用于Cf/SiC復(fù)合材料的防沉積抗氧化涂層的制作方法

文檔序號：12882050閱讀：981來源：國知局

導(dǎo)航： X技術(shù)> 最新專利>無機化學(xué)及其化合物制造及其合成,應(yīng)用技術(shù)

本發(fā)明涉及一種用于cf/sic復(fù)合材料的防沉積抗氧化涂層，屬于特種陶瓷涂層技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

航空航天和國防高新技術(shù)的發(fā)展對高溫結(jié)構(gòu)材料提出了新的要求，世界軍事強國都在迫切尋找能替代已不能適應(yīng)新要求的金屬及金屬合金的材料。先進陶瓷基復(fù)合材料(cmcs)作為一種新型高技術(shù)材料，具有耐高溫、抗沖刷、抗腐蝕、高強輕質(zhì)等優(yōu)異性能。國外cmcs的研究主要集中在美國、法國、德國和日本等先進國家，已開發(fā)出cf/sic、sic/sic、c/al2o3、c/si3n4等多種體系，其中，cf/sic已被美、德、法等國證明為最具應(yīng)用前景的cmcs材料。cf/sic也是迄今研究最為深入，開發(fā)應(yīng)用最為廣泛的一類陶瓷基復(fù)合材料。目前，與cf/sic復(fù)合材料相關(guān)的原材料、微結(jié)構(gòu)設(shè)計、制備工藝、結(jié)構(gòu)性能表征以及破壞機理等多方面的基礎(chǔ)研究已成為當(dāng)前復(fù)合材料學(xué)科研究的熱點。

cf/sic復(fù)合材料結(jié)合了碳纖維和碳化硅陶瓷的諸多優(yōu)點。目前，cf/sic復(fù)合材料在戰(zhàn)略武器、空間技術(shù)、能源技術(shù)、化工、交通工業(yè)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。美國、法國、日本等發(fā)達國家已成功將cf/sic復(fù)合材料應(yīng)用于空間推進系統(tǒng)和航天飛行器熱防護等領(lǐng)域。cf/sic復(fù)合材料在高溫下具有足夠的強度，并且具有良好的抗氧化性能和抗熱震性能，因而極其適合作為空間推進系統(tǒng)材料。cf/sic復(fù)合材料應(yīng)用于空間推進系統(tǒng)可以減輕30-50％的重量，并且允許工作溫度更高，從而提高推進系統(tǒng)的比沖。發(fā)達國家在80年代開始探索使用cf/sic復(fù)合材料代替鈮合金制備衛(wèi)星用姿控、軌控液體火箭發(fā)動機的推力室，近年來陸續(xù)進行了地面試車，并進入實用階段。使用cf/sic復(fù)合材料推力室可以大幅度降低燃燒室-噴管結(jié)構(gòu)質(zhì)量，并大量節(jié)省推進劑，從而提高沖質(zhì)比，增加衛(wèi)星的有效載荷和延長在空間的工作壽命。美國一直十分重視發(fā)展以cf/sic為代表的陶瓷基復(fù)合材料推力室。hyper-thermhtcinc.在usafphillipslaboratory的支持下，成功研制出cf/sic陶瓷基復(fù)合材料發(fā)動機推力室。歐洲以sep公司采用icvi工藝成功研制出cf/sic復(fù)合材料噴管，并完成兩次高空點火試車。日本yamaguchi、muarata等在美國申請專利，介紹了日本cf/sic復(fù)合材料推力室方面的研制工作。他們采用cvi結(jié)合pip工藝制備出cf/sic復(fù)合材料推力室，并進行了發(fā)動機點火試驗。

國防科技大學(xué)采用pip工藝制備的cf/sic復(fù)合材料推力室于2005年成功通過室壓3mpa、燃氣溫度達3000k的液體火箭發(fā)動機熱試車考核，產(chǎn)品穩(wěn)態(tài)工作時間達到520s，取得國內(nèi)復(fù)合材料高室壓推力室研制工作的歷史性突破，產(chǎn)品性能達到國際先進水平，并在此基礎(chǔ)上，開展了不同使用工況的cf/sic復(fù)合材料推力室的研制，目前已實現(xiàn)小批量生產(chǎn)與應(yīng)用。

我國為了進一步提高戰(zhàn)斗機的作戰(zhàn)半徑和導(dǎo)彈武器的效能，在多個導(dǎo)彈型號都提出了采用固體火箭沖壓發(fā)動機的方案。為適應(yīng)新一代導(dǎo)彈技術(shù)的要求，固體火箭沖壓發(fā)動機所用的推進劑將向高能化方向發(fā)展，添加金屬燃料是高能推進劑當(dāng)前的一個重要發(fā)展方向。富燃料推進劑含有較多的金屬顆粒，在燃氣發(fā)生器中由于缺氧和低溫而不可能充分點火燃燒，因此，含有大量金屬顆粒的富燃燃氣是在補燃室中與空氣摻混完成燃燒的，而沒有燃燒的金屬顆粒、少量的金屬氧化物會在燃燒室表面形成“沉積層”，從而影響燃氣的充分燃燒，導(dǎo)致發(fā)動機的燃燒效率降低，因此，防止富燃料推進劑沉積是一項關(guān)鍵技術(shù)，由于燃燒室中的環(huán)境為高溫富氧，且有固體粒子沖刷，因此，發(fā)動機材料還要求具有耐高溫、耐燒蝕、抗熱震、抗沖刷的性能。目前，從地面試驗來看，在喉道和噴管部位存在固體粒子沉積的問題，容易造成堵塞甚至發(fā)動機?；?，不能滿足固體火箭沖壓發(fā)動機的要求。

因此研制一種耐高溫、抗氧化、防沉積的新型結(jié)構(gòu)材料或涂層，是滿足固體火箭沖壓發(fā)動機的需求，進而滿足國家新一代導(dǎo)彈研制的需要最有效的途徑。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為克服現(xiàn)有技術(shù)中的問題，本發(fā)明的目的是提供一種用于cf/sic復(fù)合材料的防沉積抗氧化涂層，具有制備工藝簡單、制作成本低的特點。

本發(fā)明所述的用于cf/sic復(fù)合材料的防沉積抗氧化涂層由zrb2、sic、b2o3和酸性硅溶膠制成，其中：

zrb2、sic、b2o3的體積比為8-12:2-4:1-2，優(yōu)選地，zrb2、sic、b2o3的體積比為8:2:1，更優(yōu)選地，zrb2、sic、b2o3的體積比為8:3:1。

酸性硅溶膠的質(zhì)量與zrb2、sic和b2o3三者的總質(zhì)量之比為2-3:1；

所述涂層的制備方法包括以下步驟：

a、將配比量的zrb2、sic和b2o3混勻，然后加入酸性硅溶膠，攪拌均勻后置于球磨罐中進行球磨，得到料漿；其中，zrb2、sic、b2o3和酸性硅溶膠均為市售產(chǎn)品；

b、將cf/sic復(fù)合材料構(gòu)件置于蒸餾水中超聲清洗，經(jīng)烘箱烘干后備用；

c、將步驟a中得到的料漿噴涂于cf/sic復(fù)合材料構(gòu)件表面，烘干后于氬氣氣氛下進行升溫并保溫，得到表面帶有防沉積抗氧化涂層的cf/sic復(fù)合材料。

其中，優(yōu)選地技術(shù)方案如下：

球磨時間為12-16h；

涂層厚度為100-200μm；

升溫速率為5-10℃/min，升溫溫度為800-900℃。

保溫時間為1-1.5h。

本發(fā)明中：

b2o3具有很低的熔點(450℃)，高的蒸汽壓和低的氧擴散速率，同時zrb2在1000℃開始氧化生成b2o3和zro2，在1100-1200℃以下形成的部分連續(xù)的玻璃保護層，能夠起到很好的氧化保護作用；1200℃開始sic開始氧化生成sio2，并與b2o3、zro2結(jié)合生成硼硅玻璃和zrsio4，zrsio4的穩(wěn)定溫度為1949k，高于這個溫度這種液相轉(zhuǎn)化為方石英-四方zro2的新液相，這種新液相到2400k還能起到保護作用，整個過程中生成的zro2網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)所起到的釘樁作用又能很好的阻止液相玻璃層的機械剝蝕，這也是該涂層的抗氧化機理。而該涂層的防沉積特性主要源于兩方面的原因，在貧氧區(qū)由于金屬鐵、鋁、鎂等未燃燒完全的金屬與非金屬的zrb2/sic/b2o3存在著大于100°的浸潤角夾角，難以附著；在富氧區(qū)域復(fù)合材料表面形成氧化液膜，金屬氧化物在氣流沖刷下難以附著。因此，zrb2/sic/b2o3材料體系具有良好的防沉積和抗氧化性能。

本發(fā)明的有益效果如下：

本發(fā)明的涂層采用zrb2/sic/b2o3材料體系，中高溫下會產(chǎn)生協(xié)同抗氧化效應(yīng)和荷葉疏水效應(yīng)，具有良好的防沉積抗氧化性能，同時具有制備周期短，成本低的特點。

附圖說明

圖1是實施例1得到的涂層的sem照片。

具體實施方式

以下結(jié)合實施例對本發(fā)明做進一步描述。

實施例1

(1)取市售的zrb2粉、sic粉、b2o3粉，按照zrb2:sic:b2o3＝8:2:1的體積比混合得到粉料a；