专利名称：一种碳/碳复合材料纳米碳化硅外涂层的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种纳米碳化硅外涂层的制备方法，具体涉及一种碳/碳复 合材料纳米碳化硅外涂层的制备方法。
背景技术：
近年来碳/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争性能不降反升的怜性， 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45(TC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。为了消除热膨 胀系数的差异，碳化硅是外涂层的首选材料(与SiC内涂层具有相同的热 膨胀系数)。
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[Huang Jian-Feng, Zeng Xie-Rong， Li He-Jun， Xiong Xin-Bo， Sun Guo-ling. 5y/r/. coat 7fec/ /70丄2005，255.]，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. 5b/7》z^胞ter. 2005， 5《923.]，而原位成型法制备的涂层需要在150(TC下高温处理，且 不會g—次制备完成[Huang Jian—Feng, Li He—Jun， Zeng Xie—Rong， Li Ke-Zhi. 5"〃r/: coat 7fec力/70丄2006， i^Q 5379.]，同样采用熔浆涂覆反 应法制备涂层仍然存在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 QiarrGang， Sun Guo-Dong. Car力肌2007，錄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 米碳化硅外涂层制备方法。
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40 nm的碳化硅粉体，纯度》99.7%的单质碘 和纯度》99. 8%的异丙醇为原料首先将0. 5 - 1. 0g的碳化硅粉体加入锥 形瓶中，再将100-300ml的异丙醇倒入锥形瓶中得到悬浮液，再将悬浮 液放入200 - 300 W超声波发生器中震荡30 - 60 min后，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 - 300 W的超声
波发生器中震荡30-60 min，取出后放在磁力搅拌器上搅拌12-24 h， 制得溶液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，将水热 釜放入烘箱中；再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 °C，电泳时间控制在5 - 60 min，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 "C下干燥2 - 4 h，即得最终产物纳米碳化硅外涂层保护的碳/碳复合材料。
本发明采用水热电泳沉积法能够制备出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，操作方便，原料易得，所得纳米碳化硅外涂层致密均匀，反应周 期短，成本低；制备的纳米碳化硅外涂层在150(TC静态有氧气氛中氧化失 重仅0.8%，可有效保护C/C复合材料500小时。
图1为本发明制备纳米碳化硅外涂层表面(XRD)图谱，其中横坐标 为衍射角2 e ，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 °C，电泳沉积电压210 V下制备碳/碳 复合材料纳米碳化硅外涂层表面的场发射扫描电镜(FE-SEM)照片；
图3为本发明在水热温度120 。C，电泳沉积电压210 V下制备的纳米 碳化硅涂层的断面扫面电镜(SEM)照片。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例l:选市售平均粒度为40 nm的碳化硅粉体，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的碳化硅粉体加入 锥形瓶中，再将260ml的异丙醇倒入锥形瓶中得到悬浮液，再将悬浮液放 入300W超声波发生器中震荡30min后，在磁力搅拌器上搅拌12h得到悬 浮液A;向悬浮液A中加入0.05g的碘单质，放入300W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，制得溶液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，将水热釜放入烘箱中；再将水热 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°C，电 泳时间控制在30min,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9(TC下 干燥3h，即得最终产物纳米碳化硅外涂层保护的碳/碳复合材料。
实施例2:选市售平均粒度为40 nm的碳化硅粉体，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的碳化硅粉体加入 锥形瓶中，再将150ml的异丙醇倒入锥形瓶中得到悬浮液，再将悬浮液放 入230W超声波发生器中震荡50min后，在磁力搅拌器上搅拌16h得到悬 浮液A;向悬浮液A中加入0.2g的碘单质，放入230W的超声波发生器中 震荡50min，取出后放在磁力搅拌器上搅拌16h，制得溶液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，将水热釜放入烘箱中；再将水热 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160°C，电 泳时间控制在10min，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IO(TC
下干燥2h，即得最终产物纳米碳化硅外涂层保护的碳/碳复合材料。
实施例3:选市售平均粒度为40 nm的碳化硅粉体，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的碳化硅粉体加入 锥形瓶中，再将200ml的异丙醇倒入锥形瓶中得到悬浮液，再将悬浮液放 入270W超声波发生器中震荡40min后，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. 08g的碘单质，放入270W的超声波发生器中 震荡40min，取出后放在磁力搅拌器上搅拌20h，制得溶液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，将水热釜放入烘箱中；再将水热 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2CKTC，电 泳时间控制在40min，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85。C下 干燥lh，即得最终产物纳米碳化硅外涂层保护的碳/碳复合材料。
实施例4:选市售平均粒度为40 nm的碳化硅粉体，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的碳化硅粉体加入 锥形瓶中，再将lOOml的异丙醇倒入锥形瓶中得到悬浮液，再将悬浮液放 入200W超声波发生器中震荡35min后，在磁力搅拌器上搅拌14h得到悬 浮液A;向悬浮液A中加入0.3g的碘单质，放入200W的超声波发生器中 震荡35min，取出后放在磁力搅拌器上搅拌14h，制得溶液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，将水热釜放入烘箱中；再将水热 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30(TC，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95-C下 干燥2h，即得最终产物纳米碳化硅外涂层保护的碳/碳复合材料。
实施例5:选市售平均粒度为40 nm的碳化硅粉体，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的碳化硅粉体加入 锥形瓶中，再将230ml的异丙醇倒入锥形瓶中得到悬浮液，再将悬浮液放 入250W超声波发生器中震荡60 min后，在磁力搅拌器上搅拌24h得到悬 浮液A;向悬浮液A中加入O.lg的碘单质，放入250W的超声波发生器中 震荡60min，取出后放在磁力搅拌器上搅拌24h，制得溶液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，将水热釜放入烘箱中；再将水热 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240°C，电 泳时间控制在50min，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8(TC下 干燥3h，即得最终产物纳米碳化硅外涂层保护的碳/碳复合材料。
实施例6:选市售平均粒度为40咖的碳化硅粉体，纯度》99.7%的 单质碘和纯度》99.8%的异丙醇为原料首先将l.Og的碳化硅粉体加入 锥形瓶中，再将300ml的异丙醇倒入锥形瓶中得到悬浮液，再将悬浮液放 入280 W超声波发生器中震荡55 min后，在磁力搅拌器上搅拌22h得到 悬浮液A;向悬浮液A中加入0.4g的碘单质，放入280 W的超声波发生器 中震荡55min，取出后放在磁力搅拌器上搅拌22h，制得溶液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，将水热釜放入烘箱中；再将水 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8(TC，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IO(TC 下干燥lh，即得最终产物纳米碳化硅外涂层保护的碳/碳复合材料。
将本发明制备的纳米碳化硅涂层试样用日本理学D/max2000PC X-射 线衍射仪分析样品，发现涂层所得图谱均为碳化硅衍射峰(图1)。将该样 品用日本JEOL公司生产的场发射JSM-6700F型扫描电子显微镜(图2)进
行观察，从照片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。将样品用荷兰FEI公司生产的FEI-QUANTA400型扫面电子显微 镜进行观察(图3)，发现制备出了致密厚度均匀且没有贯穿性裂纹的纳米 碳化硅外涂层。
权利要求
1、一种碳/碳复合材料纳米碳化硅外涂层的制备方法，其特征在于1)选市售平均粒度为40nm的碳化硅粉体，纯度≥99.7％的单质碘和纯度≥99.8％的异丙醇为原料首先将0.5-1.0g的碳化硅粉体加入锥形瓶中，再将100-300ml的异丙醇倒入锥形瓶中得到悬浮液，再将悬浮液放入200-300W超声波发生器中震荡30-60min后，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，制得溶液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，将水热釜放入烘箱中；再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，即得最终产物纳米碳化硅外涂层保护的碳/碳复合材料。
全文摘要
碳/碳复合材料纳米碳化硅外涂层的制备方法，首先将碳化硅粉体与异丙醇混合在超声波发生器中震荡后，磁力搅拌得到悬浮液A；向悬浮液A中加入碘单质，超声波发生器中震荡后，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。采用水热电泳沉积法能够制备出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，操作方便，原料易得，所得纳米碳化硅外涂层致密均匀，反应周期短。
文档编号C04B41/85GK101386550SQ20081023199
公开日2009年3月18日 申请日期2008年10月29日 优先权日2008年10月29日
发明者淼 刘, 曹丽云, 曾燮榕, 李贺军, 殷立雄, 博 王, 黄剑锋 申请人:陕西科技大学