專利名稱：一種制備玻璃層/硅酸鋯梯度復(fù)合抗氧化涂層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種抗氧化涂層的制備方法，具體涉及一種制備玻璃層/硅酸鋯梯度復(fù)合抗氧化涂層的方法。
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問題是充分利用其性能的前提。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,Li He-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.]。電弧放電沉積法的特點首先是，在水熱超臨界環(huán)境下加快懸浮顆粒的沉積速率， 使得懸浮顆粒能迅速在基體表面反應(yīng)，同時由于陰陽兩極電弧放電，使沉積在基體表面的荷電顆粒產(chǎn)生燒結(jié)現(xiàn)象，從而獲得結(jié)構(gòu)致密的涂層。其次，沉積過程是非線性過程，可以復(fù)雜或多空試樣中形成均勻涂層，并可以控制涂層成分、厚度和孔隙率使得簡單高效制備功能梯度陶瓷涂層成為可能。硅酸鋯的理論分解溫度為1700°C，具有很低的滲氧率，能在1500°C高溫環(huán)境下長時間穩(wěn)定存在，且不發(fā)生相變，在電弧放電沉積硅酸鋯涂層的基礎(chǔ)上采用涂覆的方法涂刷一層玻璃粉涂層，玻璃粉在1500°C下熔融形成玻璃，均勻包覆在試樣表面。由于玻璃層和硅酸鋯均具有很低的滲氧率且玻璃具有一定流動性，可以自愈合，因此硅酸鋯和玻璃粉構(gòu)成梯度復(fù)合抗氧化涂層，可以起到更好的抗氧化效果
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、制備周期短且不需要后期熱處理的玻璃層/硅酸鋯梯度復(fù)合抗氧化涂層的制備方法。為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是1)取市售分析純的SiO2粉體、分析純B2O3粉體、分析純Al2O3粉體，分析純MgO粉體，按SiO2 B2O3 Al2O3 MgO = 5-9 2-6 1-5 1_3的質(zhì)量比將粉體混合均勻，用濕法球磨2-8小時后在60°C恒溫烘干得粉料A ；2)將粉料A放入坩堝中，將坩堝放入硅鉬棒電爐中，控制升溫速度為10-50°C / min，將爐溫從室溫升至1300-1600°C保溫l_5h，然后將坩堝取出，迅速放入冷水中急冷，將所得玻璃塊研磨成玻璃粉；3)取市售微米級分析純&Si04粉體l-8g放入錐形瓶中，再將100-250ml異丙醇倒入錐形瓶中磁力攪拌得溶液C ；4)向溶液C中加入0. 5-1. 5g市售純度大于99. 8 %的單質(zhì)碘，用超聲波發(fā)生器震蕩40-80min，取出后在磁力攪拌器上攪拌6_36h，得溶液D ；5)將溶液D倒入水熱電弧放電沉積裝置內(nèi)，該裝置的陰陽兩極與恒流電源相應(yīng)兩極連接，然后將帶有SiC內(nèi)涂層的C/C復(fù)合材料試樣夾在該裝置內(nèi)的陰極上，將水熱電弧放電沉積裝置放入恒溫烘箱中，在溫度為100-280°c，電流為1-5A，電弧放電2-6min，待反應(yīng)結(jié)束后關(guān)閉電源和烘箱，得到試樣E ；6)將步驟2)制備的玻璃粉加入到市售分析純的乙醇中制成料漿，在試樣E表面反復(fù)涂刷料漿2-8次，然后將試樣置于40-80°C的恒溫干燥箱中干燥得玻璃層/硅酸鋯梯度復(fù)合抗氧化涂層。本發(fā)明結(jié)合了水熱電弧放電沉積法和涂覆法的優(yōu)點，不需要后期熱處理，在低溫下可獲得結(jié)構(gòu)可控且性能良好的抗氧化涂層，且工藝設(shè)備簡單，所得玻璃層/硅酸鋯梯度復(fù)合抗氧化涂層致密均勻、無貫穿裂紋和微孔，結(jié)合涂層于基體結(jié)合強度大，反應(yīng)周期短， 成本低，制備的復(fù)合涂層可在150(TC靜態(tài)空氣保護C/C復(fù)合材料500小時，氧化失重小于 0. 8%。


圖1為本發(fā)明制備玻璃層/硅酸鋯梯度復(fù)合抗氧化涂層表面(XRD)圖譜，其中橫坐標為衍射角2 θ，單位為。；縱坐標為衍射峰強度，單位為a. u.。圖2為本發(fā)明制備玻璃層/硅酸鋯梯度復(fù)合抗氧化涂層表面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)明作進一步詳細說明。實施例1 1)取市售分析純的SiO2粉體、分析純B2O3粉體、分析純Al2O3粉體，分析純MgO粉體，按SiO2 B2O3 Al2O3 MgO = 5 6 5 1的質(zhì)量比將粉體混合均勻，用濕法球磨 2小時后在60°C恒溫烘干得粉料A ；2)將粉料A放入坩堝中，將坩堝放入硅鉬棒電爐中，控制升溫速度為15°C/min，將爐溫從室溫升至1350°C保溫5h，然后將坩堝取出，迅速放入冷水中急冷，將所得玻璃塊研磨成玻璃粉；3)取市售微米級分析純^SiO4粉體8g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C ；4)向溶液C中加入1. 5g市售純度大于99. 8%的單質(zhì)碘，用超聲波發(fā)生器震蕩 80min，取出后在磁力攪拌器上攪拌36h，得溶液D ；5)將溶液D倒入水熱電弧放電沉積裝置內(nèi)，該裝置的陰陽兩極與恒流電源相應(yīng)兩極連接，然后將帶有SiC內(nèi)涂層的C/C復(fù)合材料試樣夾在該裝置內(nèi)的陰極上，將水熱電弧放電沉積裝置放入恒溫烘箱中，在溫度為280°c，電流為5A，電弧放電2min，待反應(yīng)結(jié)束后關(guān)閉電源和烘箱，得到試樣E ；6)將步驟幻制備的玻璃粉加入到市售分析純的乙醇中制成料漿，在試樣E表面反復(fù)涂刷料漿3次，然后將試樣置于40°C的恒溫干燥箱中干燥得玻璃層/硅酸鋯梯度復(fù)合抗氧化涂層。實施例2 1)取市售分析純的SW2粉體、分析純氏03粉體、分析純Al2O3粉體，分析純MgO粉體，按SiA B2O3 Al2O3 MgO = 7 4 3 2的質(zhì)量比將粉體混合均勻，用濕法球磨 4小時后在60°C恒溫烘干得粉料A ；2)將粉料A放入坩堝中，將坩堝放入硅鉬棒電爐中，控制升溫速度為35°C /min,將爐溫從室溫升至1450°C保溫池，然后將坩堝取出，迅速放入冷水中急冷，將所得玻璃塊研磨成玻璃粉；3)取市售微米級分析純^SiO4粉體4g放入錐形瓶中，再將175ml異丙醇倒入錐形瓶中磁力攪拌得溶液C ；4)向溶液C中加入Ig市售純度大于99.8%的單質(zhì)碘，用超聲波發(fā)生器震蕩 60min，取出后在磁力攪拌器上攪拌Mh，得溶液D ；5)將溶液D倒入水熱電弧放電沉積裝置內(nèi)，該裝置的陰陽兩極與恒流電源相應(yīng)兩極連接，然后將帶有SiC內(nèi)涂層的C/C復(fù)合材料試樣夾在該裝置內(nèi)的陰極上，將水熱電弧放電沉積裝置放入恒溫烘箱中，在溫度為180°c，電流為3A，電弧放電％iin，待反應(yīng)結(jié)束后關(guān)閉電源和烘箱，得到試樣E ；6)將步驟幻制備的玻璃粉加入到市售分析純的乙醇中制成料漿，在試樣E表面反復(fù)涂刷料漿5次，然后將試樣置于60°C的恒溫干燥箱中干燥得玻璃層/硅酸鋯梯度復(fù)合抗氧化涂層。實施例3 1)取市售分析純的SiO2粉體、分析純氏03粉體、分析純Al2O3粉體，分析純MgO粉體，按SiA B2O3 Al2O3 Mg0 = 9 2 1 3的質(zhì)量比將粉體混合均勻，用濕法球磨 8小時后在60°C恒溫烘干得粉料A ；2)將粉料A放入坩堝中，將坩堝放入硅鉬棒電爐中，控制升溫速度為500C /min,將爐溫從室溫升至1600°C保溫lh，然后將坩堝取出，迅速放入冷水中急冷，將所得玻璃塊研磨成玻璃粉；3)取市售微米級分析純^SiO4粉體Ig放入錐形瓶中，再將IOOml異丙醇倒入錐形瓶中磁力攪拌得溶液C ；
4)向溶液C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 40min，取出后在磁力攪拌器上攪拌他，得溶液D ；5)將溶液D倒入水熱電弧放電沉積裝置內(nèi)，該裝置的陰陽兩極與恒流電源相應(yīng)兩極連接，然后將帶有SiC內(nèi)涂層的C/C復(fù)合材料試樣夾在該裝置內(nèi)的陰極上，將水熱電弧放電沉積裝置放入恒溫烘箱中，在溫度為100°C，電流為1A，電弧放電6min，待反應(yīng)結(jié)束后關(guān)閉電源和烘箱，得到試樣E ；6)將步驟幻制備的玻璃粉加入到市售分析純的乙醇中制成料漿，在試樣E表面反復(fù)涂刷料漿8次，然后將試樣置于80°C的恒溫干燥箱中干燥得玻璃層/硅酸鋯梯度復(fù)合抗氧化涂層。實施例4 1)取市售分析純的SiO2粉體、分析純氏03粉體、分析純Al2O3粉體，分析純MgO粉體，按SiA B2O3 Al2O3 Mg0 = 8 5 4 2的質(zhì)量比將粉體混合均勻，用濕法球磨 6小時后在60°C恒溫烘干得粉料A ；2)將粉料A放入坩堝中，將坩堝放入硅鉬棒電爐中，控制升溫速度為IOtVminJf 爐溫從室溫升至1300°C保溫證，然后將坩堝取出，迅速放入冷水中急冷，將所得玻璃塊研磨成玻璃粉；3)取市售微米級分析純^SiO4粉體6g放入錐形瓶中，再將200ml異丙醇倒入錐形瓶中磁力攪拌得溶液C ；4)向溶液C中加入1. 2g市售純度大于99. 8%的單質(zhì)碘，用超聲波發(fā)生器震蕩 70min，取出后在磁力攪拌器上攪拌30h，得溶液D ；5)將溶液D倒入水熱電弧放電沉積裝置內(nèi)，該裝置的陰陽兩極與恒流電源相應(yīng)兩極連接，然后將帶有SiC內(nèi)涂層的C/C復(fù)合材料試樣夾在該裝置內(nèi)的陰極上，將水熱電弧放電沉積裝置放入恒溫烘箱中，在溫度為200°C，電流為4A，電弧放電5min，待反應(yīng)結(jié)束后關(guān)閉電源和烘箱，得到試樣E ；6)將步驟幻制備的玻璃粉加入到市售分析純的乙醇中制成料漿，在試樣E表面反復(fù)涂刷料漿2次，然后將試樣置于50°C的恒溫干燥箱中干燥得玻璃層/硅酸鋯梯度復(fù)合抗氧化涂層。由圖1可看出本發(fā)明所制備的復(fù)合抗氧化涂層表面為玻璃層出現(xiàn)非晶衍射峰；由圖2可看出表面被玻璃層所覆蓋。
權(quán)利要求
1. 一種制備玻璃層/硅酸鋯梯度復(fù)合抗氧化涂層的方法，其特征在于1)取市售分析純的SiO2粉體、分析純B2O3粉體、分析純Al2O3粉體，分析純MgO粉體，按 SiO2 B2O3 Al2O3 MgO = 5-9 2-6 1-5 1_3的質(zhì)量比將粉體混合均勻，用濕法球磨2-8小時后在60°C恒溫烘干得粉料A ；2)將粉料A放入坩堝中，將坩堝放入硅鉬棒電爐中，控制升溫速度為10-50°C/min，將爐溫從室溫升至1300-1600°C保溫l_5h，然后將坩堝取出，迅速放入冷水中急冷，將所得玻璃塊研磨成玻璃粉；3)取市售微米級分析純&Si04粉體l-8g放入錐形瓶中，再將100-250ml異丙醇倒入錐形瓶中磁力攪拌得溶液C;4)向溶液C中加入0.5-1. 5g市售純度大于99. 8%的單質(zhì)碘，用超聲波發(fā)生器震蕩 40-80min，取出后在磁力攪拌器上攪拌6_36h，得溶液D ；5)將溶液D倒入水熱電弧放電沉積裝置內(nèi)，該裝置的陰陽兩極與恒流電源相應(yīng)兩極連接，然后將帶有SiC內(nèi)涂層的C/C復(fù)合材料試樣夾在該裝置內(nèi)的陰極上，將水熱電弧放電沉積裝置放入恒溫烘箱中，在溫度為100-280°C，電流為1-5A，電弧放電2-6min，待反應(yīng)結(jié)束后關(guān)閉電源和烘箱，得到試樣E ；6)將步驟2)制備的玻璃粉加入到市售分析純的乙醇中制成料漿，在試樣E表面反復(fù)涂刷料漿2-8次，然后將試樣置于40-80°C的恒溫干燥箱中干燥得玻璃層/硅酸鋯梯度復(fù)合抗氧化涂層。
全文摘要
一種制備玻璃層/硅酸鋯梯度復(fù)合抗氧化涂層的方法，將SiO2、B2O3、Al2O3和MgO粉體混合均勻得粉料A；將粉料A放入坩堝中，將坩堝放入硅鉬棒電爐中燒結(jié)后研磨成玻璃粉；將ZrSiO4加入到異丙醇中得溶液C；向溶液C中加入單質(zhì)碘，超聲震蕩、磁力攪拌得溶液D；將溶液D倒入水熱電弧放電沉積裝置內(nèi)，然后將帶有SiC內(nèi)涂層的C/C復(fù)合材料試樣夾在該裝置內(nèi)的陰極上，將水熱電弧放電沉積裝置放入恒溫烘箱中電弧放電反應(yīng)得到試樣E；將玻璃粉加入到乙醇中制成料漿，在試樣E表面反復(fù)涂刷料漿，然后將試樣置于恒溫干燥箱中干燥得玻璃層/硅酸鋯梯度復(fù)合抗氧化涂層。本發(fā)明結(jié)合了水熱電弧放電沉積法和涂覆法的優(yōu)點，不需要后期熱處理，反應(yīng)周期短，成本低。
文檔編號C04B41/89GK102503586SQ20111037580
公開日2012年6月20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)明者侯艷超, 劉佳, 曹麗云, 辛宇, 黃劍鋒 申請人:陜西科技大學(xué)