涂層的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種在泡沫炭材料表面原位合成Si3N4涂層的方法，屬于新材料【技術(shù)領(lǐng)域】。具體包括以下幾個步驟：(1)采用酚醛樹脂為基本原料，通過常壓物理發(fā)泡法獲得氣孔均一的酚醛泡沫基體。(2)以正硅酸乙酯為主要原料，利用其酸性條件下水解制得所需溶膠溶液。(3)將步驟(1)的酚醛泡沫基體超聲清洗，烘干，浸入步驟(2)的溶膠溶液中，在超聲波震蕩條件下浸漬涂層，獲得溶膠涂層試樣。(4)將步驟(3)的溶膠涂層試樣置于氣氛熱壓爐中，1400℃下，氮氣氣氛中，保溫4h反應(yīng)燒成，制得泡沫炭表面原位合成Si3N4涂層的試樣。
【專利說明】一種泡沬炭表面原位合成Si3N4涂層的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種在泡沫炭材料表面原位合成Si3N4涂層的方法，屬于新材料【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]泡沫炭材料作為一種新型炭材料，獨特的孔洞結(jié)構(gòu)賦予其低密度、高強度、導(dǎo)電、導(dǎo)熱、熱穩(wěn)定、化學(xué)穩(wěn)定等優(yōu)越的性能，廣泛應(yīng)用于宇航、冶金、化工、環(huán)保、電子等領(lǐng)域。但是高溫氧化氣氛中易氧化腐蝕的弱點，嚴(yán)重影響泡沫炭材料優(yōu)異性能的發(fā)揮，進而制約其在眾多領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，亟需一種有效的抗氧化防護方法，在不影響泡沫炭材料結(jié)構(gòu)及性能的前提下，阻止泡沫炭材料的氧化。
[0003]目前，泡沫炭材料的抗氧化防護主要包括基體改性和涂層法兩種，且涂層法是最為有效的抗氧化防護措施。Si3N4因其獨特的力學(xué)、光學(xué)、電學(xué)性質(zhì)以及理想的鈍化、抗氧化性能，也是一種重要的涂層和薄膜材料?，F(xiàn)有技術(shù)雖涉及Si3N4在炭材料的抗氧化涂層中的研究，但多是用于炭/炭復(fù)合材料基體表面且與SiC等進行復(fù)合形成一定的復(fù)合涂層，而用于多孔的泡沫炭材料的抗氧化Si3N4涂層還未見相關(guān)技術(shù)報道。
[0004]本發(fā)明基于Si3N4形成的氣-固機理，提出了一種工藝簡單、易于控制，低溫易摻雜的溶膠浸潰結(jié)合高溫氮化處理制備Si3N4涂層的新方法，大大提高泡沫炭材料的抗氧化性能，為其在宇航、化工、電子、環(huán)保等領(lǐng)域的大規(guī)模開發(fā)及應(yīng)用提供一定的理論基礎(chǔ)和實驗參考。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的主要目的是提供一種在泡沫炭材料表面原位合成Si3N4涂層的方法。
[0006]本發(fā)明采用正硅酸乙酯為主要原料，經(jīng)過酸性條件的水解和常溫靜置陳化獲得粘度均勻的溶膠溶液；接著將常壓物理發(fā)泡所得的酚醛泡沫浸入上述溶膠溶液，超聲波震蕩條件下對酚醛泡沫基體包覆涂層；最后將充分干燥的涂層試樣置于氣氛熱壓爐中，氮氣氣氛中1400°C下保溫4h反應(yīng)燒成。
[0007]本發(fā)明一種在泡沫炭材料表面原位合成Si3N4涂層的方法，其優(yōu)點在于工藝簡單，易于操作，成本低，涂層致密度高，抗氧化效果好。
[0008]具體制備工藝步驟及原理如下:
[0009](I)稱取適量熱固性酚醛樹脂，強磁力攪拌條件下依次加入碳酸氫鈉、吐溫80、對甲苯磺酸，三者添加比例分別為酚醛樹脂質(zhì)量的5被％、6被％和20wt%，強磁力攪拌混合幾分鐘，將混合物置于烘箱中80°C左右下烘干數(shù)分鐘，發(fā)泡固化，得到酚醛泡沫基體。
[0010](2)分別量取適量體積比的正硅酸乙酯和無水乙醇，在室溫下強磁力攪拌混合。向該混合物中加入適量體積的去離子水，并用10%硝酸調(diào)整混合液的PH值，強磁力攪拌一定時間。最后，向上述混合物加入一定體積的蔗糖溶液，強磁力攪拌數(shù)小時，在室溫下靜置陳化數(shù)天，得到所需溶膠溶液。
[0011](3)將步驟(I)的酚醛泡沫基體超聲清洗，烘干后，浸入步驟(2)的溶膠溶液中，在超聲波震蕩條件下浸潰一定時間表面獲得涂層。每次涂層充分干燥后，進行下一次的浸潰涂層，反復(fù)浸潰數(shù)次，得到溶膠涂層試樣。
[0012](4)將步驟(3)的溶膠涂層試樣置于氣氛熱壓爐中，一定溫度下，氮氣氣氛中，保溫數(shù)小時反應(yīng)，得到泡沫炭表面原位合成Si3N4涂層試樣。為減少溶膠涂層與酚醛泡沫基體熱膨脹系數(shù)差異引起的剝落、微裂紋等缺陷的產(chǎn)生，升溫機制為:首先以10°C /min的速率升溫到300°C，接著以5°C /min的速率升溫到500°C，最后以2°C /min的速率升溫至1400°C，保溫4h，自然冷卻至室溫，制得抗氧化涂層泡沫炭試樣。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1本發(fā)明的泡沫炭材料表面原位合成Si3N4涂層的工藝流程圖；
[0014]圖2實施例一所得Si3N4涂層XRD圖譜；
[0015]圖3實施例一所得Si3N4涂層SEM照片；
[0016]圖4實施例一所得Si3N4涂層橫斷面SEM照片；

【具體實施方式】
[0017]實施例一:
[0018](I)稱取1g熱固性酚醛樹脂，強磁力攪拌條件下依次加入碳酸氫鈉、吐溫80、對甲苯磺酸，三者添加比例分別為酚醛樹脂質(zhì)量的5被％、6被％和20wt%，強磁力攪拌混合3?5min，將混合物置于烘箱中80°C左右下烘干5?lOmin，發(fā)泡固化，得到酚醛泡沫基體。
[0019](2)分別量取體積比為10:3的正硅酸乙酯和無水乙醇，在室溫下強磁力攪拌混合。向該混合物中加入體積比例為正硅酸乙酯33Vol%的去離子水，并用10%硝酸調(diào)整混合液的pH值為3.5,強磁力攪拌30min。最后，向上述混合物加入體積比例為正娃酸乙酯27ν01%的蔗糖溶液，強磁力攪拌4h，在室溫下靜置陳化72h，得到所需溶膠溶液。
[0020](3)將步驟(I)的酚醛泡沫基體超聲清洗，烘干后，浸入步驟(2)的溶膠溶液中，在超聲波的條件下浸潰涂層20min。每次涂層充分干燥后，進行下一次的浸潰涂層，反復(fù)浸潰數(shù)次，得到涂層次數(shù)依次為1、2、3的溶膠涂層試樣。
[0021](4)將步驟(3)的不同涂層次數(shù)的溶膠涂層試樣置于氣氛熱壓爐中，1400°C下，氮氣氣氛中，保溫4h反應(yīng)，得到泡沫炭表面原位合成Si3N4涂層的試樣。為減少溶膠涂層與酚醛泡沫基體熱膨脹系數(shù)差異引起的剝落、微裂紋等缺陷的產(chǎn)生，升溫機制為:首先以10°C /min的速率升溫到300°C，接著以5°C /min的速率升溫到500°C，最后以2V /min的速率升溫至140(TC，保溫4h，自然冷卻至室溫，制得抗氧化涂層泡沫炭試樣。
【權(quán)利要求】
1.一種泡沫炭表面原位合成Si3N4涂層的方法，其特征在于:所述制備方法包括以下各步驟， (1)酚醛泡沫基體的制備 稱取適量熱固性酚醛樹脂，強磁力攪拌條件下依次加入碳酸氫鈉、吐溫80、對甲苯磺酸，三者添加比例分別為酚醛樹脂質(zhì)量的5Wt%、6Wt%和20wt%，強力攪拌混合幾分鐘，將混合物置于烘箱中80°C左右下烘干數(shù)分鐘，發(fā)泡固化，得到酚醛泡沫基體。 (2)溶膠溶液的制備 分別量取適量體積比的正硅酸乙酯和無水乙醇，在室溫下強磁力攪拌混合。向該混合物中加入適量體積的去離子水，并用10%硝酸調(diào)整混合液的pH值，強磁力攪拌一定時間。最后，向上述混合物加入一定體積蔗糖溶液，強磁力攪拌數(shù)小時，在室溫下靜置陳化數(shù)天，得到所需溶膠溶液。 (3)溶膠涂層試樣的制備 將步驟(I)的酚醛泡沫基體超聲清洗，烘干，浸入步驟(2)的溶膠溶液中，在超聲波震蕩條件下浸潰一定時間表面獲得涂層。每次涂層充分干燥后，進行下一次的浸潰涂層，反復(fù)浸潰數(shù)次，得到溶膠涂層試樣。 (4)抗氧化涂層泡沫炭的制備 將步驟(3)的溶膠涂層試樣置于氣氛熱壓爐中，一定溫度下，氮氣氣氛中，保溫數(shù)小時反應(yīng)，得到抗氧化涂層試樣。為減少溶膠涂層與酚醛泡沫基體熱膨脹系數(shù)差異引起的剝落、微裂紋等缺陷的產(chǎn)生，升溫機制為:先以10°C /min的速率升溫到300°C，接著以5°C /min的速率升溫到500°C，最后以2V /min的速率升溫至1400°C，保溫4h，自然冷卻至室溫，制得抗氧化涂層泡沫炭試樣。
2.根據(jù)權(quán)利要求書I所述的一種在泡沫炭材料表面原位合成Si3N4涂層的方法，其特征在于:溶膠涂層基體為酚醛泡沫基體，以保證溶膠與基體的物理相容性。
3.根據(jù)權(quán)利要求書I所述的一種在泡沫炭材料表面原位合成Si3N4涂層的方法，其特征在于:酸性條件下正硅酸乙酯發(fā)生水解，形成性質(zhì)均勻溶膠溶液，超聲波震蕩條件下浸潰，達到涂層對酚醛泡沫基體的均勻涂覆。
4.根據(jù)權(quán)利要求書I所述的一種在泡沫炭材料表面原位合成Si3N4涂層的方法，其特征在于:1400°C，氮氣氣氛中，酚醛泡沫基體的炭化和正硅酸乙酯水解生成S1的氮化同時進行，減少了泡沫炭與Si3N4涂層的剝離。
【文檔編號】C04B41/50GK104250107SQ201310495482
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2013年10月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月28日
【發(fā)明者】吳小文, 袁學(xué)友 申請人:中國地質(zhì)大學(xué)（北京）