專利名稱：一種原位反應(yīng)制備ZrB₂-SiC抗燒蝕涂層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種原位反應(yīng)制備ZrB2-SiC抗燒蝕涂層的方法，尤其涉及在帶有SiC內(nèi)涂層的碳/碳(C/C)復(fù)合材料表面制備ZrB2-SiC抗燒蝕涂層的方法。
背景技術(shù)：
C/C復(fù)合材料從產(chǎn)生到現(xiàn)在，已從單一的燒蝕防熱材料發(fā)展為既是結(jié)構(gòu)材料又是防熱材料的雙功能復(fù)合材料 ，在航空航天領(lǐng)域得到的廣泛的應(yīng)用。已成為應(yīng)用于高超聲速長時飛行、大氣層再入、跨人氣層飛行和火箭推進系統(tǒng)等極端環(huán)境的理想熱防護候選材料，受到各國的高度重視。然而隨著新一代航天器的出現(xiàn)，更高的飛行馬赫數(shù)、發(fā)動機比沖以及燃燒室壓強對C/C復(fù)合材料的抗燒蝕性能提出了更高的要求。近年來，國內(nèi)外提出應(yīng)用涂層來提高C/C復(fù)合材料的抗沖刷能力、降低燒蝕率、承受更高的燃氣溫度或更長的工作時間，取得了明顯的效果。ZrB2基陶瓷具有耐高溫、抗燒蝕、高穩(wěn)定性等特點，是目前研究最為廣泛深入的抗燒蝕涂層體系。文獻 I “Ablative property of laminated ZrB2 - SiC ceramics underoxyacetylene torch，F(xiàn)engjuan Zuo，Laifei Cheng,Liuyi Xiang，Litong Zhang，LiangjunLi，Ceramics International，2012”介紹了釆用熱壓法制備ZrB2-SiC陶瓷，制備出的ZrB2-SiC陶瓷具有優(yōu)異的抗燒蝕性能。但釆用熱壓法在C/C復(fù)合材料表面制備涂層實現(xiàn)較為困難。文獻 2 “A SiC - S1- ZrB2multiphase oxidation protective ceramic coatingfor SiC-coated carbon/carbon composites,Xiyuan Yao, Hejun Li,Yulei Zhang,XinfaQiang, Ceramic International, 2012”介紹了使用包埋法制備ZrB2-SiC-Si涂層，該涂層可以有效提高C/C復(fù)合材料的抗氧化性能。但涂層中ZrB2含量較少，涂層的抗燒蝕性能較差。文獻3 “吳定星，董紹明，丁玉生，張翔宇，王震，周海軍，Cf/SiC復(fù)合材料SiC/(ZrB2-SiC/SiC)4*層的制備及性能研究，無機材料學報，2009”介紹了利用料漿浸涂法和脈沖CVD法制備SiC/(ZrB2-SiCVSiC)4涂層，涂層試樣在1500°C氧化測試中出現(xiàn)持續(xù)增重現(xiàn)象，表現(xiàn)出優(yōu)異的抗氧化性能。但由于該研究采用料漿涂刷法制備ZrB2-SiC涂層，故涂層與基底的結(jié)合性能較差，并且分布不均勻，性能不可控。

發(fā)明內(nèi)容
要解決的技術(shù)問題為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種原位反應(yīng)制備ZrB2-SiC抗燒蝕涂層的方法，該方法在SiC內(nèi)涂層包覆的C/C復(fù)合材料表面制備ZrB2-SiC陶瓷涂層，以提高涂層燒蝕性能和提高涂層結(jié)合強度。技術(shù)方案一種原位反應(yīng)制備ZrB2-SiC抗燒蝕涂層的方法，其特征在于步驟如下:步驟1、預(yù)處理C/C復(fù)合材料試樣:依次分別用自來水、丙酮、乙醇、蒸餾水超聲清洗等溫化學氣相滲透法制成的C/C復(fù)合材料，在空氣中晾干；步驟2、在C/C復(fù)合材料表面制備SiC過渡層:稱取質(zhì)量百分比為65 - 80%的Si粉，質(zhì)量百分比為10-25%的C粉，質(zhì)量百分比為5 15%的Al2O3粉，置于松脂球磨罐中，球磨混合處理2 4小時后烘干得到混合粉料，將制備好的混合粉料裝入石墨坩堝容積的一半，將經(jīng)過處理的C/C復(fù)合材料放在混合粉料上面，再在C/C復(fù)合材料上面鋪滿混合粉料，將石墨坩堝放入石墨為發(fā)熱體的真空反應(yīng)爐中，以氬氣作為保護氣體，以10°C /min升溫速度將爐溫從室溫升至1800 2100°C，保溫2小時；隨后關(guān)閉電源自然冷卻至室溫，得到帶有SiC過渡層的C/C復(fù)合材料；步驟3、在含SiC過渡層的C/C復(fù)合材料試樣表面制備ZrB2-C涂層:稱取2 4g的酚醛樹脂和Sg的ZrB2粉混合溶于分析純的酒精溶液中，將混合溶液刷至帶有SiC過渡層的C/C復(fù)合材料表面，自然晾干后放入石墨為發(fā)熱體的真空反應(yīng)爐中，以氬氣作為保護氣體，以5°C /min升溫速度將爐溫從室溫升至900 1100°C，保溫I小時；隨后以2V /min降溫速度將爐溫從高溫降至室溫，得到帶有ZrB2-C涂層的C/C復(fù)合材料；步驟4、高溫原位反應(yīng)制備ZrB2-SiC涂層:稱取質(zhì)量百分比為70 80%的SiC粉和20 30%的Si粉，置于松脂球磨罐中，球磨混合處理2 4小時后烘干得到混合粉料，將制備好的混合粉料裝入石墨坩堝容積的一半，將步驟3得到的帶有ZrB2-C涂層的C/C復(fù)合材料放在混合粉料上面，再在上面鋪滿混合粉料，將石墨坩堝放入石墨為發(fā)熱體的反應(yīng)爐中，以氬氣作為保護氣體，以10°C /min升溫速度將爐溫從室溫升至1400 1600°C，保溫2小時；隨后關(guān)閉電源自然冷卻至室溫，得到帶有ZrB2-SiC陶瓷涂層C/C復(fù)合材料。所述步驟I清洗時，超聲波的頻率為25-60KHZ，超聲波的功率為100W，清洗時間為15_30mino有益效果
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本發(fā)明提出的一種原位反應(yīng)制備ZrB2-SiC抗燒蝕涂層的方法，有益效果:在帶有SiC過渡層的C/C復(fù)合材料表面，利用原位反應(yīng)制備ZrB2-SiC抗燒蝕涂層。與現(xiàn)有技術(shù)相t匕，可提高涂層中的ZrB2含量，進而可提高C/C復(fù)合材料的抗燒蝕性能。并且該方法借助高溫原位反應(yīng)，可獲得高的涂層與基底界面結(jié)合強度。


圖1:是本發(fā)明實施例1所制備的ZrB2-C涂層表面SEM照片；圖2:是本發(fā)明實施例1所制備的ZrB2-SiC涂層表面SEM照片；圖3:是本發(fā)明實施例1所制備的ZrB2-SiC涂層截面SEM照片。
具體實施例方式現(xiàn)結(jié)合實施例、附圖對本發(fā)明作進一步描述:實施例1:步驟1，預(yù)處理C/C復(fù)合材料試樣；取等溫化學氣相滲透法制成的密度為
1.67-1.76g/cm3的碳/碳復(fù)合材料,將其加工①30mmX IOmm尺寸后依次用400#砂紙打磨拋光。依次分別用自來水對打磨后的C/C復(fù)合材料進行超聲清洗；空氣中晾干。清洗時，使用的超聲波頻率均為40KHZ，超聲波的功率均為100W，清洗時間均為15min ；
步驟2，在C/C復(fù)合材料表面制備SiC過渡層；分別稱取30g的Si粉，6g的C粉和3g的Al2O3粉。置于松脂球磨罐中，取不同數(shù)量不同直徑的瑪瑙球放入松脂球磨罐中，在行星式球磨機上進行球磨混合處理2h，作為粉料備用。將粉料放入石墨坩堝中，再將烘干后的C/C復(fù)合材料試樣放在粉料上面，再在C/C復(fù)合材料上面鋪滿粉料，然后將石墨坩堝放入石墨作為發(fā)熱體的真空反應(yīng)爐中。抽真空30分鐘后使真空度達到-0.09MPa，保真空30分鐘，觀察真空表指示是否變化，如無變化，說明系統(tǒng)密封完好。通Ar至常壓。此過程重復(fù)三次。之后將爐溫升至2100°C，升溫速率為5°C/min，然后保溫2小時。隨后關(guān)閉電源自然冷卻至室溫，整個過程中通Ar保護。隨后取出石墨坩堝，得到含SiC過渡層的C/C復(fù)合材料試樣。步驟3，在含SiC過渡層的C/C復(fù)合材料試樣制備ZrB2-C涂層；稱取2g的酚醛樹月旨，Sg的ZrB2粉溶于分析純的6g酒精溶液中，充分混合，攪拌均勻。使用細毛刷，將混合物均勻刷至帶有SiC過渡層的C/C復(fù)合材料表面，自然晾干。將制備好的試樣放入石墨為發(fā)熱體的真空反應(yīng)爐中，以氬氣作為保護氣體，以5°C /min升溫速度將爐溫從室溫升至1000°C，保溫I小時；隨后以2V /min降溫速度將爐溫從高溫降至室溫，得到帶有ZrB2-C涂層的C/C復(fù)合材料；步驟4，高溫原位反應(yīng)制備ZrB2-SiC涂層；稱取32g的SiC粉，8g的Si粉，置于松脂球磨罐中，球磨混合處理2 4小時后烘干得到混合粉料，將制備好的混合粉料裝入石墨坩堝容積的一半，將步驟3得到的帶有ZrB2-C涂層的C/C復(fù)合材料放在混合粉料上面，再在上面鋪滿混合粉料，將石墨坩堝放入石墨為發(fā)熱體的反應(yīng)爐中，以氬氣作為保護氣體，以10°C /min升溫速度將爐溫從室溫升至1600°C，保溫2小時；隨后關(guān)閉電源自然冷卻至室溫，得到帶有ZrB2-SiC陶瓷涂層C/C復(fù)合材料。實施例2:步驟1，預(yù)處理C/C復(fù)合材料試樣；取等溫化學氣相滲透法制成的密度為
1.67-1.76g/cm3的碳/碳復(fù)合材料,將其加工①30mmX IOmm尺寸后依次用800#砂紙打磨拋光。依次分別用自來丙酮對打磨后的C/C復(fù)合材料進行超聲清洗；空氣中晾干。清洗時，使用的超聲波頻率均為40KHZ，超聲波的功率均為100W，清洗時間均為15min。步驟2，在C/C復(fù)合材料表面制備SiC過渡層；分別稱取30g的Si粉，6g的C粉和2g的Al2O3粉。置于松脂球磨罐中，取不同數(shù)量不同直徑的瑪瑙球放入松脂球磨罐中，在行星式球磨機上進行球磨混合處理2h，作為粉料備用。將粉料放入石墨坩堝中，再將烘干后的C/C復(fù)合材料試樣放在粉料上面，再在C/C復(fù)合材料上面鋪滿粉料，然后將石墨坩堝放入石墨作為發(fā)熱體的真空反應(yīng)爐中。抽真空30分鐘后使真空度達到-0.09MPa，保真空30分鐘，觀察真空表指示是否變化，如無變化，說明系統(tǒng)密封完好。通Ar至常壓。此過程重復(fù)三次。之后將爐溫升至2000°C，升溫速率為5°C/min，然后保溫2小時。隨后關(guān)閉電源自然冷卻至室溫，整個過程中通Ar保護。隨后取出石墨坩堝，得到含SiC過渡層的C/C復(fù)合材料試樣。步驟3，在含SiC過渡層的C/C復(fù)合材料試樣制備ZrB2-C涂層；稱取3g的酚醛樹月旨，Sg的ZrB2粉溶于分析純的6g酒精溶液中，充分混合，攪拌均勻。使用細毛刷，將混合物均勻刷至帶有SiC過渡層的C/C復(fù)合材料表面，自然晾干。將制備好的試樣放入石墨為發(fā)熱體的真空反應(yīng)爐中，以氬氣作為保護氣體，以5°C /min升溫速度將爐溫從室溫升至900°C，保溫1小時；隨后以2°C /min降溫速度將爐溫從高溫降至室溫，得到帶有ZrB2-C涂層的C/C復(fù)合材料；步驟4，高溫原位反應(yīng)制備ZrB2-SiC涂層；稱取30g的SiC粉，8g的Si粉，置于松脂球磨罐中，球磨混合處理2 4小時后烘干得到混合粉料，將制備好的混合粉料裝入石墨坩堝容積的一半，將步驟3得到的帶有ZrB2-C涂層的C/C復(fù)合材料放在混合粉料上面，再在上面鋪滿混合粉料，將石墨坩堝放入石墨為發(fā)熱體的反應(yīng)爐中，以氬氣作為保護氣體，以10°C /min升溫速度將爐溫從室溫升至1500°C，保溫2小時；隨后關(guān)閉電源自然冷卻至室溫，得到帶有ZrB2-SiC陶瓷涂層C/C復(fù)合材料。實施例3:步驟1，預(yù)處理C/C復(fù)合材料試樣；取等溫化學氣相滲透法制成的密度為
1.67-1.76g/cm3的碳/碳復(fù)合材料,將其加工C>30mmX 1Omm尺寸后依次用1500#砂紙打磨拋光。依次分別用自來無水乙醇對打磨后的C/C復(fù)合材料進行超聲清洗；空氣中晾干。清洗時，使用的超聲波頻率均為40KHZ，超聲波的功率均為100W，清洗時間均為15min。步驟2，在C/C復(fù)合材料表面制備SiC過渡層；分別稱取30g的Si粉，5g的C粉和3g的Al2O3粉。置于松脂球磨罐中，取不同數(shù)量不同直徑的瑪瑙球放入松脂球磨罐中，在行星式球磨機上進行球磨混合處理2h，作為粉料備用。將粉料放入石墨坩堝中，再將烘干后的C/C復(fù)合材料試樣放在粉料上面，再在C/C復(fù)合材料上面鋪滿粉料，然后將石墨坩堝放入石墨作為發(fā)熱體的真空反應(yīng)爐中。抽真空30分鐘后使真空度達到-0.09MPa，保真空30分鐘，觀察真空表指示是否變化，如無變化，說明系統(tǒng)密封完好。通Ar至常壓。此過程重復(fù)三次。之后將爐溫升至1900°C，升溫速率為5°C/min，然后保溫2小時。隨后關(guān)閉電源自然冷卻至室溫，整個過程中通Ar保護。隨后取出石墨坩堝，得到含SiC過渡層的C/C復(fù)合材料試樣。步驟3，在含SiC過渡層的C/C復(fù)合材料試樣制備ZrB2-C涂層；稱取4g的酚醛樹月旨，Sg的ZrB2粉溶于分析純的6g酒精溶液中，充分混合，攪拌均勻。使用細毛刷，將混合物均勻刷至帶有SiC過渡層的C/C復(fù)合材料表面，自然晾干。將制備好的試樣放入石墨為發(fā)熱體的真空反應(yīng)爐中，以氬氣作為保護氣體，以5°C /min升溫速度將爐溫從室溫升至1100°C，保溫I小時；隨后以2V /min降溫速度將爐溫從高溫降至室溫，得到帶有ZrB2-C涂層的C/C復(fù)合材料；步驟4，高溫原位反應(yīng)制備ZrB2-SiC涂層；稱取30g的SiC粉，7g的Si粉，置于松脂球磨罐中，球磨混合處理2 4小時后烘干得到混合粉料，將制備好的混合粉料裝入石墨坩堝容積的一半，將步驟3得到的帶有ZrB2-C涂層的C/C復(fù)合材料放在混合粉料上面，再在上面鋪滿混合粉料，將石墨坩堝放入石墨為發(fā)熱體的反應(yīng)爐中，以氬氣作為保護氣體，以10°C /min升溫速度將爐溫從室溫升至1400°C，保溫2小時；隨后關(guān)閉電源自然冷卻至室溫，得到帶有ZrB2-SiC陶瓷涂層C/C復(fù)合材料。
權(quán)利要求
1.一種原位反應(yīng)制備ZrB2-SiC抗燒蝕涂層的方法，其特征在于步驟如下: 步驟1、預(yù)處理C/C復(fù)合材料試樣:依次分別用自來水、丙酮、乙醇、蒸餾水超聲清洗等溫化學氣相滲透法制成的C/C復(fù)合材料，在空氣中晾干； 步驟2、在C/C復(fù)合材料表面制備SiC過渡層:稱取質(zhì)量百分比為65 - 80%的Si粉，質(zhì)量百分比為10 - 25%的C粉，質(zhì)量百分比為5 15%的Al2O3粉，置于松脂球磨罐中，球磨混合處理2 4小時后烘干得到混合粉料，將制備好的混合粉料裝入石墨坩堝容積的一半，將經(jīng)過處理的C/C復(fù)合材料放在混合粉料上面，再在C/C復(fù)合材料上面鋪滿混合粉料，將石墨坩堝放入石墨為發(fā)熱體的真空反應(yīng)爐中，以氬氣作為保護氣體，以10°C /min升溫速度將爐溫從室溫升至1800 2100°C，保溫2小時；隨后關(guān)閉電源自然冷卻至室溫，得到帶有SiC過渡層的C/ C復(fù)合材料； 步驟3、在含SiC過渡層的C/C復(fù)合材料試樣表面制備ZrB2-C涂層:稱取2 4g的酚醛樹脂和Sg的ZrB2粉混合溶于分析純的酒精溶液中，將混合溶液刷至帶有SiC過渡層的C/C復(fù)合材料表面，自然晾干后放入石墨為發(fā)熱體的真空反應(yīng)爐中，以氬氣作為保護氣體，以5°C /min升溫速度將爐溫從室溫升至900 1100°C，保溫I小時；隨后以2V /min降溫速度將爐溫從高溫降至室溫，得到帶有ZrB2-C涂層的C/C復(fù)合材料； 步驟4、高溫原位反應(yīng)制備ZrB2-SiC涂層:稱取質(zhì)量百分比為70 80%的SiC粉和20 30%的Si粉，置于松脂球磨罐中，球磨混合處理2 4小時后烘干得到混合粉料，將制備好的混合粉料裝入石墨坩堝容積的一半，將步驟3得到的帶有ZrB2-C涂層的C/C復(fù)合材料放在混合粉料上面，再在上面鋪滿混合粉料，將石墨坩堝放入石墨為發(fā)熱體的反應(yīng)爐中，以氬氣作為保護氣體，以10°C /min升溫速度將爐溫從室溫升至1400 1600°C，保溫2小時；隨后關(guān)閉電源自然冷卻至室溫，得到帶有ZrB2-SiC陶瓷涂層C/C復(fù)合材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述原位反應(yīng)制備ZrB2-SiC抗燒蝕涂層的方法，其特征在于:所述步驟I清洗時，超聲波的頻率為25-60KHZ，超聲波的功率為100W，清洗時間為15_30min。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種原位反應(yīng)制備ZrB2-SiC抗燒蝕涂層的方法，其特征在于在帶有SiC過渡層的C/C復(fù)合材料表面，利用原位反應(yīng)制備ZrB2-SiC抗燒蝕涂層。與現(xiàn)有技術(shù)相比，可提高涂層中的ZrB2含量，進而可提高C/C復(fù)合材料的抗燒蝕性能。并且該方法借助高溫原位反應(yīng)，可獲得高的涂層與基底界面結(jié)合強度。
文檔編號C04B41/87GK103145454SQ201310097199
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月25日
發(fā)明者付前剛, 鄒旭, 李賀軍, 褚衍輝, 谷彩閣 申請人:西北工業(yè)大學