一種硬質(zhì)碳纖維氈表面碳化硅涂層的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于隔熱材料【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種碳化硅涂層的制備方法。一種硬質(zhì)碳纖維氈表面碳化硅涂層的制備方法，該方法包括以下步驟：將硬質(zhì)碳纖維氈基體表面打磨拋光、超聲清洗后烘干；在處理后的基體表面均勻涂覆石墨乳，經(jīng)過烘干后置于真空碳管爐中，經(jīng)過碳化處理和石墨化處理后在該基體表面形成過渡石墨層；將石墨坩堝置于真空碳管爐中，在石墨坩堝中放入硅粉，將處理后基體置于石墨坩堝之上，加熱熔化硅粉，進行硅熱蒸發(fā)，在上述硬質(zhì)碳纖維氈基體表面生成碳化硅涂層，本發(fā)明制備的薄石墨層，提高了覆蓋基體表面涂層的強度，在此基礎(chǔ)上制備的SiC涂層，有效地提高了涂層與基體間的結(jié)合強度，同時也具有工藝簡單、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點。
【專利說明】一種硬質(zhì)碳纖維氈表面碳化硅涂層的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于隔熱材料【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種碳化硅涂層的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]硬質(zhì)碳纖維氈是可用于高溫環(huán)境下的先進熱結(jié)構(gòu)材料之一，具有低密度、高穩(wěn)定性、耐燒蝕、耐腐蝕以及優(yōu)異的高溫力學(xué)性能等特點，同時內(nèi)部存在大量的微孔，使其具有突出的高溫隔熱性能，因此被廣泛應(yīng)用于航天、航空以及高溫工業(yè)用爐的隔熱材料。然而，一些高溫工業(yè)設(shè)備(如金屬熱處理爐、單晶生長爐)多采用惰性氣體進行氣體冷卻，其中顆粒性物質(zhì)夾雜在氣體中形成高速粒子流，沖蝕爐襯材料的表面，使得爐襯材料因受到高速粒子流的侵蝕而產(chǎn)生大量磨損，導(dǎo)致其壽命嚴重縮短。
[0003]針對低密度硬質(zhì)碳纖維氈存在抗沖蝕性差的問題，為了提高其表面抗粒子沖蝕性能，最佳的選擇是在其表面制備抗固體粒子沖蝕保護涂層。作為抗固體粒子沖蝕性涂層的理想候選材料之一的SiC具有高熔點、高硬度、高熱穩(wěn)定性、耐磨削以及與硬質(zhì)碳纖維氈之間良好的物理化學(xué)相容性和近似的線膨脹系數(shù)等優(yōu)異性能，其被作為高溫防氧化涂層備受關(guān)注，但是SiC涂層除保護基體不被氧化之外，還能提高基體的抗沖蝕性，而且SiC涂層的抗固體粒子沖蝕性遠優(yōu)于其它碳基涂層和包覆層。
[0004]目前為止，SiC涂層制備方法主要有等離子噴涂、包埋滲透法、溶膠-凝膠法、漿料涂覆法、化學(xué)氣相沉積等。等離子噴涂法制備的涂層結(jié)構(gòu)均勻、可控，工藝重復(fù)性好，同時可制備結(jié)構(gòu)梯度和組成梯度的復(fù)合涂層，但高成本限制了其廣泛推廣使用。溶膠一凝膠法工藝簡單，反應(yīng)容易控制，成本低，但過程變量多難控制，涂層與基體結(jié)合力差，干燥后涂層易開裂。包埋滲透法和漿料涂覆法操作簡便、成本低，但厚度均勻性控制難度較大。化學(xué)氣相沉積制得的涂層與基體結(jié)合緊密，燒結(jié)質(zhì)量高，涂層致密，同時能滿足復(fù)雜尺寸的樣品制備涂層的要求，但是成本較高，而且該方法制備的硬質(zhì)碳纖維氈整體密度和熱導(dǎo)率較大，工藝復(fù)雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是克服以上現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種硬質(zhì)碳纖維氈表面碳化硅涂層的制備方法，首先在硬質(zhì)碳纖維氈上制備過渡石墨層，然后在此基礎(chǔ)上硅熱蒸發(fā)制備碳化硅涂層，有效地提高了涂層與基體間的結(jié)合強度，同時工藝簡單、生產(chǎn)成本低。
[0006]本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是:一種硬質(zhì)碳纖維氈表面碳化硅涂層的制備方法，包括以下步驟:
[0007](I)前處理:
[0008]將硬質(zhì)碳纖維氈基體表面打磨拋光、超聲清洗后烘干；
[0009](2)制備過渡石墨層:
[0010]在步驟(I)處理后的硬質(zhì)碳纖維氈基體表面均勻涂覆石墨乳，經(jīng)過烘干后置于真空碳管爐中，經(jīng)過碳化處理和石墨化處理后在硬質(zhì)碳纖維氈基體表面形成過渡石墨層；[0011](3)制備碳化硅涂層:
[0012]將石墨坩堝置于真空碳管爐中，在石墨坩堝中放入硅粉，將步驟(2)處理后硬質(zhì)碳纖維氈基體置于石墨坩堝之上，加熱熔化硅粉，進行硅熱蒸發(fā)，在上述硬質(zhì)碳纖維氈基體表面生成碳化硅涂層。
[0013]所述步驟(I)中打磨拋光用砂紙為200#-500#，超聲波清洗用無水乙醇進行，清洗時間為30-40分鐘。
[0014]所述步驟(2)中石墨乳的成分為石墨粉、分散劑和纖維素，其濃度為1.0-1.4g/
3
cm ο
[0015]所述步驟(2)烘干的過程包括:在室溫下自然干燥，然后置于干燥箱中在80-120°C下烘干8-12小時。
[0016]所述步驟(2)碳化處理的溫度為1100-1200°C，處理時間為1_3小時，真空度高于1.0XlO-1Pa0
[0017]所述步驟(2)石墨化處理的溫度為1800-2200°C，處理時間為1_3小時，真空度高于 1.0XlO-1Pa0
[0018]所述步驟(3)中硬質(zhì)碳纖維氈基體表面到硅粉上表面的距離為15_40mm。
[0019]所述步驟(3)中熱蒸發(fā)的溫度為1450_1550°C，保溫時間為2_6小時，真空度高于
1.0XlO-1Pa0
[0020]本發(fā)明方法的有益效果是:針對硬質(zhì)碳氈表面多孔的情況，本發(fā)明首先在硬質(zhì)碳纖維氈基體表面涂覆石墨乳，經(jīng)高溫處理后形成薄石墨層，有效密封了基體表面的大量微孔，有效地阻止反應(yīng)過程中硅蒸氣進一步擴散到基體內(nèi)部，只在表面形成SiC涂層，避免因產(chǎn)生大量的SiC而導(dǎo)致硬質(zhì)碳纖維氈內(nèi)部的結(jié)構(gòu)骨架改變。而石墨乳的主要成分是石墨，涂覆在基材表面后，室溫干燥后形成的固化層在高溫、高真空條件下性能穩(wěn)定，并有適當(dāng)粘附力，然后經(jīng)過后續(xù)的高溫處理可形成一種過渡石墨層，可作為硅熱蒸發(fā)法反應(yīng)生成SiC涂層的基體，同時由于過渡層中存在微裂紋，將緩解表面形成的碳化硅涂層的界面應(yīng)力，使蒸鍍生成的碳化硅涂層中的裂紋只能擴展到有限的距離，抑制表面形成碳化硅涂層中裂紋的進一步擴展，從而進一步提高了覆蓋基體表面涂層的強度。
[0021]采用硅蒸發(fā)法，利用碳與反應(yīng)氣氛中的硅蒸氣生成SiC涂層，這種原位反應(yīng)形成的涂層與基體結(jié)合牢固，降低了直接在硬質(zhì)碳纖維氈表面制備碳化硅涂層時因熱膨脹系數(shù)不同引起的熱失配程度，有效地提高了涂層與基體間的結(jié)合強度，同時也具有工藝簡單、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點。
【具體實施方式】
[0022]以下對本發(fā)明做進一步說明，但發(fā)明并不限于具體實施例。
[0023]實施例1
[0024]一種硬質(zhì)碳纖維氈表面碳化硅涂層的制備方法，包括以下步驟:
[0025](I)前處理:
[0026]將硬質(zhì)碳纖維氈基體表面打磨拋光，打磨拋光用砂紙為200#，在無水乙醇中進行超聲波清洗，清洗時間為30分鐘，超聲清洗后烘干；
[0027](2)制備過渡石墨層:[0028]在步驟(1)處理后的硬質(zhì)碳纖維氈基體表面均勻涂覆石墨乳，石墨乳呈乳狀狀態(tài)，濃度為1.0g/cm3,其主要成分為石墨粉、分散劑和纖維素，經(jīng)過在室溫下自然干燥，然后置于干燥箱中在80°C下烘干12小時。隨后置于真空碳管爐中，經(jīng)過碳化處理和石墨化處理后在硬質(zhì)碳纖維氈基體表面形成過渡石墨層。其中，碳化處理的溫度為1100°C，處理時間為3小時，真空度為1.0XKT1Pa ;石墨化處理的溫度為1800°C，處理時間為3小時，真空度為 1.0XlO-1Pa0
[0029](3)制備碳化硅涂層:
[0030]將石墨坩堝置于真空碳管爐中，在石墨坩堝中放入硅粉，將步驟(2)處理后的硬質(zhì)碳纖維氈基體置于石墨坩堝之上，并垂直于該基體上表面向下施加一定的壓力或?qū)⒒w暫時固定于石墨坩堝之上，防止抽真空和熱蒸發(fā)過程中該基體移動，熱蒸發(fā)位置發(fā)生改變，加熱熔化硅粉，進行硅熱蒸發(fā)，在上述硬質(zhì)碳纖維氈基體表面生成碳化硅涂層。其中，硬質(zhì)碳纖維氈基體表面到硅粉上表面的距離為15mm ;熱蒸發(fā)的溫度為1450°C，保溫時間為6小時，真空度為LOXlO^1Pa0
[0031]實施例2
[0032]一種硬質(zhì)碳纖維氈表面碳化硅涂層的制備方法，包括以下步驟:
[0033](I)前處理:
[0034]將硬質(zhì)碳纖維氈基體表面打磨拋光，打磨拋光用砂紙為500#，超聲波清洗用無水乙醇進行，清洗時間為40分鐘，超聲清洗后烘干；
[0035](2)制備過渡石墨層:
[0036]在步驟(1)處理后的硬質(zhì)碳纖維氈基體表面均勻涂覆石墨乳，石墨乳呈乳狀狀態(tài)，濃度為1.4g/cm3,其主要成分為石墨粉、分散劑和纖維素，經(jīng)過在室溫下自然干燥，然后置于干燥箱中在120°C下烘干8小時，隨后置于真空碳管爐中，經(jīng)過碳化處理和石墨化處理后在硬質(zhì)碳纖維氈基體表面形成過渡石墨層。其中，碳化處理的溫度為1200°C，處理時間為I小時，真空度為1.0X10_2Pa ;石墨化處理的溫度為2200°C，處理時間為I小時，真空度為 2.0XlO-2Pa0
[0037](3)制備碳化硅涂層:
[0038]將石墨坩堝置于真空碳管爐中，在石墨坩堝中放入硅粉，將步驟(2)處理后硬質(zhì)碳纖維氈基體置于石墨坩堝之上，并垂直于基體上表面向下施加一定的壓力或?qū)⒒w暫時固定于石墨坩堝之上，防止抽真空和熱蒸發(fā)過程中基體移動，熱蒸發(fā)位置發(fā)生改變，加熱熔化硅粉，進行硅熱蒸發(fā)，在上述硬質(zhì)碳纖維氈基體表面生成碳化硅涂層。其中，硬質(zhì)碳纖維氈基體表面到硅粉上表面的距離為40mm ;熱蒸發(fā)的溫度為1550°C，保溫時間為2小時，真空度為 1.0XlO-2Pa0
[0039]實施例3
[0040]一種硬質(zhì)碳纖維氈表面碳化硅涂層的制備方法，包括以下步驟:
[0041](I)前處理:
[0042]將硬質(zhì)碳纖維氈基體表面打磨拋光，打磨拋光用砂紙為300#，超聲波清洗用無水乙醇進行，清洗時間為35分鐘，超聲清洗后烘干；
[0043](2)制備過渡石墨層:
[0044]在步驟(1)處理后的硬質(zhì)碳纖維氈基體表面均勻涂覆石墨乳，石墨乳呈乳狀狀態(tài)，濃度為1.2g/cm3，其主要成分為石墨粉、分散劑和纖維素，經(jīng)過在室溫下自然干燥，然后置于干燥箱中在100°C下烘干10小時，隨后置于真空碳管爐中，經(jīng)過碳化處理和石墨化處理后在硬質(zhì)碳纖維氈基體表面形成過渡石墨層。其中，碳化處理的溫度為1150°C，處理時間為2小時，真空度為1.5X10_2Pa ;石墨化處理的溫度為2000°C，處理時間為2小時，真空度為 1.0XlO-3Pa0
[0045](3)制備碳化硅涂層:
[0046]將石墨坩堝置于真空碳管爐中，在石墨坩堝中放入硅粉，將步驟(2)處理后硬質(zhì)碳纖維氈基體置于石墨坩堝之上，并垂直于基體上表面向下施加一定的壓力或?qū)⒒w暫時固定于石墨坩堝之上，防止抽真空和熱蒸發(fā)過程中基體移動，熱蒸發(fā)位置發(fā)生改變。加熱熔化硅粉，進行硅熱蒸發(fā)，在上述硬質(zhì)碳纖維氈基體表面生成碳化硅涂層。其中，硬質(zhì)碳纖維氈基體表面到硅粉上表面的距離為25mm ;熱蒸發(fā)的溫度為1500°C，保溫時間為4小時，真空度為 4.0XlO-3Pa0
【權(quán)利要求】
1.一種硬質(zhì)碳纖維氈表面碳化硅涂層的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)前處理: 將硬質(zhì)碳纖維氈基體表面打磨拋光、超聲清洗后烘干； (2)制備過渡石墨層: 在步驟(I)處理后的硬質(zhì)碳纖維氈基體表面均勻涂覆石墨乳，經(jīng)過烘干后置于真空碳管爐中，經(jīng)過碳化處理和石墨化處理后在硬質(zhì)碳纖維氈基體表面形成過渡石墨層； (3)制備碳化娃涂層: 將石墨坩堝置于真空碳管爐中，在石墨坩堝中放入硅粉，將步驟(2)處理后硬質(zhì)碳纖維氈基體置于石墨坩堝之上，加熱熔化硅粉，進行硅熱蒸發(fā)，在上述硬質(zhì)碳纖維氈基體表面生成碳化硅涂層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硬質(zhì)碳纖維氈表面碳化硅涂層的制備方法，其特征在于，所述步驟(I)中打磨拋光用砂紙為200#-500#，超聲波清洗用無水乙醇進行，清洗時間為30-40分鐘。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硬質(zhì)碳纖維氈表面碳化硅涂層的制備方法，其特征在于，所述步驟(2)中石墨乳的成分為石墨粉、分散劑和纖維素，其濃度為1.0-1.4g/cm3。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硬質(zhì)碳纖維氈表面碳化硅涂層的制備方法，其特征在于，所述步驟⑵烘干的過程包括:在室溫下自然干燥，然后置于干燥箱中在80-120°C下烘干8-12小時。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硬質(zhì)碳纖維氈表面碳化硅涂層的制備方法，其特征在于，所述步驟(2)碳化處理的溫度為1100-1200°C，處理時間為1-3小時，真空度高于.1.0XlO-1Pa0
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硬質(zhì)碳纖維氈表面碳化硅涂層的制備方法，其特征在于，所述步驟(2)石墨化處理的溫度為1800-2200°C，處理時間為1_3小時，真空度高于.1.0XlO-1Pa0
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硬質(zhì)碳纖維氈表面碳化硅涂層的制備方法，其特征在于，所述步驟⑶中硬質(zhì)碳纖維氈基體表面到硅粉上表面的距離為15-40mm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硬質(zhì)碳纖維氈表面碳化硅涂層的制備方法，其特征在于，所述步驟(3)中熱蒸發(fā)的溫度為1450-1550°C，保溫時間為2-6小時，真空度高于.1.0XlO-1Pa0
【文檔編號】D06M101/40GK103993474SQ201410167212
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年4月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月23日
【發(fā)明者】譚毅, 施偉, 王兵, 李強, 李佳艷 申請人:大連理工高郵研究院有限公司