专利名称：一种阴极旋转水热电泳沉积制备硅酸钇涂层的方法
技术领域：
本发明涉及一种硅酸钇涂层的制备方法，具体涉及一种阴极旋转水热 电泳沉积制备硅酸钇涂层的方法。
技术背景近年来碳/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'C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，但是由于碳/碳复合材料的特殊物化特性，许多高温陶瓷材料无法直 接作为高温涂层使用，因此大多采用过渡层/外涂层(耐高温陶瓷材料) 的复合涂层方法，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。由于硅酸钇材料具有高熔点、低杨氏模量、 低热膨胀系数、低高温挥发率、低高温氧气渗透率和耐化学腐蚀等优异的 物化性能，使其成为石墨、C/C及C/C-SiC复合材料和SiC结构陶瓷等高性 能材料高温抗氧化涂层的理想外涂层材料之一。到目前为止，硅酸钇涂层的制备技术主要有热等静压法、熔浆涂覆烧 结法、等离子喷涂法及原位形成法等。但由于以上方法均需要在高温下才 能制备出比较理想的涂层。而较高的制备温度可能对基体造成一定损伤， 因此低温制备工艺的开发一直是研究者致力的方向之一。阴极旋转水热电 泳沉积法其特点首先是将电沉积技术和水热技术结合，并利用超声波在反 应体系中产生的局部高温和高压有效降低硅酸钇悬浮粒子的反应激活能， 使其在水热电泳过程中反应更完全和充分。采用该法可避免采用传统高温 涂覆而弓f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；再者，水热电泳沉积 是带电粒子的定向移动，不会因电解水溶剂时产生的大量气体影响涂层与 基体的结合力。另外通过阴极高速旋转，避免了传统水热法需多次涂覆才 能得到结构致密均匀的涂层的缺点，实现了在可控的条件下获得致密的、 具有显微裂纹的、不同厚度的硅酸钇涂层。此外，阴极旋转水热电泳沉积 法还具有操作简单方便、成本低、沉积工艺易控制等特点。在采用电沉积法制备硅酸钇涂层的研究中，Chr. Argirusis， T. Damjanovic， M. Stojanovic， G. Borchardt (Chr. Argirusis, T. Damjanovic， M. Stojanovic， G. Borchardt. Current Research in Advanced Materials and Processes, 2005， pp. 451-456)等人用70 wt% Y2Si207和30wt%Y2Si05纳米粉体在乙丙醇中充分分散后，在60V的沉积 电压下沉积1-3分钟，在C/C-Si-SiC复合材料上制备出厚度为15-30 u m 的硅酸钇复合外涂层。该涂层在150(TC的静态空气中对C/C起到长达100小时的保护。黄剑锋(Huang Jian-Feng， Zeng Xie-Rong， Li He-Jun， Ceramics International, 2006 (32): 417-421. Huang Jlan-Feng， Zeng Xie-Rong， Li He-Jun， Journal of Material Science, 2004 (39): 7383-7385)等以梯度组分的硅酸钇纳米粉体为喷涂原料，采用等离子喷 涂法在SiC内涂层表面制备的Y203 2Si(V Y203 1. 5Si02/ Y203 Si02梯度 复合涂层较好的发挥了不同组分硅酸钇材料的特性，在160(TC下氧化116h 后材料失重低于2%;在此涂层体系中Y203和Si02呈梯度分布，极大地缓解 了涂层内部的热应力，外层的Y203 Si02 (Y2Si05)则起到热障涂层的作用， 降低了内涂层的服役温度，有利于提高涂层的抗氧化能力。黄剑锋、邓飞 等(黄剑锋、邓飞等， 一种梯度硅酸钇涂层的水热电泳沉积方法 [P]. CN1904144.)成功的利用水热电泳沉积法在碳/碳复合材料基体上 制备出了均匀、致密的硅酸钇梯度涂层。 发明内容本发明的目的在于提供一种工艺控制简单，涂层均匀，能够避免重复 操作的阴极旋转水热电泳沉积制备硅酸钇涂层的方法，本发明的制备方法 在相对较低的温度下制备出与基体结合好、抗氧化性能高、结构致密、均 匀，涂层厚度可控的硅酸钇涂层。为达到上述目的，本发明采用的技术方案是1)首先，选用0. 05-5微米分析纯的硅酸钇(Y2Si207)粉体、分析纯 的异丙醇及碘为原材料，按照￥251207:异丙醇=2.5_5§: 150ml的比例配 制成悬浮液，在1000-2000r/min下机械搅拌8-12h后，按0. 5-1. 5g/L 的比例在悬浮液中引入碘搅拌8-12h后，置于超声波中在100-500W的功 率下振荡10-60min后备用；2) 其次，将上述悬浮液加入水热电泳沉积反应釜中，以石墨电极为 阳极，以能够旋转的预先沉积了 50-100微米厚度SiC涂层的碳/碳复合材 料为阴极；3) 然后，待预先沉积了 50-100微米厚度SiC涂层的碳/碳复合材料 固定于阴极后，密封水热电泳沉积反应釜，同时将水热电泳沉积反应釜加 热至100-30(TC，控制沉积电压为50-300V，阴极转速控制为20-100r/min， 沉积10-60min，水热电泳沉积完成后停止加热，待水热釜冷却至室温后取出沉积有硅酸钇的碳/碳复合材料；4) 最后，用蒸馏水洗涤沉积有硅酸钇的碳/碳复合材料后置于60-100 'C的干燥箱中干燥获得硅酸钇(Y2Si207)涂层涂覆的碳/碳复合材料。本发明采用阴极旋转水热电泳沉积法在碳/碳-碳化硅复合材料表面 制备硅酸钇抗氧化外涂层，利用硅酸钇粉体为原料，按照一定的粉料配比， 在一定的温度和电压下，不同的阴极旋转速度可分别制备出结构致密的、 具有显微裂纹的、不同厚度的硅酸钇涂层。这种方法的优点是工艺控制简 单，涂层均匀， 一定程度上避免重复操作，可用于表面复杂产品，而且在 低温下可获得结构可控且性能良好的硅酸钇涂层。
图1是本发明实施例1制备的涂层断面的扫描电镜图。
具体实施方式
实施例1:首先，选用5微米分析纯的硅酸钇(Y2Si207)粉体、分析 纯的异丙醇及碘为原材料，按照Y2Si207:异丙醇4.5g: 150ml的比例配 制成悬浮液，在1500r/min下机械搅拌8h后，按0. 5g/L的比例在悬浮液 中引入碘搅拌12h后，置于超声波中在500W的功率下振荡60min后备用；其次，将上述悬浮液加入水热电泳沉积反应釜中，以石墨电极为阳极，以 能够旋转的预先沉积了 100微米厚度SiC涂层的碳/碳复合材料为阴极；然后，待预先沉积了 50-100微米厚度SiC涂层的碳/碳复合材料固定于阴 极后，密封水热电泳沉积反应釜，同时将水热电泳沉积反应釜加热至220 。C，控制沉积电压为300V，阴极转速控制为20r/min，沉积60min，水热 电泳沉积完成后停止加热，待水热釜冷却至室温后取出沉积有硅酸钇的碳 /碳复合材料；最后，用蒸馏水洗涤沉积有硅酸钇的碳/碳复合材料后置于 IO(TC的干燥箱中干燥获得硅酸钇(Y2Si207)涂层涂覆的碳/碳复合材料。 获得如图1所示硅酸紀(Y2Si207)涂层涂覆的碳/碳复合材料。从图1中可 以看出，硅酸钇外涂层厚约100微米，结构致密均匀，与内涂层结合良好。实施例2:首先，选用0. 05微米分析纯的硅酸钇(Y2Si207)粉体、分 析纯的异丙醇及碘为原材料，按照LSiA:异丙醇二5g: 150ml的比例配 制成悬浮液，在2000r/min下机械搅拌12h后，按1. 5g/L的比例在悬浮 液中引入碘搅拌lOh后，置于超声波中在100W的功率下振荡10min后备 用；其次，将上述悬浮液加入水热电泳沉积反应釜中，以石墨电极为阳极， 以能够旋转的预先沉积了 50微米厚度SiC涂层的碳/碳复合材料为阴极； 然后，待预先沉积了 50-100微米厚度SiC涂层的碳/碳复合材料固定于阴 极后，密封水热电泳沉积反应釜，同时将水热电泳沉积反应釜加热至100 °C，控制沉积电压为50V，阴极转速控制为100r/min，沉积10min，水热 电泳沉积完成后停止加热，待水热釜冷却至室温后取出沉积有硅酸钇的碳 /碳复合材料；最后，用蒸馏水洗涤沉积有硅酸钇的碳/碳复合材料后置于 6(TC的干燥箱中干燥获得硅酸钇(Y2Si207)涂层涂覆的碳/碳复合材料。实施例3:首先，选用0.5微米分析纯的硅酸钇(Y2Si207)粉体、分析纯的异丙醇及碘为原材料，按照Y2Si207:异丙醇=4§: 150ml的比例配 制成悬浮液，在1000r/min下机械搅拌10h后，按lg/L的比例在悬浮液 中引入碘搅拌8h后，置于超声波中在300W的功率下振荡30min后备用； 其次，将上述悬浮液加入水热电泳沉积反应釜中，以石墨电极为阳极，以 能够旋转的预先沉积了 80微米厚度SiC涂层的碳/碳复合材料为阴极；然 后，待预先沉积了 50-100微米厚度SiC涂层的碳/碳复合材料固定于阴极 后，密封水热电泳沉积反应釜，同时将水热电泳沉积反应釜加热至30(TC， 控制沉积电压为200V，阴极转速控制为60r/min，沉积40min，水热电泳沉积完成后停止加热，待水热釜冷却至室温后取出沉积有硅酸钇的碳/碳 复合材料；最后，用蒸馏水洗涤沉积有硅酸钇的碳/碳复合材料后置于80 'C的干燥箱中干燥获得硅酸钇(Y2SiA)涂层涂覆的碳/碳复合材料。本发明在相对较低的温度下可制备出与基体结合好、抗氧化性能高、 涂层厚度可控的硅酸钇涂层，同时避免了传统电泳沉积的重复操作所制备 的涂层能对碳/碳复合材料在高温下进行有效保护，在160(TC的高温下氧 化200小时后试样的氧化失重小于0. 5%。
权利要求
1、一种阴极旋转水热电泳沉积制备硅酸钇涂层的方法，其特征在于1)首先，选用0.05-5微米分析纯的硅酸钇(Y2Si2O7)粉体、分析纯的异丙醇及碘为原材料，按照Y2Si2O7∶异丙醇＝2.5-5g∶150ml的比例配制成悬浮液，在1000-2000r/min下机械搅拌8-12h后，按0.5-1.5g/L的比例在悬浮液中引入碘搅拌8-12h后，置于超声波中在100-500W的功率下振荡10-60min后备用；2)其次，将上述悬浮液加入水热电泳沉积反应釜中，以石墨电极为阳极，以能够旋转的预先沉积了50-100微米厚度SiC涂层的碳/碳复合材料为阴极；3)然后，待预先沉积了50-100微米厚度SiC涂层的碳/碳复合材料固定于阴极后，密封水热电泳沉积反应釜，同时将水热电泳沉积反应釜加热至100-300℃，控制沉积电压为50-300V，阴极转速控制为20-100r/min，沉积10-60min，水热电泳沉积完成后停止加热，待水热釜冷却至室温后取出沉积有硅酸钇的碳/碳复合材料；4)最后，用蒸馏水洗涤沉积有硅酸钇的碳/碳复合材料后置于60-100℃的干燥箱中干燥获得硅酸钇(Y2Si2O7)涂层涂覆的碳/碳复合材料。
全文摘要
一种阴极旋转水热电泳沉积制备硅酸钇涂层的方法，采用阴极旋转水热电泳沉积法在碳/碳-碳化硅复合材料表面制备硅酸钇抗氧化外涂层，利用硅酸钇粉体为原料，按照一定的粉料配比，在一定的温度和电压下，不同的阴极旋转速度可分别制备出结构致密的、具有显微裂纹的、不同厚度的硅酸钇涂层。这种方法的优点是工艺控制简单，涂层均匀，一定程度上避免重复操作，可用于表面复杂产品，而且在低温下可获得结构可控且性能良好的硅酸钇涂层。
文档编号C04B41/87GK101514473SQ20091002121
公开日2009年8月26日 申请日期2009年2月20日 优先权日2009年2月20日
发明者靖 卢, 吴建鹏, 夏昌奎, 曹丽云, 强 杨, 殷立雄, 王雅琴, 黄剑锋 申请人:陕西科技大学