专利名称：一种超长纳米线增韧陶瓷涂层的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种超长纳米线增韧陶瓷涂层的制备方法，具体涉及一种超长SiC纳米线增韧碳/碳(C/C)复合材料防氧化陶瓷涂层的制备方法。
背景技术：
高温易氧化是C/C复合材料作为热结构材料在实际应用中最难突破的瓶颈问题。国内外研究者提出了许多解决方法，其中，陶瓷涂层技术是解决C/C复合材料高温易氧化难题的有效手段。然而，在实际的应用过程中，由于陶瓷涂层与C/C基体之间的热膨胀系数不匹配易导致涂层在高低温交变过程中开裂，进而降低其防氧化能力。为了缓解了陶瓷涂层的开裂趋势，纳米线增韧陶瓷涂层技术引起了研究人员的极大关注。文献 “Oxidation protection of C/C composites with a multi layercoating of SiC and Si+SiC+SiC nanowires, Chu Yanhui, Li Hejun, Fu Qiangang, WangHaipeng, Hou Xianghui, Zou Xu, Shang Gunan.Carbon2012 (50): 1280-1288，，介绍了一种米用传统SiC纳米线增韧C/C复合材料陶瓷涂层的技术来缓解陶瓷涂层的开裂趋势。该技术尽管在一定程度上缓解了陶瓷涂层在高低温交变过程中的开裂趋势，提高了陶瓷涂层对C/C复合材料的防氧化能力，但传统纳米线自身较低的长径比限制了其在陶瓷涂层中的增韧效果。因此，制备的涂层在高低温交变的过程中依然容易开裂，最终导致其对C/C复合材料防氧化能力并不是很理想。研究结果表明:涂层试件在室温至1500° C的热重试验过程中，最大失重率达0.86%。
发明内容
要解决的技术问题为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种超长纳米线增韧陶瓷涂层的制备方法，可以降低陶瓷涂层在高低温交变过程中的开裂趋势，提高陶瓷涂层的防氧化能力。技术方案—种超长纳米线增韧陶瓷涂层的制备方法，其特征在于步骤如下:步骤1:将C/C复合材料打磨抛光后清洗，然后放入烘箱中烘干；步骤2:称取质量百分比为60 85%的Si粉，5 15%的SiC粉，7 15%的C粉和3 10%的Al2O3粉，置于球磨罐中，球磨混合处理2 4h得到混合的粉料；步骤3:将部分粉料敷设在石墨坩埚中，再放入烘干的C/C复合材料，C/C复合材料上再覆盖设部分粉料；步骤4:将石墨坩埚放入高温反应烧结炉中，以5 10° C/min升温速度将炉温从室温升至2000 2200° C，保温I 3h ;随后关闭电源自然冷却至室温，全程Ar气保护，得到带有陶瓷涂层的C/C复合材料；
步骤5:将石墨粉放入石墨坩埚中，使其均匀铺盖在坩埚底部，再将带有陶瓷涂层的C/C复合材料捆绑后悬挂在坩埚内的石墨粉上方；
步骤6:将石墨坩埚放入高温反应烧结炉中，以5 10° C/min升温速度将炉温从室温升至1400 1600° C，保温I 3h ;随后关闭电源自然冷却至室温，整个过程中通Ar保护，得到表面带有超长SiC纳米线的陶瓷涂层包覆的C/C复合材料；步骤7:将步骤2制备的部分粉料敷设在石墨坩埚中，再放入表面带有超长SiC纳米线的陶瓷涂层包覆的C/C复合材料，再覆盖部分粉料；步骤8:将石墨坩埚放入高温反应烧结炉中，以5 10° C/min升温速度将炉温从室温升至2000 2200° C，保温I 3h ;随后关闭电源自然冷却至室温，整个过程中通氩气保护，在C/C复合材料表面得到超长纳米线增韧陶瓷涂层。所述步骤3和步骤7中的部分粉料为粉料的1/4。所述步骤5中采用一束3k碳纤维捆绑C/C复合材料悬挂在坩埚内的石墨粉上方。所述Si粉的纯度为99.5%，粒度为300目。所述C粉的纯度为99%，粒度为320目。所述SiC粉的纯度为98.5%，粒度为300目。
所述Al2O3粉的纯度为分析纯，粒度为100 200目。所述石墨粉的纯度为98%，粒度为400目。有益效果本发明提出的一种超长纳米线增韧陶瓷涂层的制备方法，采用超长SiC纳米线增韧C/C复合材料防氧化陶瓷涂层，借助其自身较大的长径比可有效地将基体中的载荷转移到自身上，进而提高陶瓷涂层的韧性，降低陶瓷涂层的开裂趋势，最终提高陶瓷涂层的防氧化能力。与背景技术相比，制备的超长SiC纳米线增韧的陶瓷涂层可实现对C/C复合材料的有效防氧化保护。研究结果表明:涂层试件在室温至1500° C的热重试验过程中一直保持增重的状态，且最大增重率为1.21% 1.43%。与传统纳米线相比，超长纳米线作为增韧相时，借助其自身较大的长径比可有效地将基体中的载荷转移到自身上，进而提高陶瓷涂层的韧性，降低陶瓷涂层的开裂趋势，提高陶瓷涂层的防氧化能力。
图1是发明实施例2所制备的超长SiC纳米线表面SEM照片；图2是本发明实施例2所制备的超长SiC纳米线增韧的陶瓷涂层断面SEM照片；图3是本发明实施例2所制备的涂层试件在室温至1500° C的热重试验结果。
具体实施例方式现结合实施例、附图对本发明作进一步描述:实施例1:将C/C复合材料分别用400号、800号和1000号的砂纸依次打磨抛光后用无水乙
醇洗涤干净，于烘箱中烘干备用。分别称取60g的Si粉，15g的SiC粉，15g的C粉，IOg的Al2O3粉。置于球磨罐中，取不同数量不同直径的玛瑙球放入球磨罐中，在行星式球磨机上进行球磨混合处理2h，得到包埋粉料。
将上述1/4的包埋粉料放入石墨坩埚，放入制备好的C/C复合材料，再放入上述1/4的包埋粉料，使粉料均匀地包覆C/C复合材料，然后将石墨坩埚放入高温反应烧结炉中，之后将炉温升至2200° C，升温速率为10° C/min，然后保温lh，随后关闭电源自然冷却至室温，整个过程中通Ar保护，随后取出坩埚，清理粉料，得到陶瓷涂层包覆的C/C复合材料。将石墨粉放入石墨坩埚中，使其均匀铺放在坩埚底部，再将得到的陶瓷涂层包覆的C/C复合材料用一束3K碳纤维捆绑后悬挂在石墨粉上方，然后将石墨坩埚放入高温反应烧结炉中，之后将炉温升至1400° C，升温速率为5° C/min，然后保温3h。随后关闭电源自然冷却至室温，整个过程中通氩气保护。随后取出石墨坩埚，清理材料表面的碳纤维，得到表面带有超长SiC纳米线的陶瓷涂层包覆的C/C复合材料。将上述包埋粉料的1/4放入石墨坩埚，放入制备好的表面带有超长SiC纳米线的陶瓷涂层包覆的C/C复合材料，再放入1/4的包埋粉料，轻微的摇晃坩埚，使包埋粉料均匀地包埋表面带有超长SiC纳米线的陶瓷涂层包覆的C/C复合材料，然后将石墨坩埚放入高温反应烧结炉中，之后将炉温升至2200° C，升温速率为10° C/min，然后保温lh。随后关闭电源自然冷却至室温，整个过程中通Ar保护。随后取出坩埚，清理包埋粉料得到超长SiC纳米线增韧陶瓷涂层包覆的C/C复合材料。结果表明:涂层试件在室温至1500° C的热重试验过程中一直保持增重的状态，且最大增重率为1.21%。实施例2:将C/C复合材料分别用400号、800号和1000号的砂纸依次打磨抛光后用无水乙
醇洗涤干净，于烘箱中烘干备用。分别称取72g的Si粉，IOg的SiC粉，Ilg的C粉，7g的Al2O3粉。置于球磨罐中，取不同数量不同直径的玛瑙球放入球磨罐中，在行星式球磨机上进行球磨混合处理3h，得到包埋粉料。 将上述1/4的包埋粉料放入石墨坩埚，放入制备好的C/C复合材料，再放入上述1/4的包埋粉料，使粉料均匀地包覆C/C复合材料，然后将石墨坩埚放入高温反应烧结炉中，之后将炉温升至2100° C，升温速率为7° C/min，然后保温2h，随后关闭电源自然冷却至室温，整个过程中通Ar保护，随后取出坩埚，清理粉料，得到陶瓷涂层包覆的C/C复合材料。将石墨粉放入石墨坩埚中，使其均匀铺放在坩埚底部，再将得到的陶瓷涂层包覆的C/C复合材料用一束3K碳纤维捆绑后悬挂在石墨粉上方，然后将石墨坩埚放入高温反应烧结炉中，之后将炉温升至1500° C，升温速率为7° C/min，然后保温2h。随后关闭电源自然冷却至室温，整个过程中通氩气保护。随后取出石墨坩埚，清理材料表面的碳纤维，得到表面带有超长SiC纳米线的陶瓷涂层包覆的C/C复合材料将上述包埋粉料的1/4放入石墨坩埚，放入制备好的表面带有超长SiC纳米线的陶瓷涂层包覆的C/C复合材料，再放入1/4的包埋粉料，轻微的摇晃坩埚，使包埋粉料均匀地包埋表面带有超长SiC纳米线的陶瓷涂层包覆的C/C复合材料，然后将石墨坩埚放入高温反应烧结炉中，之后将炉温升至2100° C，升温速率为7° C/min，然后保温2h。随后关闭电源自然冷却至室温，整个过程中通Ar保护。随后取出坩埚，清理包埋粉料，得到带有超长SiC纳米线增韧陶瓷涂层的C/C复合材料。由图1可见，制备的SiC纳米线长度达到几个毫米，直径分布在50 200nm范围内，这些纳米线自由取向地、均匀地分布在陶瓷表面。由图2可见，陶瓷涂层的断面上存在大量的长的拔出纳米线。由图3可知，涂层试件在室温至1500° C的热重试验过程中一直保持增重的状态，且最大增重率为1.43%。实施例3将C/C复合材料分别用400号、800号和1000号的砂纸依次打磨抛光后用无水乙
醇洗涤干净，于烘箱中烘干备用。分别称取85g的Si粉，5g的SiC粉，7g的C粉，3g的Al2O3粉。置于球磨罐中，取不同数量不同直径的玛瑙球放入球磨罐中，在行星式球磨机上进行球磨混合处理4h，得到包埋粉料。 将上述1/4的包埋粉料放入石墨坩埚，放入制备好的C/C复合材料，再放入上述1/4的包埋粉料，使粉料均匀包覆C/C复合材料，然后将石墨坩埚放入高温反应烧结炉中，之后将炉温升至2000° C，升温速率为5° C/min，然后保温2h，随后关闭电源自然冷却至室温，整个过程中通Ar保护，随后取出坩埚，清理粉料，得到陶瓷涂层包覆的C/C复合材料。将石墨粉放入石墨坩埚中，使其均匀铺放在坩埚底部，再将得到的陶瓷涂层包覆的C/C复合材料用一束3K碳纤维捆绑后悬挂在石墨粉上方，然后将石墨坩埚放入高温反应烧结炉中，之后将炉温升至1600° C，升温速率为10° C/min，然后保温lh。随后关闭电源自然冷却至室温，整个过程中通氩气保护。随后取出石墨坩埚，清理材料表面的碳纤维，得到表面带有超长SiC纳米线的陶瓷涂层包覆的C/C复合材料。将上述1/4的包埋粉料放入石墨坩埚，放入制备好的表面带有超长SiC纳米线的陶瓷涂层包覆的C/C复合材料，再放入1/4的包埋粉料，轻微的摇晃坩埚，使包埋粉料均匀地包埋表面带有超长SiC纳米线的陶瓷涂层包覆的C/C复合材料，然后将石墨坩埚放入高温反应烧结炉中，之后将炉温升至2000° C，升温速率为5° C/min，然后保温3h。随后关闭电源自然冷却至室温，整个过程中通Ar保护。随后取出坩埚，清理包埋粉料，得到超长SiC纳米线增韧陶瓷涂层包覆的C/C复合材料。结果表明:涂层试件在室温至1500° C的热重试验过程中一直保持增重的状态，且最大增重率为1.36%。
权利要求
1.一种超长纳米线增韧陶瓷涂层的制备方法，其特征在于步骤如下: 步骤1:将C/C复合材料打磨抛光后清洗，然后放入烘箱中烘干； 步骤2:称取质量百分比为60 85%的Si粉，5 15%的SiC粉，7 15%的C粉和3 10%的Al2O3粉，置于球磨罐中，球磨混合处理2 4h得到混合的粉料； 步骤3:将部分粉料敷设在石墨坩埚中，再放入烘干的C/C复合材料，C/C复合材料上再覆盖设部分粉料； 步骤4:将石墨坩埚放入高温反应烧结炉中，以5 10° C/min升温速度将炉温从室温升至2000 2200° C，保温I 3h ;随后关闭电源自然冷却至室温，全程Ar气保护，得到带有陶瓷涂层的C/C复合材料； 步骤5:将石墨粉放入石墨坩埚中，使其均匀铺盖在坩埚底部，再将带有陶瓷涂层的C/C复合材料捆绑后悬挂在坩埚内的石墨粉上方； 步骤6:将石墨坩埚放入高温反应烧结炉中，以5 10° C/min升温速度将炉温从室温升至1400 1600° C，保温I 3h ;随后关闭电源自然冷却至室温，整个过程中通Ar保护，得到表面带有超长SiC纳米线的陶瓷涂层包覆的C/C复合材料； 步骤7:将步骤2制备的部分粉料敷设在石墨坩埚中，再放入表面带有超长SiC纳米线的陶瓷涂层包覆的C/C复合材料，再覆盖部分粉料； 步骤8:将石墨坩埚放入高温反应烧结炉中，以5 10° C/min升温速度将炉温从室温升至2000 2200° C，保温I 3h ;随后关闭电源自然冷却至室温，整个过程中通氩气保护，在C/C复合材料表面得到超长纳米线增韧陶瓷涂层。
2.根据权利要求1所述超长纳米线增韧陶瓷涂层的制备方法，其特征在于:所述步骤3和步骤7中的部分粉料为粉料的1/4。
3.根据权利要求1所述超长纳米线增韧陶瓷涂层的制备方法，其特征在于:所述步骤5中采用一束3k碳纤维捆绑C/C复合材料悬挂在坩埚内的石墨粉上方。
4.根据权利要求1所述超长纳米线增韧陶瓷涂层的制备方法，其特征在于:所述Si粉的纯度为99.5%，粒度为300目。
5.根据权利要求1所述超长纳米线增韧陶瓷涂层的制备方法，其特征在于:所述C粉的纯度为99%，粒度为320目。
6.根据权利要求1所述超长纳米线增韧陶瓷涂层的制备方法，其特征在于:所述SiC粉的纯度为98.5%，粒度为300目。
7.根据权利要求1所述超长纳米线增韧陶瓷涂层的制备方法，其特征在于:所述Al2O3粉的纯度为分析纯，粒度为1 00 200目。
8.根据权利要求1所述超长纳米线增韧陶瓷涂层的制备方法，其特征在于:所述石墨粉的纯度为98%，粒度为400目。
全文摘要
本发明涉及一种超长纳米线增韧陶瓷涂层的制备方法，采用超长SiC纳米线增韧C/C复合材料防氧化陶瓷涂层，借助其自身较大的长径比可有效地将基体中的载荷转移到自身上，进而提高陶瓷涂层的韧性，降低陶瓷涂层的开裂趋势，最终提高陶瓷涂层的防氧化能力。与背景技术相比，制备的超长SiC纳米线增韧的陶瓷涂层可实现对C/C复合材料的有效防氧化保护。研究结果表明涂层试件在室温至1500°C的热重试验过程中一直保持增重的状态，且最大增重率为1.21%～1.43%。
文档编号C04B41/87GK103073334SQ20131002146
公开日2013年5月1日 申请日期2013年1月21日 优先权日2013年1月21日
发明者李贺军, 褚衍辉, 付前刚, 李克智, 李露 申请人:西北工业大学