang,H. Y.Jin，X.D.Pan,Z.H.Jin,Transient thermal shock behavior simulationof porous silicon nitride ceramics,Ceram.Int.42(2)(2016)3130-3137.”认为当裂纹扩展到微孔处时，裂纹尖端会释放应力，不会继续扩展，所以微孔具有阻碍裂纹扩展的作用。针对SiO₂玻璃层在高低温交变服役过程中极易发生晶化并脆性开裂和SiC陶瓷涂层易形成贯穿性裂纹的问题，在设计碳碳复合材料的抗氧化陶瓷涂层时，可考虑将SiO₂玻璃镶嵌于涂层中使其难以开裂，也要考虑构造出适量的微孔来阻碍裂纹扩展。