CN102924122B - 碳/碳复合材料莫来石-C-AlPO4外涂层的制备方法 - Google Patents

碳/碳复合材料莫来石-C-AlPO4外涂层的制备方法 Download PDF

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Abstract

碳/碳复合材料莫来石-C-AlPO4外涂层的制备方法,将莫来石粉体和磷酸铝粉体加入丙酮中得悬浮液A;向悬浮液A中加入碘单质得溶液B;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,以石墨为阳极,将水热釜密封;再将水热釜的正负极分别接到脉冲直流稳压稳流电源相应的两极上,电弧放电沉积结束后自然冷却到室温;打开水热釜,取出试样,然后干燥得最终产物莫来石-C-AlPO4外涂层保护的SiC-C/C试样。本发明制备的外涂层厚度均一表面无裂纹,结晶细致、硬度高、孔隙率低,均匀性较好,有效降低了涂层的粗糙度,大大提高了涂层的耐烧蚀性,能在1600℃的氧化气氛下对C/C复合材料有效保护300小时,氧化失重小于1%。

Description

碳/碳复合材料莫来石-C-AlPO4外涂层的制备方法
技术领域
本发明涉及一种碳/碳复合材料外涂层的制备方法,具体涉及一种碳/碳复合材料莫来石-C-AlPO4外涂层的制备方法。 
背景技术
C/C复合材料又被称为碳纤维碳基复合材料,由于其只有单一的碳元素组成,不仅具有炭及石墨材料优异的耐烧蚀性能,低密度、热膨胀系数低等优点,而且高温下还有优异的力学性能。尤其是其强度随温度的增加不降反升的性能,使其成为发展前途的高技术新材料之一,被广泛用作航空和航天技术领域的烧蚀材料和热结构材料。但是,C/C复合材料有一个致命的弱点,即在高温氧化性气氛下极易氧化,使其力学性能随之下降大大地限制了C/C复合材料的应用范围,因此对其进行高温抗氧化防护对其高温应用具有重要的意义。 
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。SiC涂层由于与C/C复合材料的物理、化学相容性好而普遍作为过渡层使用,但是单一的SiC涂层不能对C/C基体提供有效的保护,因而复合涂层成为当前的研究热点。 
到目前为止,作为外涂层的材料有很多种,例如硅酸钇[Huang J F,Li H J,ZengX R,et al.A new SiC/yttrium silicate/glass multi-layer oxidation protective coatingfor carbon/carbon composites.Carbon,2004,42(11):2367-2370.]、SiC晶须增韧MoSi2-SiC-Si涂层[Fu Qian-Gang,Li He-Jun,Li Ke-Zhi,Shi Xiao-Hong,Hu Zhi-Biao,Huang Min,SiC whisker-toughened MoSi2-SiC-Si coating to protect carbon/carboncomposites against oxidation,Carbon.2006,44,1866.]、SiC-MoSi2-(Ti0.8Mo0.2)Si2复合 涂层[Jiao G S,Li H J,Li K Z,et al.SiC-MoSi2-(Ti0.8Mo0.2)Si2 multi-composition coatingfor carbon/carbon composites.Surf.Coat.Technol,2006,201(6):3452-3456.]等。莫来石陶瓷材料由于耐火度高、热震性好、体积稳定性好等性质而引起人们的重视,特别是其热膨胀系数和SiC十分接近,是理想的高级耐火材料。方石英型磷酸铝(C-AlPO4)具有热膨胀系数与SiC接近,并且可以充分地铺展在基体材料表面,封填基体材料表面的孔洞等缺陷的特性,并且到目前为止,用其作为抗氧化涂层的研究还很少见报道,因此C-AlPO4和莫来石的这些特性使得两者作为高温热障/热防护涂层材料具有良好的应用前景。到目前为止外涂层的制备方法多种多样,主要有以下几种:超临界态流体技术,化学气相沉积,包埋法,原位成型,溶胶-凝胶法,熔浆涂覆反应,***喷涂和超声波喷涂法等。采用超临界态流体技术来制备C/C复合材料涂层由于制备的工艺实施需要在高温高压下进行,对设备的要求较高,并且形成的外涂层要在惰性气氛下进行热处理,制备周期比较长[Bemeburg P L,Krukonis V J.Processing of carbon/carbon composites usingsupercritical fluid technology[P].United States Patent US 5035921,1991],采用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[HuangJian-Feng,Li He-Jun,Zeng Xie-Rong,Li Ke-Zhi.Surf.coat.Technol.2006,200,5379.],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.],而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[Fu Qian-Gang,Li He-Jun,Wang Yong-Jie,Li Ke-Zhi,Tao Jun.Surface & Coating Technology.2010,204,1832.],同样采用***喷涂和超声波喷涂法虽然已经制备出部分合金涂层,但是,该工艺还有很多不完善的地 方,所制备的高温防氧化性能尚需要进一步的提高[Terentieva V S,Bogachkova O P,Goriatcheva E V.Method for protecting products made of a refractory materialagainst oxidation,and resulting products[p].US 5677060,1997.]。 
发明内容
本发明的目的在于提供一种反应在水热釜中一次完成,不需要后期热处理,不仅制备成本低,而且操作简单、制备周期短的碳/碳复合材料莫来石-C-AlPO4外涂层的制备方法。 
为达到上述目的,本发明采用的技术方案是: 
1)取分析纯的磷酸铝粉体湿法球磨得到平均粒径为1-10μm的C-AlPO4粉体; 
2)取0.5-2.0g粒径为40nm-0.3μm的莫来石粉体和1.0-5.0g C-AlPO4粉体加入到锥形瓶中,再将300-1000ml的丙酮倒入锥形瓶中混合成悬浮液; 
再将悬浮液放入超声波发生器中震荡后,取出放入磁转子,放置在磁力搅拌器上搅拌得悬浮液A; 
3)向悬浮液A中加入0.3-30g碘单质,放入超声波发生器中震荡,取出后放在磁力搅拌器上搅拌得溶液B; 
4)将上述配制好的溶液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,以石墨为阳极,将水热釜密封;再将水热釜的正负极分别接到脉冲直流稳压稳流电源相应的两极上,脉冲电弧放电沉积时间控制在1-15min,脉冲电源的频率控制在200-5000HZ,电源电压控制在300-2000V,电弧放电沉积结束后自然冷却到室温; 
5)打开水热釜,取出试样,然后在80-100℃干燥得最终产物莫来石-C-AlPO4 外涂层保护的SiC-C/C试样。 
所述步骤1)的磷酸铝粉体经1300℃温度煅烧30min后湿法球磨。 
所述步骤2)、3)的超声波发生器的功率为300-800W,震荡时间为20-100min。 
所述的干燥采用电热鼓风干燥箱。 
由于脉冲电弧放电沉积法的特点首先是由于阴阳两极间的电弧放电,使沉积在基体表面的荷电颗粒产生烧结现象,从而获得结构致密的涂层。采用该法可避免采用传统高温涂覆而引起的相变和脆裂,在一定程度上解决涂层制备过程中对基体的热损伤;其次,沉积过程是非直线过程,可以在形状复杂或表面多孔的基体表面形成均匀的沉积层,并能精确控制涂层成分、厚度和孔隙率,使得简单高效制备多相复合涂层和梯度陶瓷涂层成为可能;另外脉冲电弧放电过程中,在脉冲导通期内,电化学极化增大,阴极区附近的阳离子被充分沉积,涂层的结晶细致、孔隙率低。在脉冲关断期内,阴极区域溶液中导电离子的质量浓度会得到不同程度的回升,溶液电阻率减小,有利于提高阴极电流效率和阴极电流密度使得沉积速率进一步加快并且悬浮液的分散性得到改善,所得的涂层的均匀性好。此外,脉冲电弧放电沉积法还具有操作简单方便、成本低、沉积工艺易控制等特点。 
有益的效果 
1)采用脉冲电弧放电沉积制得的莫来石-C-AlPO4复合外涂层厚度均一表面无裂纹。 
2)采用脉冲电弧放电沉积制得的莫来石-C-AlPO4复合外涂层结晶细致、硬度高、孔隙率低,均匀性较好,有效降低了涂层的粗糙度,大大提高了涂层的 耐烧蚀性。 
3)本发明制备简单,操作方便,原料易得,制备效率高,成本低。 
4)制备的复合涂层具有优良的抗氧化性能,能在1600℃的氧化气氛下对C/C复合材料有效保护300小时,氧化失重小于1%。 
附图说明
图1为本发明制备的莫来石-C-AlPO4复合外涂层保护的SiC-C/C试样的断面扫面电镜(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: 
1)取分析纯的磷酸铝粉体经1300℃温度煅烧30min后湿法球磨得到平均粒径为1-10μm的C-AlPO4粉体; 
2)取0.5g粒径为40nm-0.3μm的莫来石粉体(专利号:ZL 200910218827.9))和1g C-AlPO4粉体加入到锥形瓶中,再将300ml的丙酮倒入锥形瓶中混合成悬浮液; 
再将悬浮液A放入300W的超声波发生器中震荡100min后,取出放入磁转子,放置在磁力搅拌器上搅拌12-40h得悬浮液A; 
3)向悬浮液A中加入0.3g碘单质,放入300W的超声波发生器中震荡100、min后,取出放在磁力搅拌器上搅拌12-24h得溶液B; 
4)将上述配制好的溶液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,以石墨为阳极,将水热釜密封;再将水热釜的正负极分别接到脉冲直流稳压稳流电源相应的两 极上,脉冲电弧放电沉积时间控制在15min,脉冲电源的频率控制在200HZ,电源电压控制在300V,电弧放电沉积结束后自然冷却到室温; 
5)打开水热釜,取出试样,然后在电热鼓风干燥箱中于80℃干燥得最终产物莫来石-C-AlPO4外涂层保护的SiC-C/C试样。 
实施例2: 
1)取分析纯的磷酸铝粉体经1300℃温度煅烧30min后湿法球磨得到平均粒径为1-10μm的C-AlPO4粉体; 
2)取1.0g粒径为40nm-0.3μm的莫来石粉体(专利号:ZL 200910218827.9))和3.0g C-AlPO4粉体加入到锥形瓶中,再将500ml的丙酮倒入锥形瓶中混合成悬浮液; 
再将悬浮液A放入500W的超声波发生器中震荡60min后,取出放入磁转子,放置在磁力搅拌器上搅拌12-40h得悬浮液A; 
3)向悬浮液A中加入5g碘单质,放入500W的超声波发生器中震荡60min后,取出放在磁力搅拌器上搅拌12-24h得溶液B; 
4)将上述配制好的溶液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,以石墨为阳极,将水热釜密封;再将水热釜的正负极分别接到脉冲直流稳压稳流电源相应的两极上,脉冲电弧放电沉积时间控制在8min,脉冲电源的频率控制在1000HZ,电源电压控制在1000V,电弧放电沉积结束后自然冷却到室温; 
5)打开水热釜,取出试样,然后在电热鼓风干燥箱中于85℃干燥得最终产物莫来石-C-AlPO4外涂层保护的SiC-C/C试样。 
实施例3: 
1)取分析纯的磷酸铝粉体经1300℃温度煅烧30min后湿法球磨得到平均粒径为1-10μm的C-AlPO4粉体; 
2)取1.5g粒径为40nm-0.3μm的莫来石粉体(专利号:ZL 200910218827.9))和2.0g C-AlPO4粉体加入到锥形瓶中,再将700ml的丙酮倒入锥形瓶中混合成悬浮液; 
再将悬浮液A放入600W的超声波发生器中震荡70min后,取出放入磁转子,放置在磁力搅拌器上搅拌12-40h得悬浮液A; 
3)向悬浮液A中加入10.5g碘单质,放入600W的超声波发生器中震荡70min后,取出放在磁力搅拌器上搅拌12-24h得溶液B; 
4)将上述配制好的溶液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,以石墨为阳极,将水热釜密封;再将水热釜的正负极分别接到脉冲直流稳压稳流电源相应的两极上,脉冲电弧放电沉积时间控制在10min,脉冲电源的频率控制在3000HZ,电源电压控制在1500V,电弧放电沉积结束后自然冷却到室温; 
5)打开水热釜,取出试样,然后在电热鼓风干燥箱中于90℃干燥得最终产物莫来石-C-AlPO4外涂层保护的SiC-C/C试样。 
实施例4: 
1)取分析纯的磷酸铝粉体经1300℃温度煅烧30min后湿法球磨得到平均粒径为1-10μm的C-AlPO4粉体; 
2)取2.0g粒径为40nm-0.3μm的莫来石粉体(专利号:ZL 200910218827.9))和5.0g C-AlPO4粉体加入到锥形瓶中,再将1000ml的丙酮倒入锥形瓶中混合成悬浮液; 
再将悬浮液A放入800W的超声波发生器中震荡20min后,取出放入磁转子,放置在磁力搅拌器上搅拌12-40h得悬浮液A; 
3)向悬浮液A中加入30g碘单质,放入800W的超声波发生器中震荡20min后,取出放在磁力搅拌器上搅拌12-24h得溶液B; 
4)将上述配制好的溶液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,以石墨为阳极,将水热釜密封;再将水热釜的正负极分别接到脉冲直流稳压稳流电源相应的两极上,脉冲电弧放电沉积时间控制在1min,脉冲电源的频率控制在5000HZ,电源电压控制在2000V,电弧放电沉积结束后自然冷却到室温; 
5)打开水热釜,取出试样,然后在电热鼓风干燥箱中于100℃干燥得最终产物莫来石-C-AlPO4外涂层保护的SiC-C/C试样。 
将所得的莫来石-C-AlPO4复合外涂层试样用FEI-QUANTA400型扫面电子显微镜进行观察,从图1的照片中可以看出所制备涂层样品的断面形貌:内外涂层结构致密、厚度均一且无贯穿性裂纹和孔洞产生。 

Claims (4)

1.碳/碳复合材料莫来石-C-AlPO4外涂层的制备方法,其特征在于:
1)取分析纯的磷酸铝粉体湿法球磨得到平均粒径为1-10μm的C-AlPO4粉体;
2)取0.5-2.0g粒径为40nm-0.3μm的莫来石粉体和1.0-5.0g C-AlPO4粉体加入到锥形瓶中,再将300-1000ml的丙酮倒入锥形瓶中混合成悬浮液;
再将悬浮液放入超声波发生器中震荡后,取出放入磁转子,放置在磁力搅拌器上搅拌得悬浮液A;
3)向悬浮液A中加入0.3-30g碘单质,放入超声波发生器中震荡,取出后放在磁力搅拌器上搅拌得溶液B;
4)将上述配制好的溶液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,以石墨为阳极,将水热釜密封;再将水热釜的正负极分别接到脉冲直流稳压稳流电源相应的两极上,脉冲电弧放电沉积时间控制在1-15min,脉冲电源的频率控制在200-5000HZ,电源电压控制在300-2000V,电弧放电沉积结束后自然冷却到室温;
5)打开水热釜,取出试样,然后在80-100℃干燥得最终产物莫来石-C-AlPO4外涂层保护的SiC-C/C试样。
2.根据权利要求1所述的碳/碳复合材料莫来石-C-AlPO4外涂层的制备方法,其特征在于:所述步骤1)的磷酸铝粉体经1300℃温度煅烧30min后湿法球磨。
3.根据权利要求1所述的碳/碳复合材料莫来石-C-AlPO4外涂层的制备方法,其特征在于:所述步骤2)、3)的超声波发生器的功率为300-800W,震荡时间为20-100min。
4.根据权利要求1所述的碳/碳复合材料莫来石-C-AlPO4外涂层的制备方法,其特征在于:所述的干燥采用电热鼓风干燥箱。
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