[发明专利]石墨类材料及工件抗氧化处理技术和应用

说明书

本发明提供了一种在石墨基体材料及表面制备抗氧化硅基陶瓷涂层的方法，采用超真空浸渗及阶梯式裂解烧结技术，选用特殊的有机硅材料、无机纳米材料在石墨类材料及工件内部和表面形成硅基纳米陶瓷涂层，从而解决石墨材料及工件在高温条件下被氧化腐蚀问题，提高石墨类材料的高温环境下使用性能和工作寿命。该制备方法所得抗氧化硅基陶瓷涂层的致密性和均匀性好，具有抗热冲击性和良好的高温抗氧化性能；通过调整有机硅材料分子结构组成，渗透镀膜技术工艺参数、真空热处理温度及时间，可以方便控制抗氧化硅基陶瓷涂层表面平整度和厚度；且该制备工艺可实现规模化制备石墨基硅基陶瓷抗氧化涂层，工艺过程相对简单，成本低、重复性好，可以广泛应用于各种石墨材料及工件抗氧化保护领域。

技术领域

本发明涉及一种在石墨材料表面制备抗氧化硅基陶瓷涂层的方法，属于石墨材料保护领域。

背景技术

石墨材料具有优良的导电、耐高温、导热及自润滑性能，具有较小的热膨胀系数，抗热冲击性能优良，且石墨材料易于机械加工。因此，在机械、电子、半导体、冶金、生物工程等领域获得广泛应用，已成为一种不可缺少的特殊工程材料；然而石墨材料的高温抗氧化能力差，在高温、氧化环境下会发生氧化腐蚀，进而造成构件逐步损坏，在一定程度上限制了石墨材料应用领域的扩大。石墨材料的氧化防护是延长其工作寿命，提高其工作稳定性和可靠性的根本措施，提高石墨材料的抗氧化性能，在石墨材料表面制备抗氧化涂层是解决其高温氧化防护的一种主要方法。在各类抗氧化涂层物质中，硅基陶瓷如SiC、SiCN、SiOC与石墨材料的热膨胀系数比较接近，并且氧化后生成的SiO2对氧的扩散速率小，是较好的耐高温薄膜涂层材料。在石墨材料表面制备Sic抗氧化涂层的方法通常有包埋固渗法、涂刷法、离子喷涂法及CVD法等。

传统的制备方法通常是采用化学气相沉积(CVD)或原位反应的方法在石墨表面直接沉积一层SiC掺杂层，其中CVD技术工艺复杂，不好实现整体涂覆，难以实现均匀性涂覆；而且，CVD制备的SiC掺杂层和石墨存在膨胀系数不匹配的问题，涂层可能开裂，导致涂层抗氧化性能、抗热震性能不好。原位反应技术中，主要为液相渗硅和气相渗硅，但均有缺点。液相渗硅技术中，因为石墨被熔融硅润湿时润湿角为零，所以熔融硅与石墨基体接触时能迅速沿着微孔渗入基体的内部，并与基体中的C反应生成SiC，SiC从熔融硅中析出后在固、液相界面生成碳化硅层，形成的碳化硅层致密度高，空隙率低。但同时包覆在石墨基体表面的碳化硅层阻碍熔融硅与石墨基体反应，而未反应的熔融硅在温度降到熔点以下时容易在碳化硅涂层表面发生硅晶粒的形核长大，在SiC表面残留大量的未反应的固态硅，这些残留硅与SiC层结合紧密，加大了渗硅后的加工难度，而且硅的耐腐蚀性比碳化硅差，残余硅的存在会减弱渗硅后石墨材料的耐腐蚀性能。气相渗硅技术中，气相硅进入石墨基体内部与碳原位反应生成碳化硅，但是生成的碳化硅层开口孔隙率较高，致密度较低，而且也存在表面残余硅较多的问题