纤维增强陶瓷基复合材料的表面涂层体系及其制备方法_4

文档序号:9390316阅读:来源:国知局
,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°C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°C、1500°C、1600°C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S12SAl 203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3102具有很高的活性,在1400°C下就与Al 203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%Y2Si207+30wt% Y2S15涂层,在1400°C、1500°C、1600°C下煅烧后的相组成都为结晶程度很高的 70wt% Y2Si207+30wt% ¥23丨05相,而且70¥七% Y 2Si207+30wt% Y2S15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。
[0106]将带有本实施例的表面涂层体系的复合材料在1600°C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。
[0107]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。
[0108]本实施例中,SiC涂层的厚度为60 μπι;莫来石涂层的化学组成中,Al2O3与S12质量比为2.13: 1,莫来石涂层的厚度为80 μπι;硅酸钇涂层为两层涂层,由里向外依次是Y2Si2O7相单层、70wt% Y 2Si207+30wt% ¥讲05混合相单层,两个单层的厚度都为50 μπι。
[0109]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3.2 g/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10 μπι)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。
[0110]S2、配制莫来石涂层的泥浆原料:按Al2O3粉/硅树脂质量比1.4: I (对应莫来石涂层中六1203/5102质量比为2.13: 1),将Al 203粉(平均粒径0.1 μπι)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。
[0111]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Y 2Si207相),将Y2O3粉(平均粒径3 μπι)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Y 2Si207单层。按Y 203粉/硅树脂质量比1.48: I (对应70wt%Y2Si207+30wt% Y2S1#),将Y 203粉(平均粒径3 μ m)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% Y 2Si207+30wt% Y2S15单层。
[0112]S4、制备SiC内涂层:
54-1、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°C下交联2h。
[0113]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°C下裂解,裂解时升温速率为10°C /min,保温时间为lh。
[0114]S4-3、重复步骤S4-2的过程6次,然后在真空中于1400 °C下裂解,裂解时升温速率为15°C /min,保温时间为4h。
[0115]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60 μ m的致密SiC涂层,得到带有SiC内涂层的复合材料基板。
[0116]S5、制备莫来石中间层:
55-1、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°C下交联2h。
[0117]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°C下裂解,使硅树脂转化为S12,裂解时升温速率为10°C /min,保温时间为lh,接着在惰性气氛中于1100°C下进行热处理,热处理时升温速率为15°C /min,保温时间为3h。
[0118]S5-3、重复步骤S5-2的过程6次,最后在真空中于1400°C下进行煅烧,煅烧时升温速率为15°C /min,保温时间为3h,制备出厚度80 μπι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。
[0119]S6、制备 Y2Si2O7单层:
56-1、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 °C下交联2h。
[0120]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°C下裂解,使硅树脂转化为S12,裂解时升温速率为10°C /min,保温时间为lh,接着在真空中1100°C下热处理,热处理时的升温速率为10°C /min,保温时间为2h。
[0121]S6-3、重复步骤S6-2的过程3次,最后在惰性气氛中于1600°C下进行煅烧,煅烧时的升温速率为15°C /min,保温时间为lh,制备出厚度50 μπι的致密Y2Si2O7单层。
[0122]S7、制备 70wt% Y2Si207+30wt% Y2S15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% Y2Si207+30wt% Y2S15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°C下交联2h。
[0123]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°C下裂解,使硅树脂转化为S12,裂解时升温速率为10°C /min,保温时间为lh,接着在真空中1100°C下热处理,热处理时的升温速率为10°C /min,保温时间为2h。
[0124]S7-3、重复步骤S7-2的过程2次,最后在惰性气氛中于1600°C下进行煅烧,煅烧时的升温速率为15°C /min,保温时间为lh,制备出厚度50 μπι的致密70wt% Y2Si207+30wt%Y2S15单层,完成复合材料表面SiC/莫来石/硅酸钇涂层体系的制备。
[0125]该复合材料表面涂层体系中1400°C下裂解生成SiC涂层、1400°C下煅烧生成莫来石涂层、1600°C下煅烧生成Y2Si2O7涂层、1600°C下煅烧生成70wt% Y 2Si207+30wt% Y2S1^层的XRD图谱分别参见图2、图3、图4和图5。
[0126]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°C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°C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°C、1500°C、1600°C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S12SAl2O3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3102具有很高的活性,在1400°C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% Y2Si207+30wt% Y2Si(V?^l,在 1400°C、1500°C、1600°C下煅烧后的相组成都为结晶程度很高的Y2Si2O7相、70wt% Y 2Si207+30wt% Y2S15相,没有出现富余的S1 2或Y 203相,而且Y2Si2O7相、70wt% Y 2Si207+30wt% Y2S15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。
[0127]将带有本实施例的表面涂层体系的复合材料在1600°C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。
[0128]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。
[0129]本实施例中,SiC涂层的厚度为50 μπι ;莫来石涂层的化学组成中,Al2O3与S1 2质量比为2.13: 1,莫来石涂层的厚度为30 μπι;硅酸钇涂层为三层涂层,由里向外依次是厚度为40 μ m的Y2Si2O7相单层、厚度为30 μ m的70wt% Y 2Si207+30wt% ¥讲05混合相单层、厚度为20 μπι的Y2S1jg单层。
[0130]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3.2 g/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I μπι)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。
[0131]S2、配制莫来石涂层的泥浆原料:按Al2O3粉/硅树脂质量比1.4: I (对应莫来石涂层中Al203/Si0^量比为2.13: 1),将Al 203粉(平均粒径I μπι)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。
[0132]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Y 2Si207相),将Y2O3粉(平均粒径3 μπι)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Y 2Si207单层。按Y 203粉/硅树脂质量比1.48: I (对应70wt%Y2Si207+30wt% Y2S1#),将Y 203粉(平均粒径3 μ m)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% Y 2Si207+30wt% Y2S15单层。按Y 203粉/硅树脂质量比2.5:1 (对应Y2S1_),将Y 203粉(平均粒径10 μ m)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Y2S15单层。
[0133]S4、制备SiC内涂层:
54-1、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°C下交联2h。
[0134]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°C下裂解,裂解时升温速率为10°C /min,保温时间为lh。
[0135]S4-3、重复步骤S4-2的过程5次,然后在真空中于1500 °C下裂解,裂解时升温速率为15°C /min,保温时间为2h。
[0136]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50 μ m的致密SiC涂层,得到带有SiC内涂层的复合材料基板。
[0137]S5、制备莫来石中间层:
55-1、将带有SiC内涂层的复合材料基板浸入到
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