一种声电沉积制备Y₂SiO₅/MoSi₂复合涂层的方法

专利名称：一种声电沉积制备Y₂SiO₅/MoSi₂复合涂层的方法
技术领域：
本发明涉及一种Y2Si(VMoSi2复合涂层的制备方法，具体涉及一种声 电沉积制备Y2Si0s/MoSi2复合涂层的方法。
背景技术：
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45(TC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。MoSi2(膨胀系数在300-1340K为8. 3X107K) 在180(TC抗氧化气氛下具有高温稳定性且具有自愈合功能，所以具有很好 的抗氧化效果，已广泛应用于高温合金、难熔金属的防氧化涂层。但是由 于其膨胀系数与C/C (膨胀系数约为1.2X107K)相差很大，单独使用会导致涂层的开裂和剥落，从而使涂层失败。所以选用具有高熔点、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
优异物化性能的硅酸钇材料与MoSi2构成复合抗氧化外涂层，并采用SiC为 过渡层极大程度上改善了外涂层与C/C复合材料膨胀系数不匹配的问题， 延长了C/C复合材料在高温下的使用寿命，起到了更好的防氧化效果。
到目前为止，抗氧化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， 使涂层不同程度上具有一定缺陷，因此低温制备工艺的开发一直是研究者 致力的方向之一。
声电沉积法的特点首先是声化学技术和电沉积技术的结合，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悬浮粒子的反应激活 能，使其在电沉积过程中反应更完全和充分。另外，利用超声波在悬浮液 中的震荡效应，不仅可以克服电沉积过程在工艺上的缺陷，而且能够弥补 普通电沉积不能解决的内外涂层的结合力问题。采用该法可避免采用传统 高温涂覆而引起的相变和脆裂，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，整个过程 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。
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 Jian_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YA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。另外， 对于MoSi2抗氧化涂层的制备，曾燮榕等(曾燮榕，杨峥，李贺军，航空 学报，1997， 18(4) :427-431.曾燮榕，李贺军，杨峥，硅酸盐学报， 1999， 27(1) :8-15.曾燮榕，李贺军，复合材料学报，2000， 17(2) :42-45.) 用包埋法制备的Si- MoSi2涂层包括MoSi2/SiC双相层、SiC致密层及Si 扩散区三部分，抗氧化涂层在150(TC经过242h的氧化，试样的失重率为 0.57%,长时间的氧化失重速率稳定在2.34X10—5g/m2.s; 160(TC氧化 115. 5h失重率为2.65%。

发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种工艺控制简单、制备温度低、涂层结构和形貌可控的声电沉积制备Y2Si0s/MoSi2复合 涂层的方法，按本发明制备出的涂层结构和形貌可控，结构致密、具有更 好结合力和抗氧化性能。
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(Y2Si05)、纯MoSi2粉体、 分析纯的异丙醇及碘为原材料，将Y2Si05和MoS;U按l: l的质量比混合均 匀得混合物，按混合物异丙醇=2.5-5g: 150ml的比例配制成悬浮液， 在1000-2000r/min搅拌8-12h后，按0. 5-1. 5g/L的比例在悬浮液中引入 碘，继续机械搅拌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，将上述悬浮液加入电沉积反应器中，以石墨电极为阳极、 以预先沉积了 50-100微米厚度SiC涂层的碳/碳复合材料为阴极；
3) 然后，将反应器放入超声波发生器中，同时将水浴恒温至50-100 °C，控制超声功率为80-150W，控制沉积电压为50-300V，沉积时间为 10-60min，电沉积完成后关闭沉积电源，同时停止加热，待电沉积反应器 冷却至室温后取出作为阴极的碳/碳复合材料；
4) 将碳/碳复合材料用蒸馏水洗涤后置于60-10(TC的干燥箱中干燥即 完成Y2SiOs/MoSi2复合涂层的制备得Y2Si(VMoSi2复合涂层涂覆的碳/碳复 合材料。
本发明采用声电沉积法在碳/碳-碳化硅复合材料表面制备 Y2Si(VMoSi2复合抗氧化外涂层，禾佣Y2Si05、 MoSi2粉体为原料，按照一
定的粉料配比，在一定的温度和电压下，不同的超声波功率可分别制备出 结构致密的、具有显微裂纹的、不同厚度的Y2Si0s/MoSi2涂层。这种方法的优点是工艺控制简单，涂层均匀，使涂层具有更好结合力，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抗氧化外涂层。 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Y2Si0s/MoSi2复合涂层。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%。
具体实施例方式
实施例1:首先，选用5微米分析纯的硅酸钇(Y2Si05)、纯MoSi2粉体、 分析纯的异丙醇及碘为原材料，将Y2Si0s和MoSi2按l: l的质量比混合均 匀得混合物，按混合物异丙醇二2.5g: 150ml的比例配制成悬浮液，在 1000r/min搅拌8h后，按0. 5g/L的比例在悬浮液中引入碘，继续机械搅 拌8h后，置于超声波中在100W的功率下振荡20min后备用；其次，将上 述悬浮液加入电沉积反应器中，以石墨电极为阳极、以预先沉积了 50微 米厚度SiC涂层的碳/碳复合材料为阴极；然后，将反应器放入超声波发 生器中，同时将水浴恒温至5(TC，控制超声功率为80W，控制沉积电压为 75V，沉积时间为15min，电沉积完成后关闭沉积电源，同时停止加热，待 电沉积反应器冷却至室温后取出作为阴极的碳/碳复合材料；将碳/碳复合 材料用蒸馏水洗涤后置于6(TC的干燥箱中干燥即完成Y2Si0s/MoSi2复合涂 层的制备得Y2Si05/MoSi2复合涂层涂覆的碳/碳复合材料。
实施例2:首先，选用1微米分析纯的硅酸钇(Y2Si05)、纯MoSi2粉体、 分析纯的异丙醇及碘为原材料，将Y2SiOs和MoSi2按l: l的质量比混合均 匀得混合物，按混合物异丙醇^g: 150ml的比例配制成悬浮液，在 1500r/min搅拌10h后，按1. 5g/L的比例在悬浮液中引入碘，继续机械搅拌10h后，置于超声波中在200W的功率下振荡40min后备用；其次，将 上述悬浮液加入电沉积反应器中，以石墨电极为阳极、以预先沉积了 80 微米厚度SiC涂层的碳/碳复合材料为阴极；然后，将反应器放入超声波 发生器中，同时将水浴恒温至8(TC，控制超声功率为IOOW，控制沉积电 压为200V，沉积时间为30min，电沉积完成后关闭沉积电源，同时停止加 热，待电沉积反应器冷却至室温后取出作为阴极的碳/碳复合材料；将碳/ 碳复合材料用蒸馏水洗涤后置于8(TC的干燥箱中干燥即完成Y2Si05/MoSi2 复合涂层的制备得Y2Si05/MoSi2复合涂层涂覆的碳/碳复合材料。
实施例3:首先，选用0. 05微米分析纯的硅酸钇(Y2Si05)、纯MoSi2 粉体、分析纯的异丙醇及碘为原材料，将Y2Sia和MoSi2按l: l的质量比 混合均匀得混合物，按混合物异丙醇二5g: 150ml的比例配制成悬浮液， 在2000r/min搅拌12h后，按lg/L的比例在悬浮液中引入碘，继续机械 搅拌12h后，置于超声波中在300W的功率下振荡60min后备用；其次， 将上述悬浮液加入电沉积反应器中，以石墨电极为阳极、以预先沉积了 100 微米厚度SiC涂层的碳/碳复合材料为阴极；然后，将反应器放入超声波 发生器中，同时将水浴恒温至10(TC，控制超声功率为150W，控制沉积电 压为300V，沉积时间为60min，电沉积完成后关闭沉积电源，同时停止加 热，待电沉积反应器冷却至室温后取出作为阴极的碳/碳复合材料；将碳/ 碳复合材料用蒸馏水洗涤后置于IO(TC的干燥箱中干燥即完成 Y2Si05/MoSi2复合涂层的制备得Y2Si05/MoSi2复合涂层涂覆的碳/碳复合材 料。
实施例4:首先，选用0.5微米分析纯的硅酸钇(Y2Si05)、纯MoSi2 粉体、分析纯的异丙醇及碘为原材料，将Y2Si0s和MoSi2按l: l的质量比混合均匀得混合物，按混合物异丙醇二4g: 150ml的比例配制成悬浮液， 在1800r/min搅拌llh后，按1. 3g/L的比例在悬浮液中引入碘，继续机 械搅拌9h后，置于超声波中在500W的功率下振荡10min后备用；其次， 将上述悬浮液加入电沉积反应器中，以石墨电极为阳极、以预先沉积了90 微米厚度SiC涂层的碳/碳复合材料为阴极；然后，将反应器放入超声波 发生器中，同时将水浴恒温至7(TC，控制超声功率为130W，控制沉积电 压为50V，沉积时间为10min，电沉积完成后关闭沉积电源，同时停止加 热，待电沉积反应器冷却至室温后取出作为阴极的碳/碳复合材料；将碳/ 碳复合材料用蒸馏水洗涤后置于9(TC的干燥箱中干燥即完成Y2Si05/MoSi2 复合涂层的制备得Y2Si05/MoSi2复合涂层涂覆的碳/碳复合材料。
权利要求
1、一种声电沉积制备Y2SiO5/MoSi2复合涂层的方法，其特征在于1)首先，选用0.05-5微米分析纯的硅酸钇(Y2SiO5)、纯MoSi2粉体、分析纯的异丙醇及碘为原材料，将Y2SiO5和MoSi2按1∶1的质量比混合均匀得混合物，按混合物∶异丙醇＝2.5-5g∶150ml的比例配制成悬浮液，在1000-2000r/min搅拌8-12h后，按0.5-1.5g/L的比例在悬浮液中引入碘，继续机械搅拌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，将上述悬浮液加入电沉积反应器中，以石墨电极为阳极、以预先沉积了50-100微米厚度SiC涂层的碳/碳复合材料为阴极；3)然后，将反应器放入超声波发生器中，同时将水浴恒温至50-100℃，控制超声功率为80-150W，控制沉积电压为50-300V，沉积时间为10-60min，电沉积完成后关闭沉积电源，同时停止加热，待电沉积反应器冷却至室温后取出作为阴极的碳/碳复合材料；4)将碳/碳复合材料用蒸馏水洗涤后置于60-100℃的干燥箱中干燥即完成Y2SiO5/MoSi2复合涂层的制备得Y2SiO5/MoSi2复合涂层涂覆的碳/碳复合材料。
全文摘要
一种声电沉积制备Y₂SiO₅/MoSi₂复合涂层的方法，利用Y₂SiO₅、MoSi₂粉体为原料，按照一定的粉料配比，在一定的温度和电压下，不同的超声波功率可分别制备出结构致密的、具有显微裂纹的、不同厚度的Y₂SiO₅/MoSi₂涂层。这种方法的优点是工艺控制简单，涂层均匀，使涂层具有更好结合力，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抗氧化外涂层。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Y₂SiO₅/MoSi₂复合涂层。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1600℃的高温下氧化200小时后试样的氧化失重小于0.5％。
文档编号C04B41/87GK101514474SQ200910021220
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