CN101386551B - 碳/碳复合材料纳米碳化硅-硅化钼复合涂层的制备方法 - Google Patents
碳/碳复合材料纳米碳化硅-硅化钼复合涂层的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
碳/碳复合材料纳米碳化硅—硅化钼复合涂层的制备方法，首先将碳化硅粉体、MoSi2粉体与异丙醇混合超声震荡、磁力搅拌得到悬浮液A；向悬浮液A中加入碘单质，超声震荡、磁力搅拌制得溶液B；将溶液B倒入水热反应釜中，然后将带有SiC内涂层的碳/碳复合材料试样夹在水热釜内的阴极夹上，将水热釜放入烘箱中；水热电泳结束后自然冷却到室温；取出试样，干燥即得最终产物纳米碳化硅外涂层保护的碳/碳复合材料。采用本发明的制备方法能够快速地制备表面均匀无微裂纹产生，厚度均一无贯穿裂纹和微孔的外涂层。由于反应在水热釜中一次完成，不需要后期热处理，且工艺设备简单，所得纳米碳化硅—硅化钼复合外涂层致密均匀，反应周期短，成本低。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合涂层的制备方法，具体涉及一种碳/碳复合材料纳米碳化硅—硅化钼复合涂层的制备方法
背景技术
近年来碳/碳(碳/碳)复合材料逐渐成为人们研究的热点。由于碳/碳复合材料热膨胀系数低、密度低、耐烧蚀、耐腐蚀、摩擦系数稳定、导热导电性能好和高强度、高模量等特点，特别是随温度升高力学性能不降反升的特性，因此其被应用于航空、航天及民用工业领域。然而，它的许多上述性质只有在惰性气氛下或者是低于450℃的条件下才能保持，氧化失重将使得碳/碳复合材料的力学性能明显下降，从而限制了其作为高温耐火材料在氧化气氛下的广泛应用。因此，解决碳/碳复合材料高温氧化防护问题是充分利用其性能的前提。
抗氧化涂层被认为是解决碳/碳复合材料高温氧化防护问题的有效方法，但是单一的涂层很难有效的长时间的保护碳/碳复合材料免受氧化。多层复合涂层可以长时间的保护碳/碳复合材料，所以成为了人们研究的热点。在过渡层中，由于SiC与碳/碳复合材料具有良好的物理化学相容性，所以被普遍采用。而作外涂层的材料和制备方法多种多样。MoSi2具有优异的高温稳定性和抗氧化性能，具有1800℃氧化气氛下的高温稳定性。但由于MoSi2与用包埋法制备的SiC内涂层热膨胀系数的差异，不能将MoSi2直接作为外涂层材料。
到目前为止外涂层的制备方法多种多样，主要有以下几种：溶胶-凝胶法，包埋法，化学气相沉积，原位成型，熔浆涂覆反应等。采用溶胶凝胶法制备的外涂层表面容易开裂并且涂层厚度不足的缺点[HuangJian-Feng，Zeng Xie-Rong，Li He-Jun，Xiong Xin-Bo，Sun Guo-ling.Surf.coat.Technol.2005，190，255.]，采用包埋法制备的碳化硅涂层有于表面存在较大的应力，所以也容易出现表面开裂的现象[Fu Qian-Gang，Li He-Jun，Shi Xiao-Hong，Li Ke-Zhi，Sun Guo-Dong.Scripta Mater.2005，52，923.]，而原位成型法制备的涂层需要在1500℃下高温处理，且不能一次制备完成[Huang Jian-Feng，Li He-Jun，Zeng Xie-Rong，LiKe-Zhi.Surf.coat.Technol.2006，200，5379.]，同样采用熔浆涂覆反应法制备涂层仍然存要多次涂刷不能一次制备完成，需要后期热处理的弊端[Huang Min，Li Ke-Zhi，Li He-Jun，Fu Qian-Gang，Sun Guo-Dong.Carbon.2007，45，1105.]。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种不仅制备成本低，而且操作简单、制备周期短不需要后期热处理的碳/碳复合材料纳米碳化硅—硅化钼复合涂层的制备方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
1)选市售平均粒度为40nm的碳化硅粉体，粒度为180目的MoSi2粉体，纯度≥99.7％的单质碘和纯度≥99.8％的异丙醇为原料，首先将0.5g～1.0g的碳化硅粉体和0.1～0.3g的MoSi2粉体加入到锥形瓶中，再将100～300ml的异丙醇倒入锥形瓶中制成悬浮液，再将悬浮液放入200～300W的超声波发生器中震荡30～60min，在磁力搅拌器上搅拌12～24h得到悬浮液A；
2)向悬浮液A中加入0.05～0.4g的碘单质，放入200～300W的超声波发生器中震荡30～60min，取出后放在磁力搅拌器上搅拌12～24h，所得溶液B；
3)将上述溶液B倒入水热反应釜中，填充度控制在65～70％；然后将带有SiC内涂层的碳/碳复合材料试样夹在水热釜内的阴极夹上，把水热釜放入烘箱中；将水热釜的正负极分别接到恒压电源相应的两极上，水热温度控制在80～300℃，电泳时间控制在5～60min，电源电压控制在120～230V，水热电泳结束后自然冷却到室温；
4)打开水热釜，取出试样，然后将其放入电热鼓风干燥箱中在80～100℃下干燥2～4h，即得最终产物碳/碳复合材料纳米碳化硅—硅化钼复合涂层。
采用本发明的制备方法能够快速地制备表面均匀无微裂纹产生，厚度均一无贯穿裂纹和微孔的外涂层。由于反应在水热釜中一次完成，不需要后期热处理，且工艺设备简单，所得纳米碳化硅—硅化钼复合外涂层致密均匀，反应周期短，成本低，制备的纳米碳化硅—硅化钼复合外涂层可在1500℃静态空气中保护C/C复合材料500小时，氧化失重仅0.6％。
附图说明
图1为本发明制备纳米碳化硅—硅化钼复合外涂层表面(XRD)图谱，其中横坐标为衍射角2θ，单位为°；纵坐标为衍射峰强度，单位为a.u.；
图2为本发明在水热温度120℃，电泳沉积电压210V下制备的碳/碳复合材料纳米碳化硅—硅化钼复合外涂层表面的扫描电镜(SEM)照片；
图3为本发明在水热温度120℃，电泳沉积电压210V下制备的碳/碳复合材料纳米碳化硅—硅化钼复合外涂层的断面扫面电镜(SEM)照片。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1：选市售平均粒度为40nm的碳化硅粉体，粒度为180目的MoSi2粉体，纯度≥99.7％的单质碘和纯度≥99.8％的异丙醇为原料，首先将1g的碳化硅粉体和0.25g的MoSi2粉体加入到锥形瓶中，再将150ml的异丙醇倒入锥形瓶中制成悬浮液，再将悬浮液放入200W的超声波发生器中震荡30min，在磁力搅拌器上搅拌12h得到悬浮液A；向悬浮液A中加入0.2g的碘单质，放入200W的超声波发生器中震荡30min，取出后放在磁力搅拌器上搅拌12h，所得溶液B；将上述溶液B倒入水热反应釜中，填充度控制在70％；然后将带有SiC内涂层的碳/碳复合材料试样夹在水热釜内的阴极夹上，把水热釜放入烘箱中；将水热釜的正负极分别接到恒压电源相应的两极上，水热温度控制在120℃，电泳时间控制在15min，电源电压控制在210V，水热电泳结束后自然冷却到室温；打开水热釜，取出试样，然后将其放入电热鼓风干燥箱中在80℃下干燥2h，即得最终产物碳/碳复合材料纳米碳化硅—硅化钼复合涂层。
将所得的纳米碳化硅—硅化钼复合外涂层试样用日本理学D/max2000PC X-射线衍射仪分析样品，发现涂层所得图谱为碳化硅和二硅化钼衍射峰(图1)。将样品的表面断面用荷兰FEI公司生产的FEI-QUANTA400型扫面电子显微镜进行观察进行观察，从照片(图2)可以看出所制备涂层表面的形貌：表面均一、致密没有微裂纹产生，断面(图3)图可看出致密厚度均匀且没有贯穿性裂纹的纳米碳化硅—硅化钼复合外涂层被制备出来。
实施例2：选市售平均粒度为40nm的碳化硅粉体，粒度为180目的MoSi2粉体，纯度≥99.7％的单质碘和纯度≥99.8％的异丙醇为原料，首先将0.8g的碳化硅粉体和0.1g的MoSi2粉体加入到锥形瓶中，再将230ml的异丙醇倒入锥形瓶中制成悬浮液，再将悬浮液放入250W的超声波发生器中震荡50min，在磁力搅拌器上搅拌18h得到悬浮液A；向悬浮液A中加入0.05g的碘单质，放入250W的超声波发生器中震荡50min，取出后放在磁力搅拌器上搅拌18h，所得溶液B；将上述溶液B倒入水热反应釜中，填充度控制在68％；然后将带有SiC内涂层的碳/碳复合材料试样夹在水热釜内的阴极夹上，把水热釜放入烘箱中；将水热釜的正负极分别接到恒压电源相应的两极上，水热温度控制在80℃，电泳时间控制在30min，电源电压控制在180V，水热电泳结束后自然冷却到室温；打开水热釜，取出试样，然后将其放入电热鼓风干燥箱中在90℃下干燥3h，即得最终产物碳/碳复合材料纳米碳化硅—硅化钼复合涂层。
实施例3：选市售平均粒度为40nm的碳化硅粉体，粒度为180目的MoSi2粉体，纯度≥99.7％的单质碘和纯度≥99.8％的异丙醇为原料，首先将0.5g的碳化硅粉体和0.15g的MoSi2粉体加入到锥形瓶中，再将100ml的异丙醇倒入锥形瓶中制成悬浮液，再将悬浮液放入300W的超声波发生器中震荡40min，在磁力搅拌器上搅拌15h得到悬浮液A；向悬浮液A中加入0.3g的碘单质，放入300W的超声波发生器中震荡40min，取出后放在磁力搅拌器上搅拌15h，所得溶液B；将上述溶液B倒入水热反应釜中，填充度控制在65％；然后将带有SiC内涂层的碳/碳复合材料试样夹在水热釜内的阴极夹上，把水热釜放入烘箱中；将水热釜的正负极分别接到恒压电源相应的两极上，水热温度控制在180℃，电泳时间控制在50min，电源电压控制在150V，水热电泳结束后自然冷却到室温；打开水热釜，取出试样，然后将其放入电热鼓风干燥箱中在100℃下干燥4h，即得最终产物碳/碳复合材料纳米碳化硅—硅化钼复合涂层。
实施例4：选市售平均粒度为40nm的碳化硅粉体，粒度为180目的MoSi2粉体，纯度≥99.7％的单质碘和纯度≥99.8％的异丙醇为原料，首先将0.9g的碳化硅粉体和0.2g的MoSi2粉体加入到锥形瓶中，再将280ml的异丙醇倒入锥形瓶中制成悬浮液，再将悬浮液放入280W的超声波发生器中震荡60min，在磁力搅拌器上搅拌20h得到悬浮液A；向悬浮液A中加入0.1g的碘单质，放入280W的超声波发生器中震荡60min，取出后放在磁力搅拌器上搅拌20h，所得溶液B；将上述溶液B倒入水热反应釜中，填充度控制在69％；然后将带有SiC内涂层的碳/碳复合材料试样夹在水热釜内的阴极夹上，把水热釜放入烘箱中；将水热釜的正负极分别接到恒压电源相应的两极上，水热温度控制在250℃，电泳时间控制在5min，电源电压控制在120V，水热电泳结束后自然冷却到室温；打开水热釜，取出试样，然后将其放入电热鼓风干燥箱中在88℃下干燥2.5h，即得最终产物碳/碳复合材料纳米碳化硅—硅化钼复合涂层。
实施例5：选市售平均粒度为40nm的碳化硅粉体，粒度为180目的MoSi2粉体，纯度≥99.7％的单质碘和纯度≥99.8％的异丙醇为原料，首先将0.7g的碳化硅粉体和0.3g的MoSi2粉体加入到锥形瓶中，再将190ml的异丙醇倒入锥形瓶中制成悬浮液，再将悬浮液放入230W的超声波发生器中震荡45min，在磁力搅拌器上搅拌24h得到悬浮液A；向悬浮液A中加入0.4g的碘单质，放入230W的超声波发生器中震荡45min，取出后放在磁力搅拌器上搅拌24h，所得溶液B；将上述溶液B倒入水热反应釜中，填充度控制在67％；然后将带有SiC内涂层的碳/碳复合材料试样夹在水热釜内的阴极夹上，把水热釜放入烘箱中；将水热釜的正负极分别接到恒压电源相应的两极上，水热温度控制在200℃，电泳时间控制在20min，电源电压控制在230V，水热电泳结束后自然冷却到室温；打开水热釜，取出试样，然后将其放入电热鼓风干燥箱中在94℃下干燥3.5h，即得最终产物碳/碳复合材料纳米碳化硅—硅化钼复合涂层。
实施例6：选市售平均粒度为40nm的碳化硅粉体，粒度为180目的MoSi2粉体，纯度≥99.7％的单质碘和纯度≥99.8％的异丙醇为原料，首先将0.6g的碳化硅粉体和0.17g的MoSi2粉体加入到锥形瓶中，再将300ml的异丙醇倒入锥形瓶中制成悬浮液，再将悬浮液放入220W的超声波发生器中震荡35min，在磁力搅拌器上搅拌22h得到悬浮液A；向悬浮液A中加入0.15g的碘单质，放入220W的超声波发生器中震荡35min，取出后放在磁力搅拌器上搅拌22h，所得溶液B；将上述溶液B倒入水热反应釜中，填充度控制在66％；然后将带有SiC内涂层的碳/碳复合材料试样夹在水热釜内的阴极夹上，把水热釜放入烘箱中；将水热釜的正负极分别接到恒压电源相应的两极上，水热温度控制在300℃，电泳时间控制在60min，电源电压控制在200V，水热电泳结束后自然冷却到室温；打开水热釜，取出试样，然后将其放入电热鼓风干燥箱中在97℃下干燥3h，即得最终产物碳/碳复合材料纳米碳化硅—硅化钼复合涂层。
Claims (1)
1.碳/碳复合材料纳米碳化硅-硅化钼复合涂层的制备方法，其特征在于：
1)选市售平均粒度为40nm的碳化硅粉体，粒度为180目的MoSi2粉体，纯度≥99.7％的单质碘和纯度≥99.8％的异丙醇为原料，首先将0.5g～1.0g的碳化硅粉体和0.1～0.3g的MoSi2粉体加入到锥形瓶中，再将100～300ml的异丙醇倒入锥形瓶中制成悬浮液，再将悬浮液放入200～300W的超声波发生器中震荡30～60min，在磁力搅拌器上搅拌12～24h得到悬浮液A；
2)向悬浮液A中加入0.05～0.4g的碘单质，放入200～300W的超声波发生器中震荡30～60min，取出后放在磁力搅拌器上搅拌12～24h，所得溶液B；
3)将上述溶液B倒入水热反应釜中，填充度控制在65～70％；然后将带有SiC内涂层的碳/碳复合材料试样夹在水热反应釜内的阴极夹上，把水热反应釜放入烘箱中；将水热反应釜的正负极分别接到恒压电源相应的两极上，水热温度控制在80～300℃，电泳时间控制在5～60min，电源电压控制在120～230V，水热电泳结束后自然冷却到室温；
4)打开水热反应釜，取出试样，然后将其放入电热鼓风干燥箱中在80～100℃下干燥2～4h，即得最终产物碳/碳复合材料纳米碳化硅-硅化钼复合涂层。
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