專利名稱：一種碳/碳材料硅酸鋯—磷酸鋁復(fù)合抗氧化外涂層的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于C/C復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種微波水熱電弧放電沉積法碳/ 碳材料硅酸鋯-磷酸鋁復(fù)合抗氧化外涂層的方法。
背景技術(shù)：
碳/碳(C/C)復(fù)合材料是可用于高溫環(huán)境下的先進(jìn)材料復(fù)合材料之一。由于碳/ 碳復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)低、密度低、耐燒蝕、耐腐蝕、摩擦系數(shù)穩(wěn)定、導(dǎo)熱導(dǎo)電性能好和高強(qiáng)度、高模量等特點，特別是隨溫度升高力學(xué)性能不降反升的特性，因此其被應(yīng)用于航空、航天及民用工業(yè)領(lǐng)域。然而，它的許多上述性質(zhì)只有在惰性氣氛下或者是低于450°C的條件下才能保持，氧化失重將使得碳/碳復(fù)合材料的力學(xué)性能明顯下降，從而限制了其作為高溫耐火材料在氧化氣氛下的廣泛應(yīng)用。因此，解決碳/碳復(fù)合材料高溫氧化防護(hù)問題是充分利用其性能的前提。目前，C/C復(fù)合材料的抗氧化措施主要有兩類(1)內(nèi)部保護(hù)，在C/C復(fù)合材料成型之前就對碳纖維和談基體進(jìn)行改性處理，是他本身具有較強(qiáng)的抗氧化能力，以及添加各種抗氧化劑來提高C/C復(fù)合材料的高溫抗氧化性能。( 外部涂層，通過在材料表面制備各類抗氧化功能梯度涂層防止氣體接觸擴(kuò)散來提高C/C復(fù)合材料的高溫抗氧化性能。到目前為止外涂層的制備方法多種多樣，主要有以下幾種溶膠-凝膠法，包埋法，化學(xué)氣相沉積，原位成型，熔漿涂覆反應(yīng)，水熱電泳沉積法等。采用溶膠-凝膠法制備的外涂層表面容易開裂并且涂層厚度不足的缺點[Huang Jian-Feng, Zeng Xie-Rong, Li He-Jun, Xiong Xin-Bo, Sun Guo-ling. Surf. coat. Technol. 2005，190，255.]，采用包埋法制備的碳化硅涂層有于表面存在較大的應(yīng)力，所以也容易出現(xiàn)便面開裂的現(xiàn)象Bulei ZHANG, Hejun Li, Qiangang FU, Kezhi Li, Dangshe HOU. J. Mater. Sci. Technol. 2008,24, 942.]，而原位成型法制備的涂層需要在1500°C下高溫處理，且不能一次制備完成[Huang Jian-Feng, LiHe-Jun,Zeng Xie-Rong, Li Ke-Zhi.Surf. coat. Technol. 2006，200，5379.]， 采用熔漿涂覆反應(yīng)法制備涂層仍然存要多次涂刷不能一次制備完成，需要后期熱處理的弊端[Fu Qian-Gang, Li He-Jun, Wang Yong-Jie, Li Ke-Zhi, Tao Jun. Surface&Coating Technology. 2010，204，1832.]，同樣采用水熱電泳沉積法制備的涂層由于使用傳統(tǒng)加熱方式，制備周期較長[楊文冬，黃劍鋒，曹麗云，夏長奎.硅酸鹽學(xué)報.2009，37，1319.]。硅酸鋯QrSiO4)具有很低的滲氧率，能在1500°C高溫環(huán)境下穩(wěn)定存在，且不發(fā)生相變，因此選用硅酸鋯做為外涂層材料，具有成本低，效果好的特點；磷酸鋁是一種新型的無機(jī)黏結(jié)劑，具有無味、無毒以及良好的高溫性能等優(yōu)點，磷酸鋁涂層具有較強(qiáng)的粘結(jié)能力，固化后生成的產(chǎn)物與涂層粉料及基體有著良好的相容性，因此將硅酸鋯與磷酸鋁混合構(gòu)成復(fù)合涂層，該涂層具備優(yōu)良的抗氧化性能
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供了一種不僅制備成本低，而且操作簡單、制備周期短不需要后期熱處理的碳/碳材料硅酸鋯-磷酸鋁復(fù)合抗氧化外涂層的制備方法。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是1)取市售純度均大于99.7%的&^04、六讓04、5丨02粉體，按&5士04 AlPO4 SiO2 =1-5 5-9 1-3的質(zhì)量比混合均勻，用濕法球磨M小時后在80°C恒溫烘干得粉料A ；2)取10_20g粉料A放入錐形瓶中，再將150_350ml異丙醇倒入錐形瓶中磁力攪拌得溶液B;3)向溶液B中加入0. 5-2. 5g市售純度大于99. 8%的單質(zhì)碘，用超聲波發(fā)生器震蕩10-40min，取出后在磁力攪拌器上攪拌6_Mh，得溶液C ；4)將溶液C倒入反應(yīng)釜中，填充度控制在20% -50%，然后將帶有SiC內(nèi)涂層的 C/C復(fù)合材料試樣夾在水熱釜內(nèi)的陰極上，將水熱釜密封并放入微波發(fā)生器中，再將水熱釜的陰陽兩極接到恒流電源相應(yīng)的兩極上，在電流為2-9A，溫度為200-400°C下電弧放電 2-8min，待反應(yīng)結(jié)束后自然冷卻到室溫；5)打開水熱釜，取出試樣，然后將試樣置于40-80°C的恒溫干燥箱中干燥得碳/碳材料硅酸鋯-磷酸鋁復(fù)合抗氧化外涂層。本發(fā)明采用微波水熱電泳沉積法碳/碳材料硅酸鋯-磷酸鋁復(fù)合抗氧化外涂層， 由于反應(yīng)在水熱釜中一次完成，不需要后期熱處理，反應(yīng)周期短，成本低，且工藝設(shè)備簡單， 所制備的涂層厚度均勻無貫穿裂紋和微孔，與SiC過渡層有較強(qiáng)的結(jié)合力。所制備的復(fù)合涂層可在1500°c靜態(tài)空氣保護(hù)C/C復(fù)合材料500小時，氧化失重小于0. 8%。


圖1為本發(fā)明在水熱溫度200°C，電弧放電電流2A下制備的硅酸鋯-磷酸鋁復(fù)合抗氧化外涂層的斷面掃面電鏡(SEM)照片。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。實施例1 1)取市售純度均大于99.7%的&^04、六讓04、5丨02粉體，按&5士04 AlPO4 SiO2 =1:9: 1的質(zhì)量比混合均勻，用濕法球磨M小時后在80°C恒溫烘干得粉料A ；2)取IOg粉料A放入錐形瓶中，再將150ml異丙醇倒入錐形瓶中磁力攪拌得溶液 B ；3)向溶液B中加入0. 5g市售純度大于99. 8%的單質(zhì)碘，用超聲波發(fā)生器震蕩 lOmin，取出后在磁力攪拌器上攪拌他，得溶液C ；4)將溶液C倒入反應(yīng)釜中，填充度控制在50%，然后將帶有SiC內(nèi)涂層的C/C復(fù)合材料試樣夾在水熱釜內(nèi)的陰極上，將水熱釜密封并放入微波發(fā)生器中，再將水熱釜的陰陽兩極接到恒流電源相應(yīng)的兩極上，在電流為2A，溫度為200°C下電弧放電8min，待反應(yīng)結(jié)束后自然冷卻到室溫；5)打開水熱釜，取出試樣，然后將試樣置于40°C的恒溫干燥箱中干燥得碳/碳材料硅酸鋯-磷酸鋁復(fù)合抗氧化外涂層。
實施例2 1)取市售純度均大于99.7%的&^04、六讓04、5丨02粉體，按&5士04 AlPO4 SiO2 =3:7: 2的質(zhì)量比混合均勻，用濕法球磨M小時后在80°C恒溫烘干得粉料A ；2)取15g粉料A放入錐形瓶中，再將250ml異丙醇倒入錐形瓶中磁力攪拌得溶液 B ；3)向溶液B中加入1. 75g市售純度大于99. 8 %的單質(zhì)碘，用超聲波發(fā)生器震蕩 25min，取出后在磁力攪拌器上攪拌12h，得溶液C ；4)將溶液C倒入反應(yīng)釜中，填充度控制在35%，然后將帶有SiC內(nèi)涂層的C/C復(fù)合材料試樣夾在水熱釜內(nèi)的陰極上，將水熱釜密封并放入微波發(fā)生器中，再將水熱釜的陰陽兩極接到恒流電源相應(yīng)的兩極上，在電流為6A，溫度為400°C下電弧放電2min，待反應(yīng)結(jié)束后自然冷卻到室溫；5)打開水熱釜，取出試樣，然后將試樣置于60°C的恒溫干燥箱中干燥得碳/碳材料硅酸鋯-磷酸鋁復(fù)合抗氧化外涂層。實施例3 1)取市售純度均大于99.7%的&^04、六讓04、5丨02粉體，按&5士04 AlPO4 SiO2 =5:5: 3的質(zhì)量比混合均勻，用濕法球磨M小時后在80°C恒溫烘干得粉料A ；2)取20g粉料A放入錐形瓶中，再將350ml異丙醇倒入錐形瓶中磁力攪拌得溶液 B ；3)向溶液B中加入2. 5g市售純度大于99. 8%的單質(zhì)碘，用超聲波發(fā)生器震蕩 40min，取出后在磁力攪拌器上攪拌Mh，得溶液C ；4)將溶液C倒入反應(yīng)釜中，填充度控制在20%，然后將帶有SiC內(nèi)涂層的C/C復(fù)合材料試樣夾在水熱釜內(nèi)的陰極上，將水熱釜密封并放入微波發(fā)生器中，再將水熱釜的陰陽兩極接到恒流電源相應(yīng)的兩極上，在電流為9A，溫度為300°C下電弧放電6min，待反應(yīng)結(jié)束后自然冷卻到室溫；5)打開水熱釜，取出試樣，然后將試樣置于80°C的恒溫干燥箱中干燥得碳/碳材料硅酸鋯-磷酸鋁復(fù)合抗氧化外涂層。由圖1可以看出所制備的負(fù)荷抗氧化外涂層致密且均勻，與SiC內(nèi)涂層結(jié)合緊密， 無開裂剝離現(xiàn)象。
權(quán)利要求
1. 一種碳/碳材料硅酸鋯-磷酸鋁復(fù)合抗氧化外涂層的制備方法，其特征在于1)取市售純度均大于99. 7%的 &Si04、AlP04、Si02 粉體，按^^士04 AlPO4 SiO2 = 1-5 5-9 1-3的質(zhì)量比混合均勻，用濕法球磨對小時后在80°C恒溫烘干得粉料A;2)取10-20g粉料A放入錐形瓶中，再將150-350ml異丙醇倒入錐形瓶中磁力攪拌得溶液B ；3)向溶液B中加入0.5-2. 5g市售純度大于99. 8%的單質(zhì)碘，用超聲波發(fā)生器震蕩 10-40min，取出后在磁力攪拌器上攪拌6_Mh，得溶液C ；4)將溶液C倒入反應(yīng)釜中，填充度控制在20%-50%,然后將帶有SiC內(nèi)涂層的C/C復(fù)合材料試樣夾在水熱釜內(nèi)的陰極上，將水熱釜密封并放入微波發(fā)生器中，再將水熱釜的陰陽兩極接到恒流電源相應(yīng)的兩極上，在電流為2-9A，溫度為200-400°C下電弧放電2-8min， 待反應(yīng)結(jié)束后自然冷卻到室溫；5)打開水熱釜，取出試樣，然后將試樣置于40-80°C的恒溫干燥箱中干燥得碳/碳材料硅酸鋯-磷酸鋁復(fù)合抗氧化外涂層。
全文摘要
一種碳/碳材料硅酸鋯-磷酸鋁復(fù)合抗氧化外涂層的制備方法，將ZrSiO4、AlPO4、SiO2粉體混合均勻得粉料A；將粉料A加入異丙醇中得溶液B；向溶液B中加入單質(zhì)碘，超聲震蕩、磁力攪拌得溶液C；將溶液C倒入反應(yīng)釜中，然后將帶有SiC內(nèi)涂層的C/C復(fù)合材料試樣夾在水熱釜內(nèi)的陰極上，將水熱釜密封并放入微波發(fā)生器中電弧放電反應(yīng)，待反應(yīng)結(jié)束后自然冷卻到室溫；取出試樣，然后將試樣置于恒溫干燥箱中干燥得碳/碳材料硅酸鋯-磷酸鋁復(fù)合抗氧化外涂層。本發(fā)明采用微波水熱電弧放電沉積法，反應(yīng)在水熱釜中一次完成，不需要后期熱處理，反應(yīng)周期短，成本低，所制備的涂層厚度均勻無貫穿裂紋和微孔，與SiC過渡層有較強(qiáng)的結(jié)合力。
文檔編號C04B41/87GK102392283SQ20111037580
公開日2012年3月28日 申請日期2011年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月23日
發(fā)明者劉佳, 曹麗云, 王敦強(qiáng), 辛宇, 黃劍鋒 申請人:陜西科技大學(xué)