一种Y₂SiO₅晶须增韧Y₂SiO₅复合涂层的制备方法

专利名称：一种Y₂SiO₅ 晶须增韧Y₂SiO₅ 复合涂层的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种高温抗氧化涂层的制备方法，具体涉及一种Y2SiO5晶须增韧Y2SiO5复合涂层的制备方法。
背景技术：
碳/碳(C/C)复合材料具有热膨胀系数低、密度低、耐高温、耐烧蚀、高强度、高模量等优异性能，特别是在惰性气氛的2200°C以内条件下其强度和模量随温度升高而增加的优异性能，使其在航空航天领域具有广阔的应用前景。然而，C/C复合材料在超过450°C的有氧环境就会被氧化，氧化质量损失导致其强度下降，限制了其在氧化气氛下的广泛应用。因此，解决C/C复合材料高温防氧化问题是充分利用其性能的关键。
提高C/C复合材料抗氧化性能主要有两种途径一种是基体改性技术；一种是表面涂层技术。研究表明，基体改性技术只适用于低温段对C/C材料的氧化保护。而涂层技术则能够有效解决C/C材料的高温防氧化问题。长期以来，无论采用何种涂层，涂层与C/C基体之间或与SiC内涂层之间的热膨胀系数差异均会导致涂层中出现或多或少的裂纹，从而使涂层在抗氧化过程中快速失效[JF Huang, XR Zeng, HJ Li, et al. Influence of thepreparation temperature onthe phase, microstructure and anti-oxidation propertyofa SiC coating for C/Ccomposites [J], Carbon, 2004, 42:1517-1521.]。因此，如何使内外涂层之间热膨胀系数匹配一直是一个很难解决的问题，而硅酸钇即是一种热膨胀系数与碳化硅非常接近的耐高温材料。黄剑锋[HuangJF, Li HJ, Zeng XR, et al. Preparation and oxidationkineticsmechanism of three layer multi-layer coatings coated carbon/carboncomposites[J]. Surface and Coating Technology, 2006，200 (18-19):5379-5385.]等开发了 Y2Si05/Y2Si207玻璃复合涂层，该复合涂层在1700°C的静态空气中经过200h的抗氧化测试，氧化失重仅为2. 87X10_3g/cm2，但内外涂层间的结合情况并不十分理想，成为制约涂层防氧化性能的关键问题。

发明内容
本发明的目的在于提供一种均匀、致密、无显微裂纹、抗氧化性能优异的Y2SiO5晶须增韧Y2SiO5复合涂层的制备方法。为达到上述目的，本发明采用的技术方案是步骤I :采用包埋法在C/C复合材料基体表面制备SiC多孔内涂层I)首先，取市售分析纯的Si粉、C粉和WO3粉，按Si粉C粉W03粉= (Γ2) : (2^3) : (0. 5^1. 0)的质量比配制包埋粉料，然后将预处理后的碳/碳复合材料放入石墨坩埚，并将其埋入包埋粉料中；2)其次，将石墨坩埚放入立式真空炉中，通入氩气作为保护气体，控制立式真空炉的升温速度为1(T30°C /min，将炉温从室温升至150(Tl80(TC后，保温I 3h后随炉自然冷却，用无水乙醇将完成包埋的碳/碳复合材料超声清洗O. 5 lh，超声功率为20(T400W ；3)最后，在5(T80°C的电热鼓风干燥箱中干燥得到带有SiC多孔内涂层的碳/碳复合材料；步骤2 :采用复合表面活性剂对Y2SiO5晶须进行表面改性I)将十六烷基苯磺酸钠配制成浓度为O. 4^0. 6mol/L的溶液，将Y2SiO5晶须见专利“一种Y2SiO5晶须的制备方法”(专利申请号201210137915. 8)浸泡在溶液中，超声辐射3(T50min，超声功率为30(T500W，然后过滤并分离出Y2SiO5晶须；2)将分离所得的Y2SiO5晶须与异丙醇按Y2SiO5晶须异丙醇=(6^12g)(10(T300ml)的比例配制成悬浮液，然后向悬浮液中按(O. 2^0. 4) g/mL加入碘，搅拌得到混合液； 步骤3 :采用超声电泳选择性组装沉积获得Y2SiO5晶须钉扎层I)将步骤2制得的混合液置于超声电沉积装置中，以步骤I制备的带有多孔SiC内涂层的C/C复合材料为阴极，以石墨为阳极，进行电沉积，超声功率控制为10(T300W，温度为2(T30°C，沉积电压为5(T70V，沉积电流为O. Γο. 2Α，沉积时间为3飞min ；2)沉积结束后，将阴极的复合材料取下，用蒸馏水洗涤3飞次，在8(T12(TC干燥，即在带有多孔SiC内涂层的碳/碳复合材料上得到Y2SiO5晶须嵌入SiC孔隙的Y2SiO5晶须钉扎层；步骤4 :采用水热电泳沉积法制备Y2SiO5晶须增韧Y2SiO5复合涂层I)取l(T30g Y2SiO5粉体悬浮于20(T400ml的异丙醇中，磁力搅拌l(T30h，随后加入O. Ol"O. 05g的碘,磁力搅拌l(T30h,制备成悬浮液；2)以步骤3制得的带有Y2SiO5晶须嵌入SiC孔隙的Y2SiO5晶须钉扎层的C/C复合材料作为沉积基体，固定沉积基体于阴极，阳极选用石墨板，将悬浮液倒入水热电泳沉积反应釜中，控制填充比为60 70%，加热到8(Tl40°C后保温，调整沉积电压为12(Tl80V进行水热电泳沉积，沉积6(T80min后停止通电，待试样冷却后取出，置于6(T80°C的烘箱中干燥，得到带有Y2SiO5晶须增韧Y2SiO5复合涂层的C/C复合材料试样。所述的Si粉、C粉和WO3粉的粒度为20 30 μ m。所述的C/C复合材料预处理包换以下步骤I)取飞机刹车片用的2D-碳/碳复合材料，将其加工成6X6X6 12X12X 12mm3的立方体，并对其进行打磨倒角的表面处理，倒角为3(Γ50° ；2)然后分别用去离子水和无水乙醇各超声清洗:Γ5次，每次清洗超声时间为l(T30min，超声功率为8(Tl20W，最后在5(T80°C的电热鼓风干燥箱中干燥。所述的Y2SiO5粉体的粒度为20 30 μ m。本发明借鉴晶须增韧陶瓷的思想[G Duan, HM Wang. High-temperaturewearresistance of a laser-clad y /Cr3Si metal silicide composite coating[J]. ScriptaMaterialia, 2002，46:107-111.]，将 Y2SiO5 晶须引入 Y2SiO5 外涂层和 SiC 内涂层之间，使涂层基体相与晶须间界面有较为牢固的结合，从而减小了 Y2SiO5涂层与SiC内涂层间因热膨胀系数失配及组织结构突变而引起的应力，在一定程度上降低了涂层开裂与剥落的趋势[曾燮榕，李贺军，杨峥，等.表面硅化对C/C复合材料组织结构的影响[J].金属热处理学报，2000，21 (2) :64-67.]。Y2SiO5F仅具有相当高的熔点(1980°C)，并且在1973K的高温下氧气渗透率极低，仅为 I X lCTlclkg/OiTs) [OguraY, Kondo M, Mormoto T, et al. Oxygenpermeability ofY2SiO5[J], Materials Transactions, 2001，42(6) :1124-1130. ]。Y2SiO5 晶须作SY2SiO5 夕卜涂层与SiC内涂层间的增韧材料，利用了相同物质间及其良好的物理化学相容性，增强了内外涂层、基体与内复合涂层间的结合力，有效防止涂层高温开裂和脱落的问题，在提高抗冲刷剪切应力作用的同时还可大大提高抗氧化性能。有益效果I)本发明制得的Y2SiO5晶须增韧Y2SiO5复合涂层均匀，致密，无显微裂纹，基体与 内涂层以及内外涂层之间的结合力明显提高。2)本发明制得的Y2SiO5晶须增韧Y2SiO5复合涂层在1900°C的静态空气中可对C/C复合材料进行200h的有效防氧化保护，氧化失重率小于O. 9%。


图I为实施例I制备的Y2SiO5晶须增韧Y2SiO5复合涂层断面的SEM照片。
具体实施例方式以下结合实施例及附图对本发明进行具体说明。实施例I :步骤I :C/C复合材料预处理I)取飞机刹车片用的2D-碳/碳复合材料，将其加工成6 X 6 X 6mm3的立方体，并对其进行打磨倒角的表面处理，倒角为30° ;2)然后分别用去离子水和无水乙醇各超声清洗3次，每次清洗超声时间为30min，超声功率为80W，最后在50°C的电热鼓风干燥箱中干燥；步骤2 :采用包埋法在C/C复合材料基体表面制备SiC多孔内涂层I)首先，取市售分析纯的粒度为20 30 μ m的Si粉、C粉和WO3粉，按Si粉C粉冊3粉=1 2 :0. 5的质量比配制包埋粉料，然后将预处理后的碳/碳复合材料放入石墨坩埚，并将其埋入包埋粉料中；2)其次，将石墨坩埚放入立式真空炉中，通入氩气作为保护气体，控制立式真空炉的升温速度为10°c /min，将炉温从室温升至1500°C后，保温3h后随炉自然冷却，用无水乙醇将完成包埋的碳/碳复合材料超声清洗lh，超声功率为200W ；3)最后，在50°C的电热鼓风干燥箱中干燥得到带有SiC多孔内涂层的碳/碳复合材料； 步骤3 :采用复合表面活性剂对Y2SiO5晶须进行表面改性I)将十六烷基苯磺酸钠配制成浓度为O. 4mol/L的溶液，将Y2SiO5晶须见专利“一种Y2SiO5晶须的制备方法”(专利申请号201210137915. 8)浸泡在溶液中，超声辐射30min，超声功率为500W，然后过滤并分离出Y2SiO5晶须；2)将分离所得的Y2SiO5晶须与异丙醇按Y2SiO5晶须异丙醇=6g 200ml的比例配制成悬浮液，然后向悬浮液中按O. 2g/mL加入碘,搅拌得到混合液；
步骤4 :采用超声电泳选择性组装沉积获得Y2SiO5晶须钉扎层I)将步骤3制得的混合液置于超声电沉积装置中，以步骤2制备的带有多孔SiC内涂层的C/C复合材料为阴极，以石墨为阳极，进行电沉积，超声功率控制为200W，温度为25°C，沉积电压为50V，沉积电流为O. 1A，沉积时间为6min ；2)沉积结束后，将阴极的复合材料取下，用蒸馏水洗涤5次，在80°C干燥，即在带有多孔SiC内涂层的碳/碳复合材料上得到Y2SiO5晶须嵌入SiC孔隙的Y2SiO5晶须钉扎层；步骤5 :采用水热电泳沉积法制备Y2SiO5晶须增韧Y2SiO5复合涂层I)取IOg粒度为20 30 μ m的Y2SiO5粉体悬浮于300ml的异丙醇中，磁力搅拌10h，随后加入O. Olg的碘,磁力搅拌IOh,制备成悬浮液；
2)以步骤4制得的带有Y2SiO5晶须嵌入SiC孔隙的Y2SiO5晶须钉扎层的C/C复合材料作为沉积基体，固定沉积基体于阴极，阳极选用石墨板，将悬浮液倒入水热电泳沉积反应釜中，控制填充比为60%，加热到80°C后保温，调整沉积电压为150V进行水热电泳沉积，沉积60min后停止通电，待试样冷却后取出，置于70°C的烘箱中干燥，得到带有Y2SiO5晶须增韧Y2SiO5复合涂层的C/C复合材料试样。由图I可以看出所制备的Y2SiO5晶须在多孔SiC内涂层与Y2SiO5外涂层间定向穿插，复合涂层均匀致密，没有裂纹，Y2SiO5晶须增韧Y2SiO5复合涂层厚度约为10(Γ120 μ m。实施例2:步骤I :C/C复合材料预处理I)取飞机刹车片用的2D-碳/碳复合材料，将其加工成9 X 9 X 9mm3的立方体，并对其进行打磨倒角的表面处理，倒角为40° ;2)然后分别用去离子水和无水乙醇各超声清洗4次，每次清洗超声时间为lOmin，超声功率为100W，最后在65°C的电热鼓风干燥箱中干燥；步骤2 :采用包埋法在C/C复合材料基体表面制备SiC多孔内涂层I)首先，取市售分析纯的粒度为20 30 μ m的Si粉、C粉和WO3粉，按Si粉C粉WO3粉=1. 5 3 :0. 8的质量比配制包埋粉料，然后将预处理后的碳/碳复合材料放入石墨坩埚，并将其埋入包埋粉料中；2)其次，将石墨坩埚放入立式真空炉中，通入氩气作为保护气体，控制立式真空炉的升温速度为20°C /min，将炉温从室温升至1650°C后，保温2h后随炉自然冷却，用无水乙醇将完成包埋的碳/碳复合材料超声清洗O. 5h，超声功率为300W ；3)最后，在65°C的电热鼓风干燥箱中干燥得到带有SiC多孔内涂层的碳/碳复合材料；步骤3 :采用复合表面活性剂对Y2SiO5晶须进行表面改性I)将十六烷基苯磺酸钠配制成浓度为O. 5mol/L的溶液，将Y2SiO5晶须见专利“一种Y2SiO5晶须的制备方法”(专利申请号201210137915. 8)浸泡在溶液中，超声辐射40min，超声功率为300W，然后过滤并分离出Y2SiO5晶须；2)将分离所得的Y2SiO5晶须与异丙醇按Y2SiO5晶须异丙醇=9g: IOOml的比例配制成悬浮液，然后向悬浮液中按O. 3g/mL加入碘,搅拌得到混合液；步骤4 :采用超声电泳选择性组装沉积获得Y2SiO5晶须钉扎层
I)将步骤3制得的混合液置于超声电沉积装置中，以步骤2制备的带有多孔SiC内涂层的C/C复合材料为阴极，以石墨为阳极，进行电沉积，超声功率控制为300W，温度为20°C，沉积电压为60V，沉积电流为O. 2A，沉积时间为4min ；2)沉积结束后，将阴极的复合材料取下，用蒸馏水洗涤3次，在100°C干燥，即在带有多孔SiC内涂层的碳/碳复合材料上得到Y2SiO5晶须嵌入SiC孔隙的Y2SiO5晶须钉扎层；步骤5 :采用水热电泳沉积法制备Y2SiO5晶须增韧Y2SiO5复合涂层I)取20g粒度为20 30 μ m的Y2SiO5粉体悬浮于200ml的异丙醇中，磁力搅拌20h，随后加入O. 03g的碘,磁力搅拌20h,制备成悬浮液；2)以步骤4制得的带有Y2SiO5晶须嵌入SiC孔隙的Y2SiO5晶须钉扎层的C/C复合材料作为沉积基体，固定沉积基体于阴极，阳极选用石墨板，将悬浮液倒入水热电泳沉积反应釜中，控制填充比为65%，加热到110°C后保温，调整沉积电压为120V进行水热电泳沉 积，沉积70min后停止通电，待试样冷却后取出，置于60°C的烘箱中干燥，得到带有Y2SiO5晶须增韧Y2SiO5复合涂层的C/C复合材料试样。实施例3 步骤I :C/C复合材料预处理I)取飞机刹车片用的2D-碳/碳复合材料，将其加工成12X 12X 12mm3的立方体，并对其进行打磨倒角的表面处理，倒角为50° ;2)然后分别用去离子水和无水乙醇各超声清洗5次，每次清洗超声时间为20min，超声功率为120W，最后在80°C的电热鼓风干燥箱中干燥；步骤2 :采用包埋法在C/C复合材料基体表面制备SiC多孔内涂层I)首先，取市售分析纯的粒度为20 30 μ m的Si粉、C粉和WO3粉，按Si粉C粉WO3粉=2 :2. 5 :1. O的质量比配制包埋粉料，然后将预处理后的碳/碳复合材料放入石墨坩埚，并将其埋入包埋粉料中；2)其次，将石墨坩埚放入立式真空炉中，通入氩气作为保护气体，控制立式真空炉的升温速度为30°C /min，将炉温从室温升至1800°C后，保温Ih后随炉自然冷却，用无水乙醇将完成包埋的碳/碳复合材料超声清洗lh，超声功率为400W ；3)最后，在80°C的电热鼓风干燥箱中干燥得到带有SiC多孔内涂层的碳/碳复合材料；步骤3 :采用复合表面活性剂对Y2SiO5晶须进行表面改性I)将十六烷基苯磺酸钠配制成浓度为O. 6mol/L的溶液，将Y2SiO5晶须见专利“一种Y2SiO5晶须的制备方法”(专利申请号201210137915. 8)浸泡在溶液中，超声辐射50min，超声功率为400W，然后过滤并分离出Y2SiO5晶须；2)将分离所得的Y2SiO5晶须与异丙醇按Y2SiO5晶须异丙醇=12g :300ml的比例配制成悬浮液，然后向悬浮液中按O. 4g/mL加入碘,搅拌得到混合液；步骤4 :采用超声电泳选择性组装沉积获得Y2SiO5晶须钉扎层I)将步骤3制得的混合液置于超声电沉积装置中，以步骤2制备的带有多孔SiC内涂层的C/C复合材料为阴极，以石墨为阳极，进行电沉积，超声功率控制为100W，温度为30°C，沉积电压为70V，沉积电流为O. 1A，沉积时间为3min ；
2)沉积结束后，将阴极的复合材料取下，用蒸馏水洗涤4次，在120°C干燥，即在带有多孔SiC内涂层的碳/碳复合材料上得到Y2SiO5晶须嵌入SiC孔隙的Y2SiO5晶须钉扎层；步骤5 :采用水热电泳沉积法制备Y2SiO5晶须增韧Y2SiO5复合涂层I)取30g粒度为20 30 μ m的Y2SiO5粉体悬浮于400ml的异丙醇中，磁力搅拌30h，随后加入O. 05g的碘,磁力搅拌30h,制备成悬浮液；2)以步骤4制得的带有Y2SiO5晶须嵌入SiC孔隙的Y2SiO5晶须钉扎层的C/C复合材料作为沉积基体，固定沉积基体于阴极，阳极选用石墨板，将悬浮液倒入水热电泳沉积反应釜中，控制填充比为70%，加热到140°C后保温，调整沉积电压为180V进行水热电泳沉 积，沉积SOmin后停止通电，待试样冷却后取出，置于80°C的烘箱中干燥，得到带有Y2SiO5晶须增韧Y2SiO5复合涂层的C/C复合材料试样。
权利要求
1.一种Y2SiO5晶须增韧Y2SiO5复合涂层的制备方法，其特征在于 步骤I:采用包埋法在C/C复合材料基体表面制备SiC多孔内涂层 1)首先，取市售分析纯的Si粉、C粉和WO3粉，按Si粉c粉:wo3粉= (Γ2) : (2^3) : (O. 5 I. O)的质量比配制包埋粉料，然后将预处理后的碳/碳复合材料放入石墨坩埚，并将其埋入包埋粉料中； 2)其次，将石墨坩埚放入立式真空炉中，通入氩气作为保护气体，控制立式真空炉的升温速度为1(T30°C /min，将炉温从室温升至150(Tl80(rC后，保温l 3h后随炉自然冷却，用无水乙醇将完成包埋的碳/碳复合材料超声清洗O. 5 lh，超声功率为20(T400W ； 3)最后，在5(T80°C的电热鼓风干燥箱中干燥得到带有SiC多孔内涂层的碳/碳复合材料； 步骤2 :采用复合表面活性剂对Y2SiO5晶须进行表面改性 O将十六烷基苯磺酸钠配制成浓度为O. 4^0. 6mol/L的溶液，将Y2SiO5晶须浸泡在溶液中，超声辐射3(T50min，超声功率为30(T500W，然后过滤并分离出Y2SiO5晶须； 2)将分离所得的Y2SiO5晶须与异丙醇按Y2SiO5晶须异丙醇=(6 12g) (10(T300ml)的比例配制成悬浮液，然后向悬浮液中按(O. 2^0. 4)g/mL加入碘，搅拌得到混合液； 步骤3 :采用超声电泳选择性组装沉积获得Y2SiO5晶须钉扎层 1)将步骤2制得的混合液置于超声电沉积装置中，以步骤I制备的带有多孔SiC内涂层的C/C复合材料为阴极，以石墨为阳极，进行电沉积，超声功率控制为10(T300W，温度为2(T30°C，沉积电压为5(T70V，沉积电流为O. Γθ. 2Α，沉积时间为3 6min ； 2)沉积结束后，将阴极的复合材料取下，用蒸馏水洗涤3飞次，在8(T12(TC干燥，即在带有多孔SiC内涂层的碳/碳复合材料上得到Y2SiO5晶须嵌入SiC孔隙的Y2SiO5晶须钉扎层； 步骤4 :采用水热电泳沉积法制备Y2SiO5晶须增韧Y2SiO5复合涂层 1)取l(T30gY2SiO5粉体悬浮于20(T400ml的异丙醇中，磁力搅拌l(T30h，随后加入O.Ol"O. 05g的碘,磁力搅拌l(T30h,制备成悬浮液； 2)以步骤3制得的带有Y2SiO5晶须嵌入SiC孔隙的Y2SiO5晶须钉扎层的C/C复合材料作为沉积基体，固定沉积基体于阴极，阳极选用石墨板，将悬浮液倒入水热电泳沉积反应釜中，控制填充比为60 70%，加热到8(Tl40°C后保温，调整沉积电压为12(Tl80V进行水热电泳沉积，沉积6(T80min后停止通电，待试样冷却后取出，置于6(T80°C的烘箱中干燥，得到带有Y2SiO5晶须增韧Y2SiO5复合涂层的C/C复合材料试样。
2.根据权利要求I所述的Y2SiO5晶须增韧Y2SiO5复合涂层的制备方法，其特征在于所述的Si粉、C粉和WO3粉的粒度为20 30 μ m。
3.根据权利要求I所述的Y2SiO5晶须增韧Y2SiO5复合涂层的制备方法，其特征在于所述的C/C复合材料预处理包换以下步骤 1)取飞机刹车片用的2D-碳/碳复合材料，将其加工成6X 6 X 6 12 X 12 X 12mm3的立方体，并对其进行打磨倒角的表面处理，倒角为3(Γ50° ； 2)然后分别用去离子水和无水乙醇各超声清洗:Γ5次，每次清洗超声时间为l(T30min，超声功率为8(Tl20W，最后在5(T80°C的电热鼓风干燥箱中干燥。
4.根据权利要求I所述的Y2SiO5晶须增韧Y2SiO5复合涂层的制备方法，其特征在于所述的Y2SiO5粉体的粒度为20 30 μ m。·
全文摘要
一种Y2SiO5晶须增韧Y2SiO5复合涂层的制备方法，采用包埋法在C/C复合材料基体表面制备SiC多孔内涂层，然后制备Y2SiO5晶须并采用复合表面活性剂对Y2SiO5晶须进行表面改性，采用超声电泳选择性组装沉积获得Y2SiO5晶须钉扎层，采用水热电泳沉积法制备Y2SiO5晶须增韧Y2SiO5复合涂层。本发明制得的Y2SiO5晶须增韧Y2SiO5复合涂层均匀，致密，无显微裂纹，基体与内涂层以及内外涂层之间的结合力明显提高。本发明制得的Y2SiO5晶须增韧Y2SiO5复合涂层在1900℃的静态空气中可对C/C复合材料进行200h的有效防氧化保护，氧化失重率小于0.9%。
文档编号C04B41/89GK102964147SQ201210458139
公开日2013年3月13日 申请日期2012年11月14日 优先权日2012年11月14日
发明者黄剑锋, 杨柳青, 曹丽云, 王雅琴, 费杰 申请人:陕西科技大学