专利名称：一种对炭材料进行碳化硅涂层的方法
技术领域：
本发明涉及一种在炭材料表面进行碳化硅涂层的方法。
背景技术：
炭材料作为高温结构材料有许多优点，如热稳定性、化学稳定性、导
电性、抗热震等，在200(TC有高的力学强度。在航空、航天、冶金、核 能等领域获得广泛应用。但与氧化性气体在40(TC以上发生反应使性能降 低，使其在高温氧化性气氛中的应用受限。因此，对炭材料进行氧化防护 处理是提高其工作稳定性和可靠性的根本措施。
对炭材料进行涂层处理是解决炭材料高温氧化防护的一种主要方法。 SiC作为涂层材料具有热膨胀系数与基体接近、低密度、良好的力学性质 等优点。而且在高温空气中，SiC能氧化生成可以有效阻止原子氧扩散侵 入的Si02玻璃，进一步提高抗氧化性能。是目前用于炭材料防护的主要 涂层材料。目前制备SiC涂层的主要方法有包埋法，化学气相沉积法， 热喷涂，湿化学法等。但这几种方法工艺复杂，可控性差、成本高且涂层 常常会有微裂纹，抗氧化能力不高。Zhu等(carbon, 1999， 37: 1475-1484) 在石墨材料表面涂覆法制备了 SiC涂层，该涂层具有良好的抗氧化性能， 但过程复杂，不利于推广。电泳沉积制备涂层具有快速、可控、成本低、 涂层均匀等优点，近年来对此的研究正逐步展开。专利申请号93100182. X 是一种电泳沉积-反应烧结覆盖型涂层的涂覆方法，采用了先电泳沉积后 烧结的工艺实现了 MCrAlX涂层的制备。但由于采用包埋渗镀以提高沉积 物与基体的结合力造成了镀层的可控性差，也增加了制备成本。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种低成本、可控性好的 炭材料表面进行碳化硅涂层的方法。
本发明的目的是这样实现的按一定比例将硅粉、丙酮、添加剂、粘 结剂混合，超声分散3 5min制得稳定悬浮液。在炭材料表面电泳沉积Si， 以炭材料作为电极，可得到包覆Si的炭材料。在100 15(TC的环境中干燥 之后在电阻炉中加热烧结。加热温度为1000°C 1500°C，保温20 60分钟即 可制备炭材料的SiC涂层。
本发明的制备方法包括以下步骤(1) 对炭材料表面进行清洗，去污之后用蒸馏水超声清洗，然后干燥备用；
(2) 配置悬浮液将硅粉、粘结剂聚乙烯醇縮丁醛(PVB)放入丙酮中，
之后加入添加剂正丁胺，通过超声处理3 5min所得稳定悬浮液备用，悬浮 液保持在室温；各组份的加入量是硅粉浓度为10 60g/l丙酮，添加剂的加 入量为丙酮体积的0.5% 10%，粘结剂加入量为0.5 10g/l丙酮；
(3) 电泳沉积将炭材料作为阳极通电后放入悬浮液中，对悬浮液进行搅 拌，在10~60V/cm的电场强度下进行沉积，沉积过程中电压恒定，沉积时 间为1 10min,制成炭材料的包覆体，在100-15(TC的环境中干燥1 5小时， 得到干燥的炭材料包覆体；
(4) 将炭材料包覆体，首先以3 1(TC/分钟的加热速度加热到300°C~500 "C保温10 60分钟，然后再以3 6。C/分钟的加热速度加热到1200°C 1600 °C，保温20 60分钟，停止加热，冷却后，得到具有碳化硅涂层的炭材料。
如上所述的硅粉粒度小于20 y m。 本发明的优点如下
l.工艺过程相对简单，重复性好。2.沉积过程快速，所得涂层厚度可控 且涂层均匀，涂层厚度在20 200um。 3.应用范围广泛，不受基体形状的限 制，适合大规模制备涂层。4.采用先电泳沉积后烧结的方法实现SiC涂层的 梯度分布，促进了涂层与基体材料的化学结合，避免了由于热应力的集中 而导致涂层剥离。5.制备的抗氧化涂层具有抗热冲击性和良好的抗氧化性 能。
具体实施方式
实施例1
将粒径为40nm的Si粉2g， PVBlg与100ml丙酮混合后加入lml正 丁胺获得混合液，超声分散5min使悬浮液分散均匀。对石墨材料表面进 行清洗，去污，之后用蒸馏水超声清洗，干燥后作为阳极置于悬浮液中， 采用电泳沉积的方式沉积硅。沉积过程中电压恒定，电泳沉积参数为电场 强度50V/cm，沉积时间3min，可以在石墨材料表面包覆80 u m的涂层。 之后放于10(TC的干燥箱中干燥4小时，得到干燥的包覆体。将此包覆体 放于石墨坩埚，并将坩埚放于电阻炉中加热。升温速率为3。C/分钟至400 °C，保温30分钟，然后以4"C/分钟的加热速度将炉子加热到1200°C，保 温30分钟。停止加热，冷却后取出样品。在1200'C的静态空气中进行抗 氧化性能测试，未涂层的石墨氧化1小时重量损失25%;经涂层处理后， 氧化10小时重量损失为0.8%。实施例2
将粒径为lOOnm的Si粉3g， PVB5g与100ml丙酮混合后加入5ml 正丁胺获得混合液，超声分散5min使混合液分散均匀。对炭材料表面进 行清洗，去污，之后用蒸馏水超声清洗，干燥后作为阳极置于悬浮液中， 采用电泳沉积的方式沉积硅。沉积过程中电压恒定，电泳沉积参数为电场 强度35V/cm，沉积时间5min，可以在炭材料表面包覆90^ m的涂层。之 后放于15(TC的干燥箱中干燥3小时，得到干燥的包覆体。将此包覆体放 于石墨坩埚，并将坩埚放于电阻炉中加热。升温速率为5。C/分钟至400°C， 保温20分钟，然后以5。C/分钟的加热速度将炉子加热到140CrC，保温40 分钟。停止加热，冷却后取出样品。在120(TC的静态空气中进行抗氧化 性能测试，未涂层的炭材料氧化1小时重量损失33%;经涂层处理后，氧 化IO小时重量损失为1.1%。
实施例3 .
将粒径为0.5 ti m的Si粉5g， PVB7g与100ml丙酮混合后加入10ml 正丁胺获得混合液，超声分散5min使混合液分散均匀。对炭材料表面进 行清洗，去污，之后用蒸馏水超声清洗，干燥后作为阳极置于悬浮液中， 采用电泳沉积的方式沉积硅。沉积过程中电压恒定，电泳沉积参数为电场 强度20V/cm，沉积时间10min，可以在炭材料表面包覆100 P m的涂层。 之后放于10(TC的干燥箱中干燥2小时，得到干燥的包覆体。将此包覆体 放于石墨坩埚，并将坩埚放于电阻炉中加热。升温速率为1(TC/分钟至400 °C，保温60分钟，然后以6'C/分钟的加热速度将炉子加热到1450°C,保 温20分钟。停止加热，冷却后取出样品。在120(TC的静态空气中进行抗 氧化性能测试，未涂层的炭材料氧化1小时重量损失33%;经涂层处理后， 氧化10小时重量损失为0.6%。 实施例4
将粒径为5 ti m的Si粉3g， PVB2g与100ml丙酮混合后加入2ml正 丁胺获得混合液，超声分散5min使混合液分散均匀。对炭材料表面进行 清洗，去污，之后用蒸馏水超声清洗，干燥后作为阳极置于悬浮液中，采 用电泳沉积的方式沉积硅。沉积过程中电压恒定，电泳沉积参数为电场强 度50V/cm，沉积时间3min，可以在炭材料表面包覆120n m的涂层。之 后放于12(TC的干燥箱中干燥1小时，得到干燥的包覆体。将此包覆体放
于石墨坩埚，并将坩埚放于电阻炉中加热。升温速率为6i:/分钟至4ocrc，
保温50分钟，然后以5"C/分钟的加热速度将炉子加热到1450°C，保温30分钟。停止加热，冷却后取出样品。在120(TC的静态空气中进行抗氧化 性能测试，未涂层的炭材料氧化1小时重量损失33%;经涂层处理后，氧 化10小时重量损失为0.3%。 实施例5
将粒径为15 u m的Si粉2g， PVBlg与100ml丙酮混合后加入3ml 正丁胺获得混合液，超声分散4min使混合液分散均匀。对炭材料表面进 行清洗，去污，之后用蒸馏水超声清洗，干燥后作为阳极置于悬浮液中， 采用电泳沉积的方式沉积硅。沉积过程中电压恒定，电泳沉积参数为电场 强度50V/cm，沉积时间2min，可以在炭材料表面包覆140 u m的涂层。 之后放于12(TC的干燥箱中干燥4小时，得到干燥的包覆体。将此包覆体 放于石墨坩埚，并将坩埚放于电阻炉中加热。升温速率为4i:/分钟至450 。C，保温40分钟，然后以5。C/分钟的加热速度将炉子加热到150(TC，保 温30分钟。停止加热，冷却后取出样品。在120(TC的静态空气中进行抗 氧化性能测试，未涂层的炭材料氧化1小时重量损失33%;经涂层处理后， 氧化10小时重量损失为0.1%。 实施例6
将粒径为15 u m的Si粉3g， PVB1.5g与100ml丙酮混合后加入lml 正丁胺获得混合液，超声分散5min使混合液分散均匀。对炭材料表面进 行清洗，去污，之后用蒸馏水超声清洗，干燥后作为阳极置于悬浮液中， 采用电泳沉积的方式沉积硅。沉积过程中电压恒定，电泳沉积参数为电场 强度40V/cm，沉积时间4min，可以在炭材料表面包覆160 n m的涂层。 之后放于12(TC的干燥箱中干燥2小时，得到干燥的包覆体。将此包覆体 放于石墨坩埚，并将坩埚放于电阻炉中加热。升温速率为5"C/分钟至450 °C，保温30分钟，然后以3。C/分钟的加热速度将炉子加热到1500°C，保 温60分钟。停止加热，冷却后取出样品。对样品进行抗热冲击实验，具 体步骤是将炉子升温至IOO(TC，放入样品10分钟，取出迅速投入室温的 水中，重复以上操作10次，涂层完整，未见涂层裂纹。试样重量损失率 为0.5%，涂层有好的抗热冲击性。
权利要求
1、一种对炭材料进行碳化硅涂层的方法，其特征在于包括如下步骤(1)对炭材料表面进行清洗，去污之后用蒸馏水超声清洗，然后干燥备用；(2)配置悬浮液将硅粉、粘结剂聚乙烯醇缩丁醛放入丙酮中，之后加入添加剂正丁胺，通过超声处理3～5min所得稳定悬浮液备用，悬浮液保持在室温；各组份的加入量是硅粉浓度为10～60g/l丙酮，添加剂的加入量为丙酮体积的0.5％～10％，粘结剂加入量为0.5～10g/l丙酮；(3)电泳沉积将炭材料作为阳极通电后放入悬浮液中，对悬浮液进行搅拌，在10～60V/cm的电场强度下进行沉积，沉积过程中电压恒定，沉积时间为1～10min，制成炭材料的包覆体，在100-150℃的环境中干燥1～5小时，得到干燥的炭材料包覆体；(4)将炭材料包覆体，首先以3～10℃/分钟的加热速度加热到300℃～500℃保温10～60分钟，然后再以3～6℃/分钟的加热速度加热到1200℃～1600℃，保温20～60分钟，停止加热，冷却后，得到具有碳化硅涂层的炭材料。
2、如权利要求1所述的一种炭材料表面高温抗氧化涂层的制备方法，其特 征在于所述的硅粉粒度小于20 u m。
全文摘要
一种对炭材料进行碳化硅涂层的方法是将硅粉、丙酮、添加剂、粘结剂混合，超声分散3～5min制得稳定悬浮液。在炭材料表面电泳沉积Si，以炭材料作为电极，可得到包覆Si的炭材料。在100～150℃的环境中干燥之后在电阻炉中加热烧结。加热温度为1000℃～1500℃，保温20～60分钟即可制备炭材料的SiC涂层。本发明具有工艺过程相对简单，重复性好，沉积过程快速，所得涂层厚度可控且涂层均匀的优点。
文档编号C04B41/65GK101423422SQ20081007979
公开日2009年5月6日 申请日期2008年11月12日 优先权日2008年11月12日
发明者朗 刘, 史景利, 赵文涛, 郭全贵 申请人:中国科学院山西煤炭化学研究所