本發(fā)明涉及一種制備碳/碳復(fù)合材料外涂層的方法,具體涉及一種基于電磁感應(yīng)加熱方法并用莫來(lái)石前驅(qū)體制備表面均勻無(wú)微裂紋產(chǎn)生,且厚度均一無(wú)貫穿性孔洞和裂紋產(chǎn)生的結(jié)合力強(qiáng)的碳/碳復(fù)合材料莫來(lái)石涂層的方法。
背景技術(shù):
碳/碳(C/C)復(fù)合材料是碳纖維及其織物增強(qiáng)的碳基體復(fù)合材料。具有低密度(<2.0g/cm3)、高強(qiáng)度、高比模量、高導(dǎo)熱性、低膨脹系數(shù)、摩擦性能好,以及抗熱沖擊性能好等優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為是最有發(fā)展前途的高溫材料之一。碳/碳復(fù)合材料由于其獨(dú)特的性能,已廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)工業(yè)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域,如火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管及其喉襯、航天飛機(jī)的端頭帽和機(jī)翼前緣的熱防護(hù)系統(tǒng)、飛機(jī)剎車(chē)盤(pán)等。
盡管碳/碳復(fù)合材料有諸多優(yōu)良的高溫性能,但它在溫度高于400℃的有氧環(huán)境中發(fā)生氧化反應(yīng),導(dǎo)致材料的性能急劇下降。因此,碳/碳復(fù)合材料在高溫有氧環(huán)境下的應(yīng)用必須有氧化防護(hù)措施。碳/碳復(fù)合材料的氧化防護(hù)主要通過(guò)以下兩種途徑,即在較低的溫度下可以采取基體改性和表面活性點(diǎn)的鈍化對(duì)碳/碳復(fù)合材料進(jìn)行保護(hù);隨著溫度的升高,則必須采用涂層的方法來(lái)隔絕碳/碳復(fù)合材料與氧的直接接觸,以達(dá)到氧化防護(hù)的目的。目前使用最多的是涂層的方法,隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步,對(duì)碳/碳復(fù)合材料超高溫性能的依賴(lài)越來(lái)越多,而在超高溫條件下唯一可行的氧化防護(hù)方案只能是涂層防護(hù)。
抗氧化涂層被認(rèn)為是解決碳/碳復(fù)合材料高溫氧化防護(hù)問(wèn)題的有效方法。SiC涂層由于與C/C復(fù)合材料的物理、化學(xué)相容性好而普遍作為過(guò)渡層使用,但是單一的SiC涂層不能對(duì)C/C基體提供有效的保護(hù),因而抗氧化外涂層成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。
到目前為止,制備的外涂層有很多,例如碳化物涂層[陳石林,黃健,李?yuàn)檴?,劉?huì)忠,葉崇.C—SiC—B4C復(fù)合材料的制備及其抗氧化性能研究.碳素,2011,2(146):1001-8948]、硅化物涂層[Huang J F,Wang B,Li H J,et al.A MoSi2/SiC oxidation protective coating for carbon/carbon composites.Corrosion Science,2011,2(53):834-839.]等。有制備單一SiC涂層[陳嚦,王成國(guó),趙偉.兩步法制備具有自愈合能力的純SiC涂層.物理化學(xué)學(xué)報(bào),2012,28(1):239-244]以及SiC/MoSi2-Si2N2O-CrSi2復(fù)合涂層[殷玲,熊翔,曾毅,郭順,張武裝.C/C復(fù)合材料上SiC/MoSi2-Si2N2O-CrSi2涂層的制備、抗氧化性能及形成機(jī)理.材料保護(hù),1001-1560(2011)12-0023-04]。莫來(lái)石相對(duì)密度3.16,熱膨脹系數(shù)和SiC相近,在1800℃條件下穩(wěn)定,氧滲透率極低,能緩慢分解釋放SiO2來(lái)愈合涂層的微裂紋,而且其熱膨脹系數(shù)為5.7×10–6/℃,與SiC內(nèi)涂層的熱膨脹系數(shù)(4.0×10–6/℃)相近,不會(huì)引起高溫下涂層熱膨脹系數(shù)不匹配導(dǎo)致的開(kāi)裂。
到目前為止外涂層的制備方法多種多樣,主要有以下幾種:超臨界態(tài)流體技術(shù),原位成型,溶膠-凝膠法,熔漿涂覆反應(yīng),爆炸噴涂和超聲波噴涂法等。采用超臨界態(tài)流體技術(shù)來(lái)制備C/C復(fù)合材料涂層由于制備的工藝實(shí)施需要在高溫高壓下進(jìn)行,對(duì)設(shè)備的要求較高,并且形成的外涂層要在惰性氣氛下進(jìn)行熱處理,制備周期比較長(zhǎng)[Bemeburg P L,Krukonis V J.Processing of carbon/carbon composites using supercritical fluid technology.United States Patent US 5035921,1991],采用原位成型法制備的涂層需要在1500℃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.],采用溶膠-凝膠法制備的外涂層表面容易開(kāi)裂并且涂層厚度不足[Huang Jian-Feng,Zeng Xie-Rong,Li He-Jun,Xiong Xin-Bo,Sun Guo-ling.Surf.coat.Technol.2005,190,255.],而采用熔漿涂覆反應(yīng)法制備涂層仍然存在需要多次涂刷,不能一次制備完成,以及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.],同樣采用爆炸噴涂和超聲波噴涂法雖然已經(jīng)制備出部分合金涂層,但是,該工藝還有很多不完善的地方,所制備涂層的高溫防氧化性能尚需要進(jìn)一步的提高[Terentieva V S,Bogachkova O P,Goriatcheva E V.Method for protecting products made of a refractory material against oxidation,and resulting products.US 5677060,1997.],并且以上方法制備的碳/碳復(fù)合材料抗氧化涂層是靜態(tài)制備的。
目前,采用電磁感應(yīng)加熱法結(jié)合動(dòng)態(tài)液體沖刷并用莫來(lái)石溶膠前驅(qū)體制備莫來(lái)石外涂層的方法還未見(jiàn)報(bào)道。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的在于提供一種碳/碳復(fù)合材料莫來(lái)石涂層的制備方法。
為達(dá)到上述目的,本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案:
1)將Na2SiO3粉體及Al(NO3)3粉體與1200mL水混合,得混合液,混合液中Na2SiO3與Al(NO3)3的物質(zhì)的量比為1:3~4;
2)將混合液超聲震蕩后進(jìn)行攪拌,得到濃度為0.12~0.3mol/L的莫來(lái)石前驅(qū)體液;
3)將帶有SiC涂層的碳/碳復(fù)合材料試樣放在電磁感應(yīng)加熱儀的加熱線(xiàn)圈內(nèi),然后利用水泵使莫來(lái)石前驅(qū)體液循環(huán)流動(dòng);
4)莫來(lái)石前驅(qū)體液開(kāi)始循環(huán)流動(dòng)后打開(kāi)電磁感應(yīng)加熱儀并利用加熱線(xiàn)圈對(duì)試樣進(jìn)行電磁感應(yīng)加熱,電磁感應(yīng)加熱過(guò)程中利用循環(huán)流動(dòng)的莫來(lái)石前驅(qū)體液對(duì)試樣進(jìn)行持續(xù)沖刷,電磁感應(yīng)加熱的條件為:加熱時(shí)間控制在30~300min,并且電流強(qiáng)度控制在400~550A;電磁感應(yīng)加熱結(jié)束后使莫來(lái)石前驅(qū)體液停止沖刷試樣,待試樣自然冷卻到室溫后對(duì)試樣進(jìn)行干燥。
所述Na2SiO3粉體及Al(NO3)3粉體是通過(guò)將市售Na2SiO3粉體及Al(NO3)3粉體依次經(jīng)濕法間歇球磨(40~50h)、干燥(80℃下烘箱中干燥4~6h)后制得的。
所述Na2SiO3粉體的平均粒徑為100~300μm,Al(NO3)3粉體的平均粒徑為300~500μm。
所述超聲震蕩的時(shí)間為100~120min,超聲功率控制在800~1000W。
所述攪拌的時(shí)間為10~12h。
所述循環(huán)流動(dòng)是指:莫來(lái)石前驅(qū)體液自盛放容器流出,經(jīng)過(guò)試樣,然后流回盛放容器。
所述水泵的功率為35~55W。
所述干燥的條件為:將試樣置于電熱鼓風(fēng)干燥箱中并于60~80℃下干燥3~6h。
本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在:
1)采用電磁感應(yīng)加熱的方法,加熱速度快,效率高,并且溫度均勻。
2)制得的莫來(lái)石涂層厚度均一、表面無(wú)裂紋。
3)在動(dòng)態(tài)沖刷狀態(tài)下制備莫來(lái)石涂層,制備的涂層結(jié)合強(qiáng)度更高。
4)莫來(lái)石涂層制備周期短。
5)制備簡(jiǎn)單,操作方便,快捷,原料易得,制備成本較低。
附圖說(shuō)明
圖1為本發(fā)明制備的莫來(lái)石外涂層斷面的SEM圖;圖中虛線(xiàn)右側(cè)為C/C復(fù)合材料、虛線(xiàn)左側(cè)包括與C/C復(fù)合材料鄰接的內(nèi)涂層(SiC)以及外涂層(莫來(lái)石涂層,Mullite coating)。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說(shuō)明。
本發(fā)明利用莫來(lái)石前驅(qū)體液在有SiC涂層的碳/碳復(fù)合材料表面反應(yīng)生成了莫來(lái)石抗氧化外涂層。
前驅(qū)體液是介于莫來(lái)石懸浮液和混合溶液之間的液體,在電磁感應(yīng)加熱時(shí)可以更快的在材料表面形成莫來(lái)石,縮短電磁感應(yīng)加熱的時(shí)間。
本發(fā)明在制備莫來(lái)石抗氧化外涂層中使用了電磁感應(yīng)加熱,電磁感應(yīng)加熱法其特點(diǎn)首先是加熱速率快,電磁感應(yīng)使得碳/碳基體內(nèi)部產(chǎn)生渦流,切割磁感線(xiàn)產(chǎn)生了大量的熱。使得懸浮顆??梢栽谔?碳基體表面反應(yīng),同時(shí)體系中產(chǎn)生的局部高溫高壓可以有效降低Na2SiO3(硅酸鈉)和Al(NO3)3(硝酸鋁)懸浮粒子的反應(yīng)激活能,使得其在電磁感應(yīng)加熱沉積過(guò)程中反應(yīng)更完全和充分,從而獲得結(jié)構(gòu)致密的莫來(lái)石涂層。其次,沉積過(guò)程是非直線(xiàn)過(guò)程,可以在形狀復(fù)雜或表面多孔的基體表面形成均勻的沉積層,并能精確控制涂層成分、厚度和孔隙率,使得簡(jiǎn)單高效制備多相復(fù)合涂層和梯度功能化陶瓷涂層成為可能;另外本發(fā)明通過(guò)循環(huán)液體對(duì)基體的持續(xù)沖擊,避免了傳統(tǒng)靜態(tài)沉積法制備的涂層結(jié)合力不強(qiáng)的缺點(diǎn),并可以提高涂層結(jié)構(gòu)致密性。
為了結(jié)合電磁感應(yīng)加熱法與循環(huán)液體對(duì)基體的持續(xù)沖擊的優(yōu)勢(shì),本發(fā)明利用一個(gè)管狀容器(直徑2.5cm)的內(nèi)部空間放置待制備外涂層的試樣,管狀容器外壁固定電磁感應(yīng)加熱儀的加熱線(xiàn)圈,從而實(shí)現(xiàn)將試樣置于加熱線(xiàn)圈內(nèi)的目的。另外,將管狀容器、盛放莫來(lái)石前驅(qū)體液的容器通過(guò)管路連接,并通過(guò)抽水泵使莫來(lái)石前驅(qū)體液可以在管狀容器與盛放莫來(lái)石前驅(qū)體液的容器之間循環(huán)流動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)莫來(lái)石前驅(qū)體液對(duì)基體的沖刷(沖擊)。
實(shí)施例1:
1)選取市售Na2SiO3粉體(AR),經(jīng)過(guò)50h的無(wú)水乙醇濕法間歇球磨,在80℃下烘箱中干燥4h,使Na2SiO3粉體平均粒徑控制在100~300μm;選取市售Al(NO3)3粉體(AR),經(jīng)過(guò)40h的無(wú)水乙醇濕法間歇球磨,在80℃下烘箱中干燥4h,使Al(NO3)3粉體平均粒徑控制在300~500μm。
2)以平均粒徑為100~300μm的Na2SiO3粉體及平均粒徑為300~500μm的Al(NO3)3粉體為原料,將0.432mol Na2SiO3粉體與1.296mol Al(NO3)3粉體(摩爾比1:3)加入到燒杯中,再將1200mL的蒸餾水倒入燒杯;再將燒杯放入超聲波發(fā)生器中震蕩100min,超聲波發(fā)生器功率控制在850W;取出后放入磁轉(zhuǎn)子,放置在磁力攪拌器上攪拌10h,配制成濃度為0.18mol/L(以莫來(lái)石計(jì)算,下同)的莫來(lái)石前驅(qū)體液。
3)經(jīng)過(guò)步驟2)后,將抽水泵放入盛有莫來(lái)石前驅(qū)體液的燒杯中,抽水泵功率控制在40W;將帶有SiC涂層的碳/碳復(fù)合材料試樣(SiC-C/C試樣)放在電磁感應(yīng)加熱儀的加熱線(xiàn)圈內(nèi),并打開(kāi)電磁感應(yīng)加熱儀的電源;打開(kāi)抽水泵,使得莫來(lái)石前驅(qū)體液流通過(guò)SiC-C/C試樣并構(gòu)成循環(huán)。
4)打開(kāi)電磁感應(yīng)加熱儀加熱開(kāi)關(guān),加熱時(shí)間控制在250min,電流強(qiáng)度控制在450A;電磁感應(yīng)加熱結(jié)束后關(guān)閉電磁感應(yīng)加熱儀,并關(guān)閉抽水泵;使試樣自然冷卻到室溫。
5)取出試樣,然后將其放入電熱鼓風(fēng)干燥箱中,在70℃下干燥4h,即可得到莫來(lái)石外涂層保護(hù)的SiC-C/C試樣。
實(shí)施例2:
1)選取市售Na2SiO3粉體(AR),經(jīng)過(guò)50h的無(wú)水乙醇濕法間歇球磨,在80℃下烘箱中干燥4h,使Na2SiO3粉體平均粒徑控制在100~300μm;選取市售Al(NO3)3粉體(AR),經(jīng)過(guò)40h的無(wú)水乙醇濕法間歇球磨,在80℃下烘箱中干燥4h,使Al(NO3)3粉體平均粒徑控制在300~500μm。
2)以平均粒徑為100~300μm的Na2SiO3粉體及平均粒徑為300~500μm的Al(NO3)3粉體為原料,將0.288mol Na2SiO3粉體與0.864mol Al(NO3)3粉體加入到燒杯中,再將1200mL的蒸餾水倒入燒杯;再將燒杯放入超聲波發(fā)生器中震蕩100min,超聲波發(fā)生器功率控制在800W;取出后放入磁轉(zhuǎn)子,放置在磁力攪拌器上攪拌10h,配制成濃度為0.12mol/L的莫來(lái)石前驅(qū)體液。
3)經(jīng)過(guò)步驟2)后,將抽水泵放入盛有莫來(lái)石前驅(qū)體液的燒杯中,抽水泵功率控制在35W;將帶有SiC涂層的碳/碳復(fù)合材料試樣(SiC-C/C試樣)放在電磁感應(yīng)加熱儀的加熱線(xiàn)圈內(nèi),并打開(kāi)電磁感應(yīng)加熱儀的電源;打開(kāi)抽水泵,使得莫來(lái)石前驅(qū)體液流通過(guò)SiC-C/C試樣并構(gòu)成循環(huán)。
4)打開(kāi)電磁感應(yīng)加熱儀加熱開(kāi)關(guān),加熱時(shí)間控制在300min,電流強(qiáng)度控制在400A;電磁感應(yīng)加熱結(jié)束后關(guān)閉電磁感應(yīng)加熱儀,并關(guān)閉抽水泵;使試樣自然冷卻到室溫。
5)取出試樣,然后將其放入電熱鼓風(fēng)干燥箱中,在60℃下干燥4h,即可得到莫來(lái)石外涂層保護(hù)的SiC-C/C試樣。
實(shí)施例3:
1)選取市售Na2SiO3粉體(AR),經(jīng)過(guò)50h的無(wú)水乙醇濕法間歇球磨,在80℃下烘箱中干燥4h,使Na2SiO3粉體平均粒徑控制在100~300μm;選取市售Al(NO3)3粉體(AR),經(jīng)過(guò)40h的無(wú)水乙醇濕法間歇球磨,在80℃下烘箱中干燥4h,使Al(NO3)3粉體平均粒徑控制在300~500μm。
2)以平均粒徑為100~300μm的Na2SiO3粉體及平均粒徑為300~500μm的Al(NO3)3粉體為原料,將0.672mol Na2SiO3粉體與2.016mol Al(NO3)3粉體加入到燒杯中,再將1200mL的蒸餾水倒入燒杯;再將燒杯放入超聲波發(fā)生器中震蕩120min,超聲波發(fā)生器功率控制在900W;取出后放入磁轉(zhuǎn)子,放置在磁力攪拌器上攪拌12h,配制成濃度為0.28mol/L的莫來(lái)石前驅(qū)體液。
3)經(jīng)過(guò)步驟2)后,將抽水泵放入盛有莫來(lái)石前驅(qū)體液的燒杯中,抽水泵功率控制在50W;將帶有SiC涂層的碳/碳復(fù)合材料試樣(SiC-C/C試樣)放在電磁感應(yīng)加熱儀的加熱線(xiàn)圈內(nèi),并打開(kāi)電磁感應(yīng)加熱儀的電源;打開(kāi)抽水泵,使得莫來(lái)石前驅(qū)體液流通過(guò)SiC-C/C試樣并構(gòu)成循環(huán)。
4)打開(kāi)電磁感應(yīng)加熱儀加熱開(kāi)關(guān),加熱時(shí)間控制在150min,電流強(qiáng)度控制在500A;電磁感應(yīng)加熱結(jié)束后關(guān)閉電磁感應(yīng)加熱儀,并關(guān)閉抽水泵;使試樣自然冷卻到室溫。
5)取出試樣,然后將其放入電熱鼓風(fēng)干燥箱中,在80℃下干燥4h,即可得到莫來(lái)石外涂層保護(hù)的SiC-C/C試樣。
實(shí)施例4:
1)選取市售Na2SiO3粉體(AR),經(jīng)過(guò)50h的無(wú)水乙醇濕法間歇球磨,在80℃下烘箱中干燥4h,使Na2SiO3粉體平均粒徑控制在100~300μm;選取市售Al(NO3)3粉體(AR),經(jīng)過(guò)40h的無(wú)水乙醇濕法間歇球磨,在80℃下烘箱中干燥4h,使Al(NO3)3粉體平均粒徑控制在300~500μm。
2)以平均粒徑為100~300μm的Na2SiO3粉體及平均粒徑為300~500μm的Al(NO3)3粉體為原料,將0.6mol Na2SiO3粉體與1.8mol Al(NO3)3粉體加入到燒杯中,再將1200mL的蒸餾水倒入燒杯;再將燒杯放入超聲波發(fā)生器中震蕩110min,超聲波發(fā)生器功率控制在900W;取出燒杯后放入磁轉(zhuǎn)子,放置在磁力攪拌器上攪拌11h,配制成濃度為0.25mol/L的莫來(lái)石前驅(qū)體液。
3)經(jīng)過(guò)步驟2)后,將抽水泵放入盛有莫來(lái)石前驅(qū)體液的燒杯中,抽水泵功率控制在45W;將帶有SiC涂層的碳/碳復(fù)合材料試樣(SiC-C/C試樣)放在電磁感應(yīng)加熱儀的加熱線(xiàn)圈內(nèi),并打開(kāi)電磁感應(yīng)加熱儀的電源;打開(kāi)抽水泵,使得莫來(lái)石前驅(qū)體液流通過(guò)SiC-C/C試樣并構(gòu)成循環(huán)。
4)打開(kāi)電磁感應(yīng)加熱儀加熱開(kāi)關(guān),加熱時(shí)間控制在200min,電流強(qiáng)度控制在500A;電磁感應(yīng)加熱結(jié)束后關(guān)閉電磁感應(yīng)加熱儀,并關(guān)閉抽水泵;使試樣自然冷卻到室溫。
5)取出試樣,然后將其放入電熱鼓風(fēng)干燥箱中,在75℃下干燥4h,即可得到莫來(lái)石外涂層保護(hù)的SiC-C/C試樣。
實(shí)施例5:
1)選取市售Na2SiO3粉體(AR),經(jīng)過(guò)50h的無(wú)水乙醇濕法間歇球磨,在80℃下烘箱中干燥4h,使Na2SiO3粉體平均粒徑控制在100~300μm;選取市售Al(NO3)3粉體(AR),經(jīng)過(guò)40h的無(wú)水乙醇濕法間歇球磨,在80℃下烘箱中干燥4h,使Al(NO3)3粉體平均粒徑控制在300~500μm。
2)以平均粒徑為100~300μm的Na2SiO3粉體及平均粒徑為300~500μm的Al(NO3)3粉體為原料,將0.72mol Na2SiO3粉體與2.16mol Al(NO3)3粉體加入到燒杯中,再將1200mL的蒸餾水倒入燒杯;再將燒杯放入超聲波發(fā)生器中震蕩120min,超聲波發(fā)生器功率控制在1000W;取出燒杯后放入磁轉(zhuǎn)子,放置在磁力攪拌器上攪拌12h,配制成濃度為0.3mol/L的莫來(lái)石前驅(qū)體液。
3)經(jīng)過(guò)步驟2)后,將抽水泵放入盛有莫來(lái)石前驅(qū)體液的燒杯中,抽水泵功率控制在55W;將帶有SiC涂層的碳/碳復(fù)合材料試樣(SiC-C/C試樣)放在電磁感應(yīng)加熱儀的加熱線(xiàn)圈內(nèi),并打開(kāi)電磁感應(yīng)加熱儀的電源;打開(kāi)抽水泵,使得莫來(lái)石前驅(qū)體液流通過(guò)SiC-C/C試樣并構(gòu)成循環(huán)。
4)打開(kāi)電磁感應(yīng)加熱儀加熱開(kāi)關(guān),加熱時(shí)間控制在100min,電流強(qiáng)度控制在550A;電磁感應(yīng)加熱結(jié)束后關(guān)閉電磁感應(yīng)加熱儀,并關(guān)閉抽水泵;使試樣自然冷卻到室溫。
5)取出試樣,然后將其放入電熱鼓風(fēng)干燥箱中,在80℃下干燥5h,即可得到莫來(lái)石外涂層保護(hù)的SiC-C/C試樣。
X射線(xiàn)衍射數(shù)據(jù)表明,本發(fā)明采用電磁感應(yīng)加熱法(結(jié)合循環(huán)液體對(duì)SiC-C/C的持續(xù)沖擊)制備出的致密涂層為莫來(lái)石外涂層。該莫來(lái)石外涂層保護(hù)的SiC-C/C試樣的斷面參見(jiàn)圖1,可以看出外涂層厚度均勻,大約50~60μm且與SiC-C/C試樣結(jié)合緊密(SiC為內(nèi)涂層)。本發(fā)明制備的莫來(lái)石外涂層具有高溫長(zhǎng)時(shí)間抗氧化性能,可以在1773K氣流沖刷狀態(tài)下高溫持續(xù)抗氧化較長(zhǎng)時(shí)間(150小時(shí)),對(duì)拓展C/C復(fù)合材料在高溫領(lǐng)域的應(yīng)用有重要意義。此外,本發(fā)明具有操作簡(jiǎn)單方便、成本低、沉積工藝易控制等特點(diǎn)。