电泳沉积纳米线强韧化SiC抗氧化涂层的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种抗氧化涂层的制备方法，特别是涉及一种电泳沉积纳米线强韧化SiC抗氧化涂层的制备方法。
【背景技术】
[0002]炭/炭(C/C)复合材料兼具碳纤维增强复合材料优异的力学性能和碳素材料固有的耐高温性能，因而作为最主要的高温热结构材料，广泛应用于航天航空、国防工业、生物医学等各个领域。然而，C/C复合材料在高温氧化环境服役时极易被氧化，严重制约其进一步发展及深度应用。因SiC涂层对有氧环境服役的C/C复合材料可以起到有效的防护作用，以保障C/C复合材料的性能发挥，所以带有SiC涂层的C/C复合材料具有广泛的应用前景。可是由于涂层与基底结合不良及涂层易脆性断裂而导致涂层剥落及材料失效的现象常有发生。相关研宄报道在制备涂层过程引入纳米线，可有效改善基底与涂层结合性并强韧化涂层，进而提高涂层防护性能。
[0003]文献I “Yanhui Chu, Hejun Li, Lu Li, et al.0xidat1n protect1n of C/C composites by ultra long SiC nanowire-reinforced SiC - Si coating.Corros1nScience, 2014，84:204?208.”报道了在C/C复合材料表面制备利用原位生长超长SiC纳米线增强的SiC-Si涂层，可显著改善材料的抗氧化性能，1500°C下氧化160小时仅失重
0.44%。
[0004]专利I “李贺军，陈梓山，付前刚，褚衍辉.一种纳米线增强SiC耐磨涂层的制备方法.申请号201310105833.X.中国.”利用原位生长法制备SiC纳米线增强的SiC涂层使材料在800°C下的磨损率从1.51 X 10 3mm3.N 1.m 1降低至1.83 X 10 4mm3.N 1.m沁降低了一个数量级。
[0005]文献2 “Hejun Li, Yongjie Wang, Qiangang Fu, et al.SiC Nanowires ToughedHfC Ablative Coating for C/C Composites.Journal of Materials Science andTechnology, 2014,4:1?7.”在C/C复合材料表面生长SiC纳米线后，使用化学气相沉积(CVD)制备HfC涂层，发现SiC纳米线可增韧HfC涂层，降低材料的线烧蚀率与质量烧蚀率，提高材料的烧蚀性能。
[0006]在C/C复合材料涂层制备中引入SiC纳米线的方法主要为原位生长法，但是此类方法在涂层制备中存在一定的局限性。原位生长纳米线一般需要将试样埋入粉料或置于炉中通入前驱体，均在高温下生长，该生长工艺耗能大、污染大、周期长；生长过程对环境要求苛刻、对设备要求过高、对工艺依赖性极强；且无法精准控制单根纳米线的长度、直径、形貌等，亦无法良好控制纳米线生长的分布、含量与厚度。原位生长纳米线的可控性差直接影响涂层材料的防护性能，并且其成本高昂和工艺的不可靠性决定该方法难以适用于大型、异形件涂层的低成本制备。
【发明内容】
[0007]为了克服现有的制备方法可控性差的不足，本发明提供一种电泳沉积纳米线强韧化SiC抗氧化涂层的制备方法。该方法利用电泳工艺在C/C复合材料表面快速低成本沉积纳米线，并将C/C复合材料预先微氧化处理改善表面结构以利于纳米线沉积，借助电泳参数的改变实现对纳米线含量与厚度的精确控制，接着通过化学气相沉积制备SiC涂层。电泳沉积的SiC纳米线分布均匀且厚度可控；纳米线沉积于微氧化过程形成的沟壑与孔隙中可将涂层与基底良好地结合，从而降低发生涂层剥落失效的可能；SiC纳米线可强韧化涂层，从而提高涂层性能；同时由于SiC纳米线可减少涂层中裂纹的尺度与数量，阻断氧气扩散进入基底的通道，该方法制备的涂层具有优异的抗氧化性能。
[0008]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种电泳沉积纳米线强韧化SiC抗氧化涂层的制备方法，其特点是采用以下步骤:
[0009]步骤一、将C/C复合材料分别用水和无水乙醇超声清洗5-10min，置于空气中晾干或者烘箱烘干；
[0010]步骤二、在常压环境下以5-7 °C /min升温速度将电阻炉温从室温升至500-550 °C，将经过步骤一处理的C/C复合材料置于电阻炉恒温区，保温100-300min，随后关闭电源，自然冷却至室温，得到表面改善的多孔C/C复合材料；
[0011]步骤三、将质量百分比为0.025-0.127%的工业级SiC纳米线、质量百分比为0.01-0.013%的分析纯硝酸铝和质量百分比为0.127-0.254%的酚醛树脂加入到余量的异丙醇中超声波搅拌2-5h，制得均匀分散的电泳液；
[0012]步骤四、将步骤二制备的表面多孔的C/C复合材料置于与电泳仪阴极相连的电泳槽中固定，电泳槽中注入步骤三制备的电泳液，控制工作电压10-70V，沉积时间30-180S，沉积完成后取出，在30-80°C条件下烘干，得到表面沉积有SiC纳米线的C/C复合材料；
[0013]步骤五、将步骤四制备的含SiC纳米线的C/C复合材料放入化学气相沉积炉中，以三氯甲基硅烷为前驱体，采用MTS-H2-Ar沉积体系制备SiC涂层，其中Ar气作为稀释气体，4作为反应气体，MTS置于恒温水域中通过鼓泡H 2带入混气罐内与Ar和H 2混合均匀后一起进入反应炉内参与反应。沉积工艺如下:沉积温度为1100-1300°C，沉积压力为2000-4000Pa，沉积时间为6_8h。冷却后取出，得到表面制备有SiC纳米线的SiC涂层的C/C复合材料。
[0014]本发明的有益效果是:本发明利用电泳工艺在C/C复合材料表面快速低成本沉积纳米线，并将C/C复合材料预先微氧化处理改善表面结构以利于纳米线沉积，借助电泳参数的改变实现对纳米线含量与厚度的精确控制，接着通过化学气相沉积制备SiC涂层。电泳沉积的SiC纳米线分布均匀且厚度可控；纳米线沉积于微氧化过程形成的沟壑与孔隙中可将涂层与基底良好地结合，从而降低发生涂层剥落失效的可能；SiC纳米线可强韧化涂层，从而提高涂层性能；同时由于SiC纳米线可减少涂层中裂纹的尺度与数量，阻断氧气扩散进入基底的通道，该方法制备的涂层具有优异的抗氧化性能。制备的涂层试样在1200°c与1500°C下的氧化失重均小于未含SiC纳米线的涂层试样，经35小时氧化实验后，氧化失重率最高值仅为后者失重率的54%，抗氧化性能显著。
[0015]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作详细说明。
【附图说明】
[0016]图1是实施例3所制备的C/C复合材料微氧化结构表面SEM照片；
[0017]图2是实施例3所制备的电泳沉积SiC纳米线的C/C复合材料表面SEM照片；
[0018]图3是实施例3所制备的SiC纳米线强韧化SiC涂层的表面SEM照片；
[0019]图4是实施例3所制备的SiC纳米线强韧化SiC涂层的剖面SEM照片；
[0020]图5是实施例3所制备的SiC纳米线强韧化SiC涂层，与不含SiC纳米线强韧化SiC涂层在1500°C下的氧化失重对比曲线。
【具体实施方式】
[0021]以下实施例参照图1-5。
[0022]实施例1:
[0023]步骤I，将密度为P=L 75g/cm3的C/C的复合材料加工成60 X 45 X 1mm 3的试样，将C/C复合材料分别用水和无水乙醇超声清洗5min，置于空气中晾干或者烘箱烘干；
[0024]步骤2，在常压环境下以5°C /min升温速度将电阻炉温从室温升至500 °C，将经过步骤一处理的C/C复合材料置于电阻炉恒温区，保温300min，随后关闭电源，自然冷却至室温，得到表面改善的多孔C/C复合材料；
[0025]步骤3，取0.2g工业级SiC纳米线(其平均直径为80-120nm)、0.075g的分析纯硝酸铝和Ig酚醛树脂分散于100ml (质量为784g)的分析纯异丙醇中，超声分散2h，得到电泳液；
[0026]步骤4，将步骤2制备的表面多孔的C/C复合材料置于与电泳仪阴极相连的电泳槽中固定，电泳槽中注入步骤3制备的电泳液，控制工作电压10V，沉积时间180s，沉积完成后取出，在30°