CN105110817A - 纤维增强陶瓷基复合材料的表面涂层体系及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种纤维增强陶瓷基复合材料的表面涂层体系,表面涂层体系设于纤维增强陶瓷基复合材料的基板表面,表面涂层体系包括由下至上依次布设的SiC涂层、莫来石涂层和硅酸钇涂层。其制备方法包括配制SiC涂层的泥浆原料、配制莫来石涂层的泥浆原料、配制硅酸钇涂层的泥浆原料、制备SiC涂层、制备莫来石涂层、制备硅酸钇涂层等步骤。本发明用于纤维增强陶瓷基复合材料的表面涂层体系具有高致密、耐高温、抗氧化等优势。
Description
技术领域
本发明涉及耐高温纤维增强陶瓷基复合材料领域,涉及一种纤维增强陶瓷基复合材料的表面涂层体系及其制备方法,具体涉及一种新型的用以保护C/SiC、SiC/SiC、C/C等复合材料的三层耐高温抗氧化涂层及其制备方法。
背景技术
以碳纤维增强碳化硅(C/SiC)、碳化硅纤维增强碳化硅(SiC/SiC)、碳纤维增强碳(C/C)复合材料为代表的纤维增强陶瓷基复合材料,具有高比强度和比模量、耐高温、高损伤容限、耐腐蚀等优异特性,被认为是战略性热结构材料,在航空航天、交通、能源、化工等领域都具有广阔的应用前景。
作为热结构材料,C/SiC、SiC/SiC、C/C三种复合材料要想在高温氧化环境下应用,特别是长时间使用,必须解决抗氧化问题,其原因在于:(1)C、SiC两种组分在空气中400℃和1000℃以上会发生明显的氧化;(2)受到制备方法的限制,上述三种复合材料很难做到完全致密,都存在一定的孔隙和微裂纹,这为氧气向复合材料内部扩散进而氧化C、SiC提供了通道;(3)C氧化生成CO2或CO而失效,SiC氧化生成的SiO2虽然能起到一定的氧化保护作用,但当温度超过临界值后,SiO2会迅速挥发,同时还可能与C之间发生碳热还原反应而损失,从而丧失保护作用。在干燥、常压的情况下,这个温度临界点约为1450~1600℃,随着压力降低、水汽含量增加会明显下降到约1200℃。
在复合材料表面制备耐高温、抗氧化的涂层是目前最为有效的抗氧化方法,涂层成分与结构则是影响抗氧化效果的关键因素。硅酸钇有Y2SiO5、Y2Si2O7、Y4Si3O12三种晶相结构,其中以前两种最为常见,熔点分别为1980℃、1775℃。除了高熔点外,硅酸钇还具有低热膨胀系数、低高温氧气渗透率、低模量、低高温挥发率、低热导率、化学和热稳定性好等特性,使它成为高温抗氧化涂层的最佳候选材料之一。作为C/C、C/SiC和SiC/SiC复合材料的抗氧化涂层,硅酸钇已经引起人们的广泛关注并得到了较多研究。
在C/SiC、C/C、SiC/SiC等复合材料表面制备硅酸钇涂层,目前最普遍的做法是,先通过化学气相沉积法(主要针对C/SiC、SiC/SiC)或包埋法(主要针对C/C)制备SiC内涂层,目的是缓解复合材料基板与硅酸钇涂层间的热失配程度以提高结合强度,然后利用热等静压法、泥浆涂刷烧结法、电泳沉积法、等离子喷涂法、溶胶-凝胶法等制备硅酸钇外涂层。这些方案存在的不足有:(1)硅酸钇涂层自身的致密度不够,氧气在Y2O3和SiO2中的扩散系数都是非常低的,但若涂层本身不够致密,这一优势就丧失很多。一味提高烧结温度不一定能达到效果,反而会对复合材料基板造成损害。通过添加玻璃相最外层虽可提高致密度,但玻璃相的耐温能力有限,而且在腐蚀性气氛中的性能不够理想;(2)随着时间延长,SiC内涂层会逐渐氧化成SiO2,生成的气态副产物向外扩散时会导致硅酸钇涂层开裂或脱落,从而影响涂层的长时间抗氧化效果;(3)一些制备方法如热等静压法、化学气相沉积法、电泳沉积法等难以适用于复杂形状构件表面涂层的制备。
针对上述技术问题,申请号为201410701284.7的专利申请(马青松,刘海韬,蔡利辉. C/SiC复合材料表面涂层体系及其制备方法)以莫来石(3Al2O3·2SiO2)代替SiC作为内涂层,利用硅树脂与Y2O3的反应合成硅酸钇外涂层,以高固相含量的Al2O3-SiO2溶胶、“(硅树脂+Y2O3粉)/乙醇”泥浆为原料,通过浸渍提拉法分别制备出莫来石和硅酸钇涂层。该方案虽然能够避免SiC内涂层氧化导致硅酸钇外涂层开裂或脱落的问题,但同时也暴露出一些不足:(1)受溶胶合成技术的限制,当前还无法直接合成出符合莫来石化学计量比(Al2O3/SiO2质量比为2.13∶1~3.55∶1)的Al2O3-SiO2溶胶,目前可得溶胶的Al2O3/SiO2质量比最高仅为2∶1,其转化得到的是富余SiO2的莫来石,这些富余的SiO2在1450℃以上会与复合材料中的自由碳发生碳热还原反应而破坏涂层,在有高温水汽的环境中,富余SiO2还会反应生成气态Si(OH)4而迅速损耗;(2)受Al2O3-SiO2溶胶成膜性、粘结性、固含量的影响,莫来石涂层的致密度、附着力还不够理想,制备效率偏低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足,提供一种高致密、耐高温、抗氧化的适用于C/SiC、SiC/SiC、C/C等复合材料的表面涂层体系,同时提供该表面涂层体系的具有工程应用普适性的高效率的制备方法。
为解决上述技术问题,本发明采用以下技术方案:
一种适用于保护纤维增强陶瓷基复合材料免受高温氧化的表面涂层体系,所述表面涂层体系设于纤维增强陶瓷基复合材料基板的表面,所述表面涂层体系包括由下至上依次布设的SiC涂层、莫来石涂层和硅酸钇涂层。其中,SiC涂层直接与纤维增强陶瓷基复合材料基板接触,称为内涂层;莫来石涂层介于SiC和硅酸钇之间,称为中间层;最外层为硅酸钇涂层,称为外涂层。
上述的复合材料表面涂层体系中,优选的,所述纤维增强陶瓷基复合材料基板为C/SiC复合材料基板、SiC/SiC复合材料基板和C/C复合材料基板中的一种或多种。
上述的复合材料表面涂层体系中,优选的,所述莫来石涂层的化学组成中,Al2O3与SiO2的质量比为2.13∶1~3.55∶1。
上述的复合材料表面涂层体系中,优选的,所述硅酸钇涂层由Y2Si2O7和Y2SiO5的混合涂层、Y2SiO5单相涂层和Y2Si2O7单相涂层中的一层或多层构成。进一步优选的,所述硅酸钇涂层为硅酸钇单层涂层或硅酸钇多层涂层。所述硅酸钇单层涂层是由Y2Si2O7和Y2SiO5的混合涂层、Y2SiO5单相涂层、Y2Si2O7单相涂层中的一层构成;所述硅酸钇多层涂层是由Y2Si2O7和Y2SiO5的混合涂层、Y2SiO5单相涂层、Y2Si2O7单相涂层中的多层(两层或两层以上)构成。进一步优选的,硅酸钇多层涂层中,优选的叠放顺序为,从紧贴莫来石中间层的最里层到最外层,Y2Si2O7的含量逐渐降低,Y2SiO5的含量逐渐升高。
上述的复合材料表面涂层体系中,优选的,所述SiC内涂层厚度为20μm~60μm。
上述的复合材料表面涂层体系中,优选的,所述莫来石中间层的厚度为30μm~80μm。
上述的复合材料表面涂层体系中,优选的,所述硅酸钇涂层的厚度为20μm~100μm。进一步优选的,当所述硅酸钇涂层为硅酸钇单层涂层时,厚度为30μm~100μm;当所述硅酸钇涂层为硅酸钇多层涂层时,每层的厚度为20μm~50μm。
作为一个总的技术构思,本发明还提供一种上述的复合材料表面涂层体系的制备方法,包括以下步骤:
S1、配制SiC涂层的泥浆原料:将SiC粉、硅树脂在有机溶剂中分散混合得到SiC泥浆原料;
S2、配制莫来石涂层的泥浆原料:将Al2O3粉、硅树脂在有机溶剂中分散混合得到Al2O3泥浆原料;
S3、配制硅酸钇涂层的泥浆原料:将Y2O3粉、硅树脂在有机溶剂中分散混合得到Y2O3泥浆原料;
S4、制备SiC涂层:将纤维增强陶瓷基复合材料基板浸入步骤S1配制的泥浆原料中,通过浸渍提拉法在复合材料基板表面制备SiC涂层,得到带有SiC涂层的纤维增强陶瓷基复合材料基板;
S5、制备莫来石涂层:将带有SiC涂层的纤维增强陶瓷基复合材料基板浸入步骤S2配制的泥浆原料中,通过浸渍提拉法在SiC涂层表面制备莫来石涂层,得到带有SiC涂层和莫来石涂层的纤维增强陶瓷基复合材料基板;
S6、制备硅酸钇涂层:将带有SiC涂层和莫来石涂层的纤维增强陶瓷基复合材料基板浸入步骤S3配制的泥浆原料中,通过浸渍提拉法在莫来石涂层表面制备硅酸钇涂层,完成纤维增强陶瓷基复合材料表面涂层体系的制备。
上述的制备方法,优选的,所述制备方法还包括以下步骤:重复步骤S6的操作方法,每次变化Y2O3泥浆原料中的硅钇原子比,在步骤S5制得的莫来石涂层上,由下至上依次制备硅钇原子比逐渐变小的硅酸钇单层涂层,形成硅酸钇多层涂层。
上述的制备方法,优选的,所述步骤S1中,所述SiC粉与所述硅树脂的体积比为1∶1~1∶9。进一步优选的,本发明采用密度为1.3g/cm3的硅树脂,对应的SiC粉与硅树脂的质量比范围为0.27∶1~2.46∶1。
上述的制备方法,优选的,所述步骤S2中,所述Al2O3粉与所述硅树脂的质量比为1.4∶1~2.3∶1。Al2O3粉与硅树脂的质量比按照莫来石涂层中Al2O3/SiO2质量比为2.13∶1~3.55∶1的要求,结合硅树脂转化为SiO2的转化率来确定;本发明所用硅树脂转化为SiO2的转化率约为65%,优选的Al2O3粉与硅树脂的质量比范围为1.4∶1~2.3∶1。
上述的制备方法,优选的,所述步骤S3中,所述Y2O3粉与所述硅树脂的质量比为1.2∶1~2.5∶1。Y2O3粉与硅树脂的质量比按照Y2SiO5、Y2Si2O7的化学组成对应的Y2O3/SiO2质量比范围(即1.88∶1~3.77∶1),结合硅树脂转化为SiO2的转化率来确定;本发明所用硅树脂转化为SiO2的转化率约为65%,优选的Y2O3粉与硅树脂的质量比范围为1.2∶1~2.5∶1。
上述的制备方法中,优选的,所述步骤S1中的SiC粉的平均粒径为0.1μm~10μm。
上述的制备方法中,优选的,所述步骤S2中的Al2O3粉的平均粒径为0.1μm~10μm。
上述的制备方法中,优选的,所述步骤S3中的Y2O3粉的平均粒径为2μm~10μm。
上述的制备方法中,优选的,所述步骤S1、S2、S3中,所述硅树脂优选的结构形式为:以-Si-O-Si-单元组成的线性主链,侧链为苯基和甲基,端基为-OH基团,其在空气中800℃裂解后转化成SiO2的产率在60%以上。进一步优选的,所述有机溶剂为乙醇(更优选无水乙醇);在配制泥浆原料时,以乙醇(优选无水乙醇)为介质进行球磨分散混合。
上述的制备方法中,优选的,所述步骤S4中所述SiC涂层通过浸渍提拉法进行制备的具体过程为:
S4-1:将纤维增强陶瓷基复合材料基板浸渍到SiC泥浆原料中并保持2min~20min,提拉成膜取出后放置30min~60min,然后,在空气中于200℃~300℃下进行交联2h~4h;
S4-2:重复步骤S4-1的浸渍、提拉成膜、放置、交联过程2~6次,然后在惰性气氛或真空环境中于800℃~1200℃下进行裂解1h~3h;
S4-3:重复步骤S4-2的过程2~6次,然后在惰性气氛或真空环境中于1400℃~1600℃下进行裂解1h~4h;
S4-4:以步骤S4-1、S4-2和S4-3为一个循环,重复该循环过程2~4次,使SiC涂层达到预设厚度并致密化,得到带有SiC涂层的复合材料基板。
上述的制备方法中,优选的,所述步骤S4-1中,所述提拉的速度为5cm/min~20cm/min。
上述的制备方法中,优选的,所述步骤S4-2中,所述裂解时的升温速率为2℃/min~10℃/min。
上述的制备方法中,优选的,所述步骤S4-3中,所述裂解时的升温速率为5℃/min~15℃/min。
上述的制备方法中,优选的,所述步骤S5中所述莫来石涂层通过浸渍提拉法进行制备的具体过程为:
S5-1:将带有SiC涂层的复合材料基板浸渍到Al2O3泥浆原料中并保持2min~20min,提拉成膜取出后放置30min~60min,然后在空气中于200℃~300℃下进行交联2h~4h;
S5-2:重复步骤S5-1的浸渍、提拉成膜、放置、交联过程2~6次,然后在空气中于700℃~900℃下进行裂解1h~2h,使硅树脂转化为SiO2,接着在惰性气氛或真空中以1100℃~1300℃热处理1h~3h;
S5-3:重复步骤S5-2的过程2~6次,然后在惰性气氛或真空中以1400℃~1600℃煅烧1h~3h,得到带有SiC涂层和莫来石涂层的复合材料基板。
上述的制备方法中,优选的,所述步骤S5-1中,所述提拉的速度为5cm/min~20cm/min。
上述的制备方法中,优选的,所述步骤S5-2中,所述裂解时的升温速率为5℃/min~15℃/min,所述热处理时的升温速率为5℃/min~15℃/min。
上述的制备方法中,优选的,所述步骤S5-3中,所述煅烧时的升温速率为5℃/min~15℃/min。
上述的制备方法中,优选的,所述步骤S6中所述通过浸渍提拉法制备硅酸钇外涂层单层涂层的具体过程为:
S6-1:将带有SiC涂层和莫来石涂层的复合材料基板浸渍到Y2O3泥浆原料中并保持2min~20min,提拉成膜取出后放置30min~60min,然后在空气中于200℃~300℃下进行交联2h~4h;
S6-2:重复步骤S6-1的浸渍、提拉成膜、放置、交联过程2~6次,然后在空气中于700℃~900℃下进行裂解1h~2h,使硅树脂转化为SiO2,接着在惰性气氛或真空中于1100℃~1300℃下进行热处理1h~3h;
S6-3:重复步骤S6-2的过程2~6次,接着在惰性气氛或真空中于1400℃~1600℃下进行煅烧1h~3h,完成复合材料表面SiC、莫来石和硅酸钇涂层体系的制备。
上述的制备方法中,优选的,所述步骤S6-1中,所述提拉的速度为5cm/min~20cm/min。
上述的制备方法中,优选的,所述步骤S6-2中,所述裂解时的升温速率为5℃/min~15℃/min;所述热处理时的升温速率为5℃/min~15℃/min。
上述的制备方法中,优选的,所述步骤S6-3中,所述煅烧时的升温速率为5℃/min~15℃/min。
上述的制备方法中,优选的,所述通过浸渍提拉法制备硅酸钇外涂层多层涂层时,每个单层的具体过程与具体参数同单层涂层,只是所用Y2O3泥浆中Y2O3与硅树脂的质量比不同。
本发明的制备方法中,优选的,将复合材料基板、带有SiC内涂层的复合材料基板、带有SiC内涂层和莫来石中间层的复合材料基板,分别浸入SiC泥浆、Al2O3泥浆、Y2O3泥浆中时,为保证泥浆的稳定性和均匀性,使用前对泥浆进行搅拌和超声振荡处理,以避免SiC、Al2O3、Y2O3粉的沉降。
本发明的复合材料表面耐高温抗氧化涂层体系的性能参数,可以通过以下方法进行确定:将带有表面涂层体系的复合材料在1400℃~1600℃空气环境(马弗炉)中氧化0.5h~10h,然后测量氧化前后的重量变化率、强度保留率。
与现有技术相比,本发明的优点在于:
(1)本发明的C/SiC、SiC/SiC、C/C等复合材料表面涂层体系包括SiC内涂层、莫来石中间层和硅酸钇外涂层。相比于莫来石,SiC与复合材料基板之间的物理、化学相容性更好一些,不仅结合强度高,而且可在高温下有效阻碍复合材料中的碳向外扩散。因此,相比于申请号为201410701284.7的专利(马青松,刘海韬,蔡利辉. C/SiC复合材料表面涂层体系及其制备方法)中的莫来石/硅酸钇双层涂层体系,本发明的SiC/莫来石/硅酸钇三层涂层体系一是可以提高涂层与复合材料之间的结合强度,二是能够防止碳与莫来石中富余SiO2的碳热还原反应。
(2)莫来石中间层与SiC内涂层的热膨胀系数几乎一样,化学相容性也很好,具有很好的抗氧化性能且本身不会再发生氧化,从而避免了传统方法(SiC内涂层/硅酸钇外涂层)中SiC内涂层氧化挥发导致硅酸钇外涂层开裂或脱落的问题。同时,由于莫来石与硅酸钇都是氧化物,组成中都有SiO2,这有利于两者之间形成强结合,从而提高涂层的抗氧化和耐冲刷能力。另外,本发明中莫来石中间层的化学组成符合化学计量比,不富余SiO2,从而进一步降低碳与SiO2之间发生碳热还原反应的可能性。
(3)本发明的制备方法中,以液态泥浆为原料的浸渍提拉法,具有制备过程简单易控、对设备要求低的优点,既适用于大尺寸、复杂形状构件,也适用于具有内腔结构的构件,在批量化生产时具有很好的一致性与可靠性,因而在工程应用上具有很好的普适性。
(4)本发明的制备方法中,所有泥浆中都含有硅树脂,其粘附性、成膜性好,同时也是涂层制备的主要原料,不仅易于在复合材料表面成膜,有利于提高结合强度,而且避免了外加粘结剂、成膜剂需要排除干净给涂层制备与性能带来的不利影响。
(5)本发明的制备方法中,以SiC粉与硅树脂配成的泥浆为原料,通过浸渍提拉法制备SiC涂层,相比于现有的化学气相沉积法、包埋法,除了(3)中所述的优点外,一是制备温度(1400℃~1600℃)明显低于包埋法(>1800℃),避免了高温对复合材料基板的损伤;二是通过若干次循环实现SiC涂层的致密化,避免了一次性致密化带来的涂层应力偏大的问题。
(6)本发明的制备方法中,分别以Al2O3粉与硅树脂、Y2O3粉与硅树脂配成的泥浆为原料,通过浸渍提拉法制备莫来石、硅酸钇涂层。硅树脂转化成的SiO2是无定形态,反应活性高,在1100℃~1300℃具有很好的粘性流动特性,可促使涂层的低温(在莫来石、硅酸钇合成温度之下)致密化,也能够与Al2O3、Y2O3在较低温度(1400℃~1600℃)下反应生成莫来石、硅酸钇,从而避免高温处理对复合材料带来的不利影响。与制备氧化物涂层常用的溶胶-凝胶法相比,低温制备以及(3)中所述的优点是两种方法都共同拥有的,但本发明的方法还具有(4)所述的优点,即在成膜性、制备效率、附着力等方面要优于溶胶-凝胶法。
附图说明
图1为本发明实施例1的复合材料表面涂层体系的结构示意图。
图2为本发明实施例中的复合材料表面涂层体系分别在1400℃、1500℃、1600℃下裂解生成SiC的XRD图谱。
图3为本发明实施例中的复合材料表面涂层体系分别在1400℃、1500℃、1600℃下煅烧生成莫来石的XRD图谱。
图4为本发明实施例中的复合材料表面涂层体系分别在1400℃、1500℃、1600℃下煅烧生成硅酸钇(Y2Si2O7)的XRD图谱。
图5为本发明实施例中的复合材料表面涂层体系分别在1400℃、1500℃、1600℃下煅烧生成硅酸钇(70wt%Y2Si2O7+30wt%Y2SiO5)的XRD图谱。
图6为本发明实施例中的复合材料表面涂层体系分别在1400℃、1500℃、1600℃下煅烧生成硅酸钇(Y2SiO5)的XRD图谱。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述,但并不因此而限制本发明的保护范围。
以下实施例中所采用的材料和仪器均为市售。
实施例1:
一种本发明的耐高温抗氧化表面涂层体系,如图1所示。该表面涂层体系设于C/C复合材料基板表面,包括由下至上依次布设的SiC内涂层、莫来石中间层和硅酸钇外涂层。
本实施例中,SiC涂层的厚度为20μm;莫来石涂层的化学组成中,Al2O3与SiO2质量比为2.13∶1,莫来石涂层的厚度为60μm;硅酸钇涂层为Y2Si2O7单相涂层,单层厚度为80μm。
一种上述本实施例的C/C复合材料表面涂层体系的制备方法,包括以下步骤:
S1、配制SiC涂层的泥浆原料:按SiC粉/硅树脂体积比1∶3(本实施例采用的硅树脂密度为1.3g/cm3,SiC的密度为3.2g/cm3;对应的SiC粉与硅树脂的质量比为0.82∶1),将SiC粉(平均粒径0.4μm)和硅树脂共混,以无水乙醇为介质进行球磨分散混合,得到SiC泥浆,用于制备SiC内涂层。
S2、配制莫来石涂层的泥浆原料:按Al2O3粉/硅树脂质量比1.4∶1(对应莫来石涂层中Al2O3/SiO2质量比为2.13∶1),将Al2O3粉(平均粒径1μm)和硅树脂共混,以无水乙醇为介质进行球磨分散混合,得到Al2O3泥浆,用于制备莫来石中间层。
S3、配制硅酸钇涂层的泥浆原料:按Y2O3粉/硅树脂质量比1.2∶1(对应Y2Si2O7相),将Y2O3粉(平均粒径3μm)和硅树脂共混,以无水乙醇为介质进行球磨分散混合,得到Y2O3泥浆,用于制备Y2Si2O7外涂层。
S4、制备SiC内涂层:
S4-1、将C/C复合材料基板浸入到SiC泥浆中并保持5min,以15cm/min的速度提拉成膜取出后放置60min,然后在空气中于250℃下交联2h。
S4-2、重复步骤S4-1的浸渍、提拉成膜、放置、交联过程2次,然后在惰性气氛中于1200℃下裂解,裂解时升温速率为10℃/min,保温时间为1h。
S4-3、重复步骤S4-2的过程(S4-2的过程即将步骤S4-2中裂解后的C/C复合材料基板重复步骤S4-1的浸渍、提拉成膜、放置、交联过程2次,然后在惰性气氛中于1200℃下裂解,裂解时升温速率为10℃/min,保温时间为1h)2次,然后在惰性气氛中于1600℃下裂解,裂解时升温速率为15℃/min,保温时间为1h。
S4-4、以步骤S4-1、S4-2和S4-3为一个循环,重复该循环过程2次,制备出厚度20μm的致密SiC涂层,得到带有SiC内涂层的复合材料基板。
S5、制备莫来石中间层:
S5-1、将带有SiC内涂层的复合材料基板浸入到Al2O3泥浆中并保持10min,以10cm/min的速度提拉成膜取出后放置30min,然后在空气中于200℃下交联4h。
S5-2、重复步骤S5-1的浸渍、提拉成膜、放置、交联过程2次,然后在空气中于800℃下裂解,使硅树脂转化为SiO2,裂解时升温速率为10℃/min,保温时间为1h,接着在惰性气氛中于1200℃下进行热处理,热处理时升温速率为15℃/min,保温时间为2h。
S5-3、重复步骤S5-2的过程(S5-2的过程即将步骤S5-2中裂解后的带有SiC内涂层的复合材料基板重复步骤S5-1的浸渍、提拉成膜、放置、交联过程2次,然后在空气中于800℃下裂解,使硅树脂转化为SiO2,裂解时升温速率为10℃/min,保温时间为1h,接着在惰性气氛中于1200℃下进行热处理,热处理时升温速率为15℃/min,保温时间为2h)4次,最后在惰性气氛中于1400℃下进行煅烧,煅烧时升温速率为15℃/min,保温时间为3h,制备出厚度60μm的致密莫来石涂层,得到带有SiC内涂层和莫来石中间层的复合材料基板。
S6、制备硅酸钇涂层:
S6-1、将带有SiC内涂层和莫来石中间层的复合材料基板浸入到Y2O3泥浆中并保持20min,以5cm/min的速度提拉成膜取出后放置45min,然后在空气中于300℃下交联2h。
S6-2、重复步骤S6-1的浸渍、提拉成膜、放置、交联过程4次,然后在空气中于900℃下裂解,使硅树脂转化为SiO2,裂解时升温速率为15℃/min,保温时间为1h,接着在真空中1100℃下热处理,热处理时的升温速率为10℃/min,保温时间为3h。
S6-3、重复步骤S6-2的过程(S6-2的过程即将步骤S6-2中裂解后的带有SiC内涂层和莫来石中间层的的复合材料基板重复步骤S6-1的浸渍、提拉成膜、放置、交联过程4次,然后在空气中于900℃下裂解,使硅树脂转化为SiO2,裂解时升温速率为15℃/min,保温时间为1h,接着在真空中1100℃下热处理,热处理时的升温速率为10℃/min,保温时间为3h)5次,最后在真空中于1500℃下进行煅烧,煅烧时的升温速率为15℃/min,保温时间为1h,制备出厚度80μm的致密Y2Si2O7涂层,完成复合材料表面SiC/莫来石/硅酸钇涂层体系的制备。
该复合材料表面涂层体系中1600℃下裂解生成SiC涂层、1400℃下煅烧生成莫来石涂层、1500℃下煅烧生成硅酸钇(Y2Si2O7)涂层的XRD图谱分别参见图2、图3和图4。
在图2中可以发现,通过“硅树脂+SiC粉”泥浆原料制备的SiC涂层,经1400℃煅烧后在36°、60°、72°三个位置出现了典型的b-SiC相的衍射峰,说明涂层的相组成为结晶程度很好的b-SiC相。随着煅烧温度的升高,可以看到,b-SiC相的衍射峰强度逐渐升高,1600℃时还出现了42°、76°位置的两个新衍射峰,表明b-SiC相的结晶程度也在不断提高。在图3中可以看到,通过“硅树脂+Al2O3粉”泥浆原料制备的莫来石涂层,在1400℃、1500℃、1600℃下煅烧后的相组成都为结晶程度很高的莫来石相,没有出现富余的SiO2或Al2O3相,而且随着温度升高,莫来石相的衍射峰没有明显的变化,这是因为硅树脂转化成的无定形SiO2具有很高的活性,在1400℃下就与Al2O3反应生成了结晶程度很高的莫来石相。同样的原因,在图4中可以看到,通过“硅树脂+Y2O3粉”泥浆原料制备的Y2Si2O7涂层,在1400℃、1500℃、1600℃下煅烧后的相组成都为结晶程度很高的Y2Si2O7相,没有出现富余的SiO2或Y2O3相,而且Y2Si2O7相的衍射峰位置和强度随着煅烧温度升高也没有明显的变化。
将带有本实施例的表面涂层体系的复合材料在1500℃空气中(马弗炉,下同)氧化0.5h,失重率为0.56%,复合材料的强度保留率为102.4%,即氧化后强度没有变化。表明:实施例1的表面涂层体系依靠其耐高温、抗氧化、高致密度等特性,以及与复合材料之间良好的物理化学相容性,对复合材料起到了很好的氧化保护作用。
实施例2:
一种本发明的耐高温抗氧化表面涂层体系,如图1所示。该表面涂层体系设于SiC/SiC复合材料基板表面,包括由下至上依次布设的SiC层、莫来石涂层和硅酸钇涂层。
本实施例中,SiC涂层的厚度为50μm;莫来石涂层的化学组成中,Al2O3与SiO2质量比为3.55∶1,莫来石涂层的厚度为50μm;硅酸钇涂层为Y2SiO5单相涂层,单层厚度为50μm。
一种上述本实施例的复合材料表面涂层体系的制备方法,包括以下步骤:
S1、配制SiC涂层的泥浆原料:按SiC粉/硅树脂体积比1∶1.5(本实施例采用的硅树脂密度为1.3g/cm3,SiC的密度为3.2g/cm3;对应的SiC粉与硅树脂的质量比为1.64∶1),将SiC粉(平均粒径2μm)和硅树脂共混,以无水乙醇为介质进行球磨分散混合,得到SiC泥浆,用于制备SiC内涂层。
S2、配制莫来石涂层的泥浆原料:按Al2O3粉/硅树脂质量比2.3∶1(对应莫来石涂层中Al2O3/SiO2质量比为3.55∶1),将Al2O3粉(平均粒径10μm)和硅树脂共混,以无水乙醇为介质进行球磨分散混合,得到Al2O3泥浆,用于制备莫来石中间层。
S3、配制硅酸钇涂层的泥浆原料:按Y2O3粉/硅树脂质量比2.5∶1(对应Y2SiO5相),将Y2O3粉(平均粒径10μm)和硅树脂共混,以无水乙醇为介质进行球磨分散混合,得到Y2O3泥浆,用于制备Y2SiO5外涂层。
S4、制备SiC内涂层:
S4-1、将SiC/SiC复合材料基板浸入到SiC泥浆中并保持10min,以5cm/min的速度提拉成膜取出后放置40min,然后在空气中于200℃下交联4h。
S4-2、重复步骤S4-1的浸渍、提拉成膜、放置、交联过程3次,然后在惰性气氛中于1000℃下裂解,裂解时升温速率为5℃/min,保温时间为3h。
S4-3、重复步骤S4-2的过程2次,然后在真空中于1400℃下裂解,裂解时升温速率为10℃/min,保温时间为2h。
S4-4、以步骤S4-1、S4-2和S4-3为一个循环,重复该循环过程3次,制备出厚度50μm的致密SiC涂层,得到带有SiC内涂层的复合材料基板。
S5、制备莫来石中间层:
S5-1、将带有SiC内涂层的复合材料基板浸入到Al2O3泥浆中并保持20min,以20cm/min的速度提拉成膜取出后放置50min,然后在空气中于250℃下交联2h。
S5-2、重复步骤S5-1的浸渍、提拉成膜、放置、交联过程3次,然后在空气中于700℃下裂解,使硅树脂转化为SiO2,裂解时升温速率为5℃/min,保温时间为2h,接着在惰性气氛中于1300℃下进行热处理,热处理时升温速率为15℃/min,保温时间为1h。
S5-3、重复步骤S5-2的过程2次,最后在惰性气氛中于1600℃下进行煅烧,煅烧时升温速率为15℃/min,保温时间为1h,制备出厚度50μm的致密莫来石涂层,得到带有SiC内涂层和莫来石中间层的复合材料基板。
S6、制备硅酸钇涂层:
S6-1、将带有SiC内涂层和莫来石中间层的复合材料基板浸入到Y2O3泥浆中并保持2min,以5cm/min的速度提拉成膜取出后放置30min,然后在空气中于250℃下交联2h。
S6-2、重复步骤S6-1的浸渍、提拉成膜、放置、交联过程6次,然后在空气中于800℃下裂解,使硅树脂转化为SiO2,裂解时升温速率为10℃/min,保温时间为1h,接着在真空中1100℃下热处理,热处理时的升温速率为5℃/min,保温时间为3h。
S6-3、重复步骤S6-2的过程4次,最后在真空中于1500℃下进行煅烧,煅烧时的升温速率为15℃/min,保温时间为1h,制备出厚度50μm的致密Y2SiO5涂层,完成复合材料表面SiC/莫来石/硅酸钇涂层体系的制备。
该复合材料表面涂层体系中1400℃下裂解生成SiC涂层、1600℃下煅烧生成莫来石涂层、1500℃下煅烧生成硅酸钇(Y2SiO5)涂层的XRD图谱分别参见图2、图3和图6。
在图2中可以发现,通过“硅树脂+SiC粉”泥浆原料制备的SiC涂层,经1400℃煅烧后在36°、60°、72°三个位置出现了典型的b-SiC相的衍射峰,说明涂层的相组成为结晶程度很好的b-SiC相。随着煅烧温度的升高,可以看到,b-SiC相的衍射峰强度逐渐升高,1600℃时还出现了42°、76°位置的两个新衍射峰,表明b-SiC相的结晶程度也在不断提高。在图3中可以看到,通过“硅树脂+Al2O3粉”泥浆原料制备的莫来石涂层,在1400℃、1500℃、1600℃下煅烧后的相组成都为结晶程度很高的莫来石相,没有出现富余的SiO2或Al2O3相,而且随着温度升高,莫来石相的衍射峰没有明显的变化,这是因为硅树脂转化成的无定形SiO2具有很高的活性,在1400℃下就与Al2O3反应生成了结晶程度很高的莫来石相。同样的原因,在图6中可以看到,通过“硅树脂+Y2O3粉”泥浆原料制备的Y2SiO5涂层,在1400℃、1500℃、1600℃下煅烧后的相组成都为结晶程度很高的Y2SiO5相,而且Y2SiO5相的衍射峰位置和强度随着煅烧温度升高也没有明显的变化,由于在泥浆中配制中Y2O3粉稍有过量,导致图中出现少量Y2O3相的衍射峰。
将带有本实施例的表面涂层体系的复合材料在1400℃空气中氧化3h,失重率为0.95%,复合材料的强度保留率为99.3%,即氧化后强度没有变化。表明:实施例2的表面涂层体系依靠其耐高温、抗氧化、高致密度等特性,以及与复合材料之间良好的物理化学相容性,对复合材料起到了很好的氧化保护作用。
实施例3:
一种本发明的耐高温抗氧化表面涂层体系,如图1所示。该表面涂层体系设于C/SiC复合材料基板表面,包括由下至上依次布设的SiC内涂层、莫来石中间层和硅酸钇外涂层。
本实施例中,SiC涂层的厚度为40μm;莫来石涂层的化学组成中,Al2O3与SiO2质量比为2.55∶1,莫来石涂层的厚度为50μm;硅酸钇涂层为70wt%Y2Si2O7+30wt%Y2SiO5混合相单层涂层,单层厚度为100μm。
一种上述本实施例的复合材料表面涂层体系的制备方法,包括以下步骤:
S1、配制SiC涂层的泥浆原料:按SiC粉/硅树脂体积比1∶9(本实施例采用的硅树脂密度为1.3g/cm3,SiC的密度为3.2g/cm3;对应的SiC粉与硅树脂的质量比为0.27∶1),将SiC粉(平均粒径0.1μm)和硅树脂共混,以无水乙醇为介质进行球磨分散混合,得到SiC泥浆,用于制备SiC内涂层。
S2、配制莫来石涂层的泥浆原料:按Al2O3粉/硅树脂质量比1.66∶1(对应莫来石涂层中Al2O3/SiO2质量比为2.55∶1),将Al2O3粉(平均粒径2μm)和硅树脂共混,以无水乙醇为介质进行球磨分散混合,得到Al2O3泥浆,用于制备莫来石中间层。
S3、配制硅酸钇涂层的泥浆原料:按Y2O3粉/硅树脂质量比1.48∶1(对应70wt%Y2Si2O7+30wt%Y2SiO5相),将Y2O3粉(平均粒径2μm)和硅树脂共混,以无水乙醇为介质进行球磨分散混合,得到Y2O3泥浆,用于制备70wt%Y2Si2O7+30wt%Y2SiO5外涂层。
S4、制备SiC内涂层:
S4-1、将C/SiC复合材料基板浸入到SiC泥浆中并保持20min,以5cm/min的速度提拉成膜取出后放置60min,然后在空气中于200℃下交联4h。
S4-2、重复步骤S4-1的浸渍、提拉成膜、放置、交联过程6次,然后在惰性气氛中于800℃下裂解,裂解时升温速率为2℃/min,保温时间为3h。
S4-3、重复步骤S4-2的过程3次,然后在惰性气氛中于1500℃下裂解,裂解时升温速率为15℃/min,保温时间为4h。
S4-4、以步骤S4-1、S4-2和S4-3为一个循环,重复该循环过程3次,制备出厚度40μm的致密SiC涂层,得到带有SiC内涂层的复合材料基板。
S5、制备莫来石中间层:
S5-1、将带有SiC内涂层的复合材料基板浸入到Al2O3泥浆中并保持10min,以20cm/min的速度提拉成膜取出后放置30min,然后在空气中于250℃下交联2h。
S5-2、重复步骤S5-1的浸渍、提拉成膜、放置、交联过程3次,然后在空气中于800℃下裂解,使硅树脂转化为SiO2,裂解时升温速率为10℃/min,保温时间为1h,接着在惰性气氛中于1200℃下进行热处理,热处理时升温速率为15℃/min,保温时间为2h。
S5-3、重复步骤S5-2的过程4次,最后在真空中于1500℃下进行煅烧,煅烧时升温速率为15℃/min,保温时间为3h,制备出厚度50μm的致密莫来石涂层,得到带有SiC内涂层和莫来石中间层的复合材料基板。
S6、制备硅酸钇涂层:
S6-1、将带有SiC内涂层和莫来石中间层的复合材料基板浸入到Y2O3泥浆中并保持20min,以5cm/min的速度提拉成膜取出后放置60min,然后在空气中于250℃下交联2h。
S6-2、重复步骤S6-1的浸渍、提拉成膜、放置、交联过程6次,然后在空气中于800℃下裂解,使硅树脂转化为SiO2,裂解时升温速率为10℃/min,保温时间为1h,接着在真空中1100℃下热处理,热处理时的升温速率为5℃/min,保温时间为3h。
S6-3、重复步骤S6-2的过程6次,最后在惰性气氛中于1600℃下进行煅烧,煅烧时的升温速率为15℃/min,保温时间为1h,制备出厚度100μm的致密70wt%Y2Si2O7+30wt%Y2SiO5涂层,完成复合材料表面SiC/莫来石/硅酸钇涂层体系的制备。
该复合材料表面涂层体系中1500℃下裂解生成SiC涂层、1500℃下煅烧生成莫来石涂层、1600℃下煅烧生成硅酸钇(70wt%Y2Si2O7+30wt%Y2SiO5)涂层的XRD图谱分别参见图2、图3和图5。
在图2中可以发现,通过“硅树脂+SiC粉”泥浆原料制备的SiC涂层,经1400℃煅烧后在36°、60°、72°三个位置出现了典型的b-SiC相的衍射峰,说明涂层的相组成为结晶程度很好的b-SiC相。随着煅烧温度的升高,可以看到,b-SiC相的衍射峰强度逐渐升高,1600℃时还出现了42°、76°位置的两个新衍射峰,表明b-SiC相的结晶程度也在不断提高。在图3中可以看到,通过“硅树脂+Al2O3粉”泥浆原料制备的莫来石涂层,在1400℃、1500℃、1600℃下煅烧后的相组成都为结晶程度很高的莫来石相,没有出现富余的SiO2或Al2O3相,而且随着温度升高,莫来石相的衍射峰没有明显的变化,这是因为硅树脂转化成的无定形SiO2具有很高的活性,在1400℃下就与Al2O3反应生成了结晶程度很高的莫来石相。同样的原因,在图5中可以看到,通过“硅树脂+Y2O3粉”泥浆原料制备的70wt%Y2Si2O7+30wt%Y2SiO5涂层,在1400℃、1500℃、1600℃下煅烧后的相组成都为结晶程度很高的70wt%Y2Si2O7+30wt%Y2SiO5相,而且70wt%Y2Si2O7+30wt%Y2SiO5相的衍射峰位置和强度随着煅烧温度升高也没有明显的变化。
将带有本实施例的表面涂层体系的复合材料在1600℃空气中氧化10h,失重率为1.92%,复合材料的强度保留率为98%,即氧化后强度基本没有变化。表明:实施例3的表面涂层体系依靠其耐高温、抗氧化、高致密度等特性,以及与复合材料之间良好的物理化学相容性,对复合材料起到了很好的氧化保护作用。
实施例4:
一种本发明的耐高温抗氧化表面涂层体系,如图1所示。该表面涂层体系设于C/SiC复合材料基板表面,包括由下至上依次布设的SiC内涂层、莫来石中间层和硅酸钇外涂层。
本实施例中,SiC涂层的厚度为60μm;莫来石涂层的化学组成中,Al2O3与SiO2质量比为2.13∶1,莫来石涂层的厚度为80μm;硅酸钇涂层为两层涂层,由里向外依次是Y2Si2O7相单层、70wt%Y2Si2O7+30wt%Y2SiO5混合相单层,两个单层的厚度都为50μm。
一种上述本实施例的复合材料表面涂层体系的制备方法,包括以下步骤:
S1、配制SiC涂层的泥浆原料:按SiC粉/硅树脂体积比1∶1(本实施例采用的硅树脂密度为1.3g/cm3,SiC的密度为3.2g/cm3;对应的SiC粉与硅树脂的质量比为2.46∶1),将SiC粉(平均粒径10μm)和硅树脂共混,以无水乙醇为介质进行球磨分散混合,得到SiC泥浆,用于制备SiC内涂层。
S2、配制莫来石涂层的泥浆原料:按Al2O3粉/硅树脂质量比1.4∶1(对应莫来石涂层中Al2O3/SiO2质量比为2.13∶1),将Al2O3粉(平均粒径0.1μm)和硅树脂共混,以无水乙醇为介质进行球磨分散混合,得到Al2O3泥浆,用于制备莫来石中间层。
S3、配制硅酸钇涂层的泥浆原料:按Y2O3粉/硅树脂质量比1.2∶1(对应Y2Si2O7相),将Y2O3粉(平均粒径3μm)和硅树脂共混,以无水乙醇为介质进行球磨分散混合,得到Y2O3泥浆,用于制备Y2Si2O7单层。按Y2O3粉/硅树脂质量比1.48∶1(对应70wt%Y2Si2O7+30wt%Y2SiO5相),将Y2O3粉(平均粒径3μm)和硅树脂共混,以无水乙醇为介质进行球磨分散混合,得到Y2O3泥浆,用于制备70wt%Y2Si2O7+30wt%Y2SiO5单层。
S4、制备SiC内涂层:
S4-1、将C/SiC复合材料基板浸入到SiC泥浆中并保持2min,以15cm/min的速度提拉成膜取出后放置50min,然后在空气中于250℃下交联2h。
S4-2、重复步骤S4-1的浸渍、提拉成膜、放置、交联过程2次,然后在惰性气氛中于1200℃下裂解,裂解时升温速率为10℃/min,保温时间为1h。
S4-3、重复步骤S4-2的过程6次,然后在真空中于1400℃下裂解,裂解时升温速率为15℃/min,保温时间为4h。
S4-4、以步骤S4-1、S4-2和S4-3为一个循环,重复该循环过程4次,制备出厚度60μm的致密SiC涂层,得到带有SiC内涂层的复合材料基板。
S5、制备莫来石中间层:
S5-1、将带有SiC内涂层的复合材料基板浸入到Al2O3泥浆中并保持5min,以15cm/min的速度提拉成膜取出后放置45min,然后在空气中于250℃下交联2h。
S5-2、重复步骤S5-1的浸渍、提拉成膜、放置、交联过程6次,然后在空气中于800℃下裂解,使硅树脂转化为SiO2,裂解时升温速率为10℃/min,保温时间为1h,接着在惰性气氛中于1100℃下进行热处理,热处理时升温速率为15℃/min,保温时间为3h。
S5-3、重复步骤S5-2的过程6次,最后在真空中于1400℃下进行煅烧,煅烧时升温速率为15℃/min,保温时间为3h,制备出厚度80μm的致密莫来石涂层,得到带有SiC内涂层和莫来石中间层的复合材料基板。
S6、制备Y2Si2O7单层:
S6-1、将带有SiC内涂层和莫来石中间层的复合材料基板浸入到用于制备Y2Si2O7单层的Y2O3泥浆中并保持20min,以5cm/min的速度提拉成膜取出后放置60min,然后在空气中于250℃下交联2h。
S6-2、重复步骤S6-1的浸渍、提拉成膜、放置、交联过程2次,然后在空气中于800℃下裂解,使硅树脂转化为SiO2,裂解时升温速率为10℃/min,保温时间为1h,接着在真空中1100℃下热处理,热处理时的升温速率为10℃/min,保温时间为2h。
S6-3、重复步骤S6-2的过程3次,最后在惰性气氛中于1600℃下进行煅烧,煅烧时的升温速率为15℃/min,保温时间为1h,制备出厚度50μm的致密Y2Si2O7单层。
S7、制备70wt%Y2Si2O7+30wt%Y2SiO5单层:
S7-1、将带有SiC内涂层、莫来石中间层和Y2Si2O7单层的复合材料基板浸入到用于制备70wt%Y2Si2O7+30wt%Y2SiO5单层的Y2O3泥浆中并保持20min,以5cm/min的速度提拉成膜取出后放置60min,然后在空气中于250℃下交联2h。
S7-2、重复步骤S7-1的浸渍、提拉成膜、放置、交联过程2次,然后在空气中于800℃下裂解,使硅树脂转化为SiO2,裂解时升温速率为10℃/min,保温时间为1h,接着在真空中1100℃下热处理,热处理时的升温速率为10℃/min,保温时间为2h。
S7-3、重复步骤S7-2的过程2次,最后在惰性气氛中于1600℃下进行煅烧,煅烧时的升温速率为15℃/min,保温时间为1h,制备出厚度50μm的致密70wt%Y2Si2O7+30wt%Y2SiO5单层,完成复合材料表面SiC/莫来石/硅酸钇涂层体系的制备。
该复合材料表面涂层体系中1400℃下裂解生成SiC涂层、1400℃下煅烧生成莫来石涂层、1600℃下煅烧生成Y2Si2O7涂层、1600℃下煅烧生成70wt%Y2Si2O7+30wt%Y2SiO5涂层的XRD图谱分别参见图2、图3、图4和图5。
在图2中可以发现,通过“硅树脂+SiC粉”泥浆原料制备的SiC涂层,经1400℃煅烧后在36°、60°、72°三个位置出现了典型的b-SiC相的衍射峰,说明涂层的相组成为结晶程度很好的b-SiC相。随着煅烧温度的升高,可以看到,b-SiC相的衍射峰强度逐渐升高,1600℃时还出现了42°、76°位置的两个新衍射峰,表明b-SiC相的结晶程度也在不断提高。在图3中可以看到,通过“硅树脂+Al2O3粉”泥浆原料制备的莫来石涂层,在1400℃、1500℃、1600℃下煅烧后的相组成都为结晶程度很高的莫来石相,没有出现富余的SiO2或Al2O3相,而且随着温度升高,莫来石相的衍射峰没有明显的变化,这是因为硅树脂转化成的无定形SiO2具有很高的活性,在1400℃下就与Al2O3反应生成了结晶程度很高的莫来石相。同样的原因,在图4、图5中可以看到,通过“硅树脂+Y2O3粉”泥浆原料制备的Y2Si2O7涂层、70wt%Y2Si2O7+30wt%Y2SiO5涂层,在1400℃、1500℃、1600℃下煅烧后的相组成都为结晶程度很高的Y2Si2O7相、70wt%Y2Si2O7+30wt%Y2SiO5相,没有出现富余的SiO2或Y2O3相,而且Y2Si2O7相、70wt%Y2Si2O7+30wt%Y2SiO5相的衍射峰位置和强度随着煅烧温度升高也没有明显的变化。
将带有本实施例的表面涂层体系的复合材料在1600℃空气中氧化10h,失重率为0.87%,复合材料的强度保留率为106.8%,即氧化后强度没有下降。表明:实施例4的表面涂层体系依靠其耐高温、抗氧化、高致密度等特性,以及与复合材料之间良好的物理化学相容性,对复合材料起到了很好的氧化保护作用。
实施例5:
一种本发明的耐高温抗氧化表面涂层体系,如图1所示。该表面涂层体系设于C/C复合材料基板表面,包括由下至上依次布设的SiC内涂层、莫来石中间层和硅酸钇外涂层。
本实施例中,SiC涂层的厚度为50μm;莫来石涂层的化学组成中,Al2O3与SiO2质量比为2.13∶1,莫来石涂层的厚度为30μm;硅酸钇涂层为三层涂层,由里向外依次是厚度为40μm的Y2Si2O7相单层、厚度为30μm的70wt%Y2Si2O7+30wt%Y2SiO5混合相单层、厚度为20μm的Y2SiO5相单层。
一种上述本实施例的复合材料表面涂层体系的制备方法,包括以下步骤:
S1、配制SiC涂层的泥浆原料:按SiC粉/硅树脂体积比1∶4(本实施例采用的硅树脂密度为1.3g/cm3,SiC的密度为3.2g/cm3;对应的SiC粉与硅树脂的质量比为0.62∶1),将SiC粉(平均粒径1μm)和硅树脂共混,以无水乙醇为介质进行球磨分散混合,得到SiC泥浆,用于制备SiC内涂层。
S2、配制莫来石涂层的泥浆原料:按Al2O3粉/硅树脂质量比1.4∶1(对应莫来石涂层中Al2O3/SiO2质量比为2.13∶1),将Al2O3粉(平均粒径1μm)和硅树脂共混,以无水乙醇为介质进行球磨分散混合,得到Al2O3泥浆,用于制备莫来石中间层。
S3、配制硅酸钇涂层的泥浆原料:按Y2O3粉/硅树脂质量比1.2∶1(对应Y2Si2O7相),将Y2O3粉(平均粒径3μm)和硅树脂共混,以无水乙醇为介质进行球磨分散混合,得到Y2O3泥浆,用于制备Y2Si2O7单层。按Y2O3粉/硅树脂质量比1.48∶1(对应70wt%Y2Si2O7+30wt%Y2SiO5相),将Y2O3粉(平均粒径3μm)和硅树脂共混,以无水乙醇为介质进行球磨分散混合,得到Y2O3泥浆,用于制备70wt%Y2Si2O7+30wt%Y2SiO5单层。按Y2O3粉/硅树脂质量比2.5∶1(对应Y2SiO5相),将Y2O3粉(平均粒径10μm)和硅树脂共混,以无水乙醇为介质进行球磨分散混合,得到Y2O3泥浆,用于制备Y2SiO5单层。
S4、制备SiC内涂层:
S4-1、将C/C复合材料基板浸入到SiC泥浆中并保持15min,以5cm/min的速度提拉成膜取出后放置40min,然后在空气中于300℃下交联2h。
S4-2、重复步骤S4-1的浸渍、提拉成膜、放置、交联过程2次,然后在惰性气氛中于1000℃下裂解,裂解时升温速率为10℃/min,保温时间为1h。
S4-3、重复步骤S4-2的过程5次,然后在真空中于1500℃下裂解,裂解时升温速率为15℃/min,保温时间为2h。
S4-4、以步骤S4-1、S4-2和S4-3为一个循环,重复该循环过程4次,制备出厚度50μm的致密SiC涂层,得到带有SiC内涂层的复合材料基板。
S5、制备莫来石中间层:
S5-1、将带有SiC内涂层的复合材料基板浸入到Al2O3泥浆中并保持10min,以10cm/min的速度提拉成膜取出后放置30min,然后在空气中于200℃下交联4h。
S5-2、重复步骤S5-1的浸渍、提拉成膜、放置、交联过程3次,然后在空气中于700℃下裂解,使硅树脂转化为SiO2,裂解时升温速率为5℃/min,保温时间为2h,接着在惰性气氛中于1100℃下进行热处理,热处理时升温速率为15℃/min,保温时间为3h。
S5-3、重复步骤S5-2的过程3次,最后在惰性气氛中于1600℃下进行煅烧,煅烧时升温速率为15℃/min,保温时间为1h,制备出厚度30μm的致密莫来石涂层,得到带有SiC内涂层和莫来石中间层的复合材料基板。
S6、制备Y2Si2O7单层:
S6-1、将带有SiC内涂层和莫来石中间层的复合材料基板浸入到用于制备Y2Si2O7单层的Y2O3泥浆中并保持20min,以5cm/min的速度提拉成膜取出后放置60min,然后在空气中于250℃下交联2h。
S6-2、重复步骤S6-1的浸渍、提拉成膜、放置、交联过程2次,然后在空气中于900℃下裂解,使硅树脂转化为SiO2,裂解时升温速率为10℃/min,保温时间为1h,接着在真空中1100℃下热处理,热处理时的升温速率为10℃/min,保温时间为2h。
S6-3、重复步骤S6-2的过程2次,最后在惰性气氛中于1400℃下进行煅烧,煅烧时的升温速率为15℃/min,保温时间为2h,制备出厚度40μm的致密Y2Si2O7单层。
S7、制备70wt%Y2Si2O7+30wt%Y2SiO5单层:
S7-1、将带有SiC内涂层、莫来石中间层和Y2Si2O7单层的复合材料基板浸入到用于制备70wt%Y2Si2O7+30wt%Y2SiO5单层的Y2O3泥浆中并保持2min,以20cm/min的速度提拉成膜取出后放置60min,然后在空气中于250℃下交联2h。
S7-2、重复步骤S7-1的浸渍、提拉成膜、放置、交联过程2次,然后在空气中于800℃下裂解,使硅树脂转化为SiO2,裂解时升温速率为10℃/min,保温时间为1h,接着在真空中1100℃下热处理,热处理时的升温速率为10℃/min,保温时间为2h。
S7-3、重复步骤S7-2的过程2次,最后在惰性气氛中于1400℃下进行煅烧,煅烧时的升温速率为15℃/min,保温时间为2h,制备出厚度30μm的致密70wt%Y2Si2O7+30wt%Y2SiO5单层。
S8、制备Y2SiO5单层:
S8-1、将带有SiC内涂层、莫来石中间层、Y2Si2O7单层和70wt%Y2Si2O7+30wt%Y2SiO5单层的复合材料基板浸入到用于制备Y2SiO5单层的Y2O3泥浆中并保持2min,以20cm/min的速度提拉成膜取出后放置60min,然后在空气中于250℃下交联2h。
S8-2、重复步骤S8-1的浸渍、提拉成膜、放置、交联过程2次,然后在空气中于900℃下裂解,使硅树脂转化为SiO2,裂解时升温速率为10℃/min,保温时间为1h,接着在真空中1100℃下热处理,热处理时的升温速率为10℃/min,保温时间为2h。
S8-3、重复步骤S8-2的过程2次,最后在惰性气氛中于1400℃下进行煅烧,煅烧时的升温速率为15℃/min,保温时间为2h,制备出厚度20μm的致密Y2SiO5单层,完成复合材料表面SiC/莫来石/硅酸钇涂层体系的制备。
该复合材料表面涂层体系中1500℃下裂解生成SiC涂层、1600℃下煅烧生成莫来石涂层、1400℃下煅烧生成Y2Si2O7涂层、1400℃下煅烧生成70wt%Y2Si2O7+30wt%Y2SiO5涂层、1400℃下煅烧生成Y2SiO5涂层、的XRD图谱分别参见图2、图3、图4、图5和图6。
在图2中可以发现,通过“硅树脂+SiC粉”泥浆原料制备的SiC涂层,经1400℃煅烧后在36°、60°、72°三个位置出现了典型的b-SiC相的衍射峰,说明涂层的相组成为结晶程度很好的b-SiC相。随着煅烧温度的升高,可以看到,b-SiC相的衍射峰强度逐渐升高,1600℃时还出现了42°、76°位置的两个新衍射峰,表明b-SiC相的结晶程度也在不断提高。在图3中可以看到,通过“硅树脂+Al2O3粉”泥浆原料制备的莫来石涂层,在1400℃、1500℃、1600℃下煅烧后的相组成都为结晶程度很高的莫来石相,没有出现富余的SiO2或Al2O3相,而且随着温度升高,莫来石相的衍射峰没有明显的变化,这是因为硅树脂转化成的无定形SiO2具有很高的活性,在1400℃下就与Al2O3反应生成了结晶程度很高的莫来石相。同样的原因,在图4、图5、图6中可以看到,通过“硅树脂+Y2O3粉”泥浆原料制备的Y2Si2O7涂层、70wt%Y2Si2O7+30wt%Y2SiO5涂层、Y2SiO5涂层,在1400℃、1500℃、1600℃下煅烧后的相组成都为结晶程度很高的Y2Si2O7相、70wt%Y2Si2O7+30wt%Y2SiO5相、Y2SiO5相,而且Y2Si2O7相、70wt%Y2Si2O7+30wt%Y2SiO5相、Y2SiO5相的衍射峰位置和强度随着煅烧温度升高也没有明显的变化。由于在泥浆中配制中Y2O3粉稍有过量,导致图6中Y2SiO5相的衍射峰中出现少量Y2O3相的衍射峰。
将带有本实施例的表面涂层体系的复合材料在1400℃空气中氧化10h,失重率为0.74%,复合材料的强度保留率为102.5%,即氧化后强度没有下降。表明:实施例5的表面涂层体系依靠其耐高温、抗氧化、高致密度等特性,以及与复合材料之间良好的物理化学相容性,对复合材料起到了很好的氧化保护作用。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上,然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员,在不脱离本发明技术方案范围的情况下,都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰,或修改为等同变化的等效实施例。因此,凡是未脱离本发明技术方案的内容,依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰,均应落在本发明技术方案保护的范围内。
Claims (10)
1.一种纤维增强陶瓷基复合材料的表面涂层体系,其特征在于,所述表面涂层体系设于纤维增强陶瓷基复合材料基板的表面,所述表面涂层体系包括由下至上依次布设的SiC涂层、莫来石涂层和硅酸钇涂层。
2.根据权利要求1所述的表面涂层体系,其特征在于,所述纤维增强陶瓷基复合材料基板为C/SiC复合材料基板、SiC/SiC复合材料基板和C/C复合材料基板中的一种或多种;所述硅酸钇涂层由Y2Si2O7和Y2SiO5的混合涂层、Y2SiO5单相涂层和Y2Si2O7单相涂层中的一层或多层构成。
3.根据权利要求1所述的表面涂层体系,其特征在于,所述莫来石涂层的化学组成中,Al2O3与SiO2的质量比为2.13∶1~3.55∶1。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的表面涂层体系,其特征在于,所述SiC涂层的厚度为20μm~60μm;所述莫来石涂层的厚度为30μm~80μm;所述硅酸钇涂层的厚度为20μm~100μm。
5.一种如权利要求1至4中任一项所述的纤维增强陶瓷基复合材料的表面涂层体系的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、配制SiC涂层的泥浆原料:将SiC粉、硅树脂在有机溶剂中分散混合得到SiC泥浆原料;
S2、配制莫来石涂层的泥浆原料:将Al2O3粉、硅树脂在有机溶剂中分散混合得到Al2O3泥浆原料;
S3、配制硅酸钇涂层的泥浆原料:将Y2O3粉、硅树脂在有机溶剂中分散混合得到Y2O3泥浆原料;
S4、制备SiC涂层:将纤维增强陶瓷基复合材料基板浸入步骤S1配制的泥浆原料中,通过浸渍提拉法在复合材料基板表面制备SiC涂层,得到带有SiC涂层的纤维增强陶瓷基复合材料基板;
S5、制备莫来石涂层:将带有SiC涂层的纤维增强陶瓷基复合材料基板浸入步骤S2配制的泥浆原料中,通过浸渍提拉法在SiC涂层表面制备莫来石涂层,得到带有SiC涂层和莫来石涂层的纤维增强陶瓷基复合材料基板;
S6、制备硅酸钇涂层:将带有SiC涂层和莫来石涂层的纤维增强陶瓷基复合材料基板浸入步骤S3配制的泥浆原料中,通过浸渍提拉法在莫来石涂层表面制备硅酸钇涂层,完成纤维增强陶瓷基复合材料表面涂层体系的制备。
6.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于,所述制备方法还包括以下步骤:重复步骤S6的操作方法,每次变化Y2O3泥浆原料中的硅钇原子比,在步骤S5制得的莫来石涂层上,由下至上依次制备硅钇原子比逐渐变小的硅酸钇单层涂层,形成硅酸钇多层涂层。
7.根据权利要求5或6所述的制备方法,其特征在于,所述步骤S1中,所述SiC粉与所述硅树脂的体积比为1∶1~1∶9;所述步骤S2中,所述Al2O3粉与所述硅树脂的质量比为1.4∶1~2.3∶1;所述步骤S3中,所述Y2O3粉与所述硅树脂的质量比为1.2∶1~2.5∶1;所述有机溶剂为乙醇。
8.根据权利要求5或6所述的制备方法,其特征在于,所述步骤S4中所述SiC涂层通过浸渍提拉法进行制备的具体过程为:
S4-1:将纤维增强陶瓷基复合材料基板浸入到SiC泥浆原料中并保持2min~20min,提拉成膜取出后放置30min~60min,然后,在空气中于200℃~300℃下进行交联2h~4h;
S4-2:重复步骤S4-1的浸渍提拉放置交联过程2~6次,然后在惰性气氛或真空环境中于800℃~1200℃下进行裂解1h~3h;
S4-3:重复步骤S4-2的过程2~6次,然后在惰性气氛或真空环境中于1400℃~1600℃下进行裂解1h~4h;
S4-4:以步骤S4-1、S4-2和S4-3为一个循环,重复该循环过程2~4次,使SiC涂层达到预设厚度并致密化,得到带有SiC涂层的复合材料基板。
9.根据权利要求5或6所述的制备方法,其特征在于,所述步骤S5中所述莫来石涂层通过浸渍提拉法进行制备的具体过程为:
S5-1:将带有SiC涂层的复合材料基板浸入到Al2O3泥浆原料中并保持2min~20min,提拉成膜取出后放置30min~60min,然后在空气中于200℃~300℃下进行交联2h~4h;
S5-2:重复步骤S5-1的浸渍提拉放置交联过程2~6次,然后在空气中于700℃~900℃下进行裂解1h~2h,使硅树脂转化为SiO2,接着在惰性气氛或真空中以1100℃~1300℃热处理1h~3h;
S5-3:重复步骤S5-2的过程2~6次,然后在惰性气氛或真空中以1400℃~1600℃煅烧1h~3h,得到带有SiC涂层和莫来石涂层的复合材料基板。
10.根据权利要求5或6所述的制备方法,其特征在于,所述步骤S6中所述硅酸钇单层涂层通过浸渍提拉法制备的具体过程为:
S6-1:将带有SiC涂层和莫来石涂层的复合材料基板浸入到Y2O3泥浆原料中并保持2min~20min,提拉成膜取出后放置30min~60min,然后在空气中于200℃~300℃下进行交联2h~4h;
S6-2:重复步骤S6-1的浸渍提拉放置交联过程2~6次,然后在空气中于700℃~900℃下进行裂解1h~2h,使硅树脂转化为SiO2,接着在惰性气氛或真空中于1100℃~1300℃下进行热处理1h~3h;
S6-3:重复步骤S6-2的过程2~6次,接着在惰性气氛或真空中于1400℃~1600℃下进行煅烧1h~3h,完成复合材料表面SiC、莫来石和硅酸钇涂层体系的制备。
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