一种SiC晶须增韧莫来石抗氧化涂层的制备方法

文档序号:9517648阅读:471来源:国知局
一种SiC晶须增韧莫来石抗氧化涂层的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种SiC晶须增韧莫来石抗氧化涂层的制备方法,属于高温抗氧化/抗腐蚀涂层制备技术领域。
【背景技术】
[0002]碳/碳复合材料(C/C)具有热膨胀系数低、密度低、导热导电性能和高温下的力学性能优异以及耐烧蚀、耐腐蚀、摩擦系数稳定等一系列优良特性,使其成为一种拥有巨大发展潜力和广阔应用前景的高温结构材料。但是,碳/碳复合材料在高温氧化性环境下的氧化失效制约了其应用范围的推广。研究表明,抗氧化涂层是解决碳/碳复合材料高温氧化问题的有效技术途径。
[0003]由于莫来石陶瓷具有高温相稳定性好,力学性能优异,抗热震/热循环能力强,耐腐蚀性环境等一系列优点,使其成为一类理想的抗氧化涂层材料体系。此外,由于莫来石陶瓷的热膨胀系数和SiC陶瓷的热膨胀系数很相近,将两者相结合可以发挥各自的优点从而达到理想的防护效果。因此以SiC陶瓷为打底层,莫来石陶瓷为外涂层为结构特点的碳/碳复合材料抗氧化涂层结构近年来受到了研究者的广泛关注。
[0004]在陶瓷涂层中引入晶须增韧相可以提高涂层韧性,增加裂纹抗性,大幅改善涂层在热循环/热震条件下的抗氧化性能,因此,晶须增韧型涂层的制备技术已经成为抗氧化/抗腐蚀涂层技术的发展趋势。然而,当前主要的制备技术,如化学气相沉积法(CVD)、刷涂法、包埋浸渗法等,都普遍存在着涂层性能差、制备工艺复杂、效率低、成本高,设备昂贵等不足。

【发明内容】

[0005]本发明针对现有技术存在的不足之处,提供了一种高质量、高效率和低成本的SiC晶须增韧莫来石涂层的制备方法。
[0006]本发明一种SiC晶须增韧莫来石抗氧化涂层的制备方法;包括下述步骤:
[0007]步骤一
[0008]以可溶性铝盐、硅酸酯为原料、按摩尔比,A1:Si:H20:有机溶剂:催化剂=(2?
3): (1?1.5): (5?8): (20?30): (0.3?0.5),配取原料、有机溶剂、催化剂后进行回流反应得到凝胶;所得凝胶经干燥后在1200?1350°C空气煅烧,得到粉料A ;
[0009]步骤二
[0010]以醋酸铝、硅酸酯为原料、按摩尔比,A1:S1:有机溶剂:催化剂=(2?3): (1?1.5): (5?8): (20?30): (0.3?0.5),配取原料、有机溶剂、催化剂后在60?85°C进行回流反应2?4h,再滴入去离子水;然后升温至80?85°C,保温,得到浆料B ;
[0011]步骤三
[0012]按质量比浆料B:粉料A = 3?7:1、优选为4?7:1、进一步优选为4?6:1,将粉料A加入浆料B中,然后再加入成膜助剂和干燥抑制剂混合均匀后,得到莫来石前驱体浆料;
[0013]步骤四
[0014]按质量比莫来石前驱体浆料:β -SiC晶须=1:0.05?0.15,称取β -SiC晶须和莫来石前驱体浆料后,将配取的β-SiC晶须加入莫来石前驱体浆料中,混合均匀;得到涂覆浆料;
[0015]步骤五;
[0016]采用涂覆浆料对基体进行涂覆后在1450?1520°C的含氧气氛中进行烧结,得到SiC晶须增韧莫来石抗氧化涂层;所述基体的熔点应大于1500°C。
[0017]本发明一种SiC晶须增韧莫来石抗氧化涂层的制备方法;步骤一中,所述可溶性铝盐为硝酸铝、无水氯化铝或异丙醇铝中的一种或几种;所述硅酸酯选自正硅酸乙酯、正硅酸甲酯、正硅酸丙酯中的至少一种;所述有机溶剂选在无水乙醇、无水甲醇中的至少一种;所述催化剂选自冰醋酸和氢氟酸中的至少一种;
[0018]本发明一种SiC晶须增韧莫来石抗氧化涂层的制备方法;步骤一中,回流的时间为3?6h。
[0019]本发明一种SiC晶须增韧莫来石抗氧化涂层的制备方法;步骤一中,所得凝胶经干燥后在1200?1350°C空气煅烧1.5?3h。
[0020]本发明一种SiC晶须增韧莫来石抗氧化涂层的制备方法;步骤二中,所述硅酸酯选自正硅酸乙酯、正硅酸甲酯、正硅酸丙酯中的至少一种;所述有机溶剂选在无水乙醇、无水甲醇中的至少一种;所述催化剂选自冰醋酸和氢氟酸中的至少一种。
[0021]本发明一种SiC晶须增韧莫来石抗氧化涂层的制备方法;步骤二中,保温的时间为4?6h。
[0022]本发明一种SiC晶须增韧莫来石抗氧化涂层的制备方法;步骤三中,所述干燥抑制剂选自草酸、丙三醇中的至少一种;所述成膜助剂选自聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)中的至少一种。
[0023]本发明一种SiC晶须增韧莫来石抗氧化涂层的制备方法;步骤三中;所用成膜助剂的质量为浆料B质量的0.3?1 %,所用干燥抑制剂的质量为浆料B质量的5?8%。
[0024]本发明一种SiC晶须增韧莫来石抗氧化涂层的制备方法;步骤三中,
[0025]按质量比浆料B:粉料A = 3?7:1、优选为4?7:1、进一步优选为4?6:1,将粉料A加入浆料B中,然后按浆料B质量的0.3?1 %加入成膜助剂、按浆料B质量的5?8%加入干燥抑制剂后,进行球磨4?6h后得到莫来石前驱体浆料;球磨时控制转速为200?240转/min ;所用磨球的材质选自氧化锆或刚玉中的至少一种。
[0026]本发明一种SiC晶须增韧莫来石抗氧化涂层的制备方法;步骤四中,所述β -SiC晶须的的直径为0.1?2.5 μπι ;长径比彡20。
[0027]本发明一种SiC晶须增韧莫来石抗氧化涂层的制备方法;步骤四中,按质量比莫来石前驱体楽■料:P_SiC晶须=1:0.05?0.15,称取β-SiC晶须和莫来石前驱体楽料后,先将称取β -SiC晶须加入分散剂溶液中,超声分散30?60min,得到混合料,然后将混合料加入称取的莫来石前驱体楽料中,以120?160rpm的转速球磨20?30min得到SiC晶须增韧莫来石涂层前驱体浆料;所述分散剂溶液选自羧甲基纤维素溶液、聚丙烯酸胺溶液中的至少一种,其摩尔浓度为0.01?0.05mol/L ;球磨时所用磨球的材质选自氧化错或刚玉中的至少一种。
[0028]本发明中分散剂溶液的用量根据实际需求进行适应调整。在本发明中分散剂中,羧甲基纤维素和/或聚丙烯酸胺的摩尔浓度为0.01?0.05mol/Lo
[0029]本发明一种SiC晶须增韧莫来石抗氧化涂层的制备方法;步骤五中,所述涂覆为提拉涂覆;提拉涂覆的参数为:提拉速率小于等于lmm/min,提拉温度40?60°C,相对湿度低于等于30% RH,提拉釜内的氮气流速为0.8?1.5L/min。
[0030]本发明一种SiC晶须增韧莫来石抗氧化涂层的制备方法;步骤五中,所述含氧气氛为空气气氛。
[0031]本发明一种SiC晶须增韧莫来石抗氧化涂层的制备方法;步骤五中,所述基体选自包覆有SiC的C/C复合材料基体、SiC陶瓷基体、氮化硅陶瓷基体中的至少一种。优选为包覆有SiC的C/C复合材料基体。
[0032]本发明一种SiC晶须增韧莫来石抗氧化涂层的制备方法;所述包覆有SiC的C/C复合材料基体是通过下述步骤制备的:
[0033]步骤A
[0034]按质量份数计:
[0035]Si粉60?65份、SiC粉10?30份、炭粉5?10份、A1203粉1?5份配取Si粉、SiC粉、炭粉、A1203粉后混合均匀,得到-60目的包埋粉料;
[0036]步骤B
[0037]将C/C复合材料填埋于包埋粉料中,在保护气氛下,加热到1750°C?1800°C,保温2?2.5h,冷却至室温,得到包覆有SiC的C/C复合材料基体。
[0038]为了提高生产效率,步骤A中,采用湿磨的方式将配取的Si粉、SiC粉、炭粉、A1203粉混合均勾;湿磨时,控制转速为200?250r/min、时间为2?4h,湿磨完成后,在干燥箱中于80-120°C干燥48?72h,过筛,得到-60目的包埋粉料。
[0039]为了保证产品的质量,步骤B中所述C/C复合材料的密度为1.6?1.8g/cm3。
[0040]为了保证产品的质量,将C/C复合材料填埋于包埋粉料中,在保护气氛下,加热到1750°C?1800°C,保温2?2.5h,冷却至室温,取出样品,将样品用无水乙醇超声清洗干净后置于80?120°C下干燥2?4h后得到包覆有SiC的C/C复合材料基体。
[0041 ] 原理和优势
[0042]a)低成本、高效率和高质量的溶胶-凝胶法莫来石涂层前驱体制备技术:针对低成本、高质量要求,设计了两步、非完全水解的莫来石前驱体溶胶-凝胶合成工艺路线。涂层浆料配方中采用引入预煅烧莫来石微粉的方式大幅提高了前驱体的陶瓷产率,有利于减少烧结过程中的收缩,实现了厚度高、致密、无裂纹莫来石涂层的低温烧结制备。
[0043]b)SiC晶须高均匀性分散技术:为提高SiC晶须增韧相在莫来石涂层中的分布均匀性,在选用恰当分散剂的基础上,采用超声分散和球磨分散相结合的方式,同时以短球磨时间和低球磨转速的手段减少了分散过程中的晶须损伤,消除了 SiC晶须团聚现象,确保高分散均匀性。
[0044]c)高精度浸渍-提拉控制技术:通过高精度浸渍-提拉装置(另行申请专利)实现提拉速率、提拉环境的温、湿度的有效控制,保证了涂覆均匀性控制和干燥速率控制最优。
【附图说明】
[0045]图1为本发明实施例1制备的SiC晶须增韧莫来石外涂层表面SEM照片;
[0046]图2为本发明实施例1制备的SiC晶须增韧莫来石/SiC双涂层截面SEM照片;
[0047]图3为本发明制备的不同SiC晶须含量的SiC晶须增韧莫来石/SiC双层涂层包覆C/C基体在1450±55°C —室温燃烧台架热循环氧化下的氧化失重曲线。
[0048]从图1中可以看出SiC晶须增韧莫来石外涂层无裂纹,并且SiC晶须分散均匀,无团聚现象存在。
[0049]从图2中可以看出实施例1所制备的SiC晶须增韧莫来石外涂层平均厚度约为200 μ m,且与SiC底层结合良好。
[0050]从图3中可以看出经过SiC晶须增韧改性后的莫来石涂层的热循环性能得到大幅提高,且当SiC晶须加入量为10wt%时为最优。
【具体实施方式】
[0051]实施例1:
[0052]包埋法制备
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