一種碳/碳復合材料莫來石涂層的制備方法技術

本發明專利技術提供一種碳/碳復合材料莫來石涂層的制備方法：將Na2SiO3粉體及Al(NO3)3粉體與水配制成莫來石前驅體液；將帶有SiC涂層的碳/碳復合材料試樣放在電磁感應加熱儀的加熱線圈內，然后利用水泵使莫來石前驅體液流過所述試樣并循環流動；利用加熱線圈進行電磁感應加熱，加熱時間控制在30～300min，電流強度控制在400～550A；自然冷卻到室溫后對試樣進行干燥。本發明專利技術采用電磁感應加熱在動態沖刷狀態下制得莫來石涂層，制得的涂層厚度均一、表面無裂紋、結合強度高，具有制備簡單，操作方便，快捷，原料易得，制備成本較低等優點。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種制備碳/碳復合材料外涂層的方法，具體涉及一種基于電磁感應加熱方法并用莫來石前驅體制備表面均勻無微裂紋產生，且厚度均一無貫穿性孔洞和裂紋產生的結合力強的碳/碳復合材料莫來石涂層的方法。
技術介紹
碳/碳(C/C)復合材料是碳纖維及其織物增強的碳基體復合材料。具有低密度(<2.0g/cm3)、高強度、高比模量、高導熱性、低膨脹系數、摩擦性能好，以及抗熱沖擊性能好等優點，被認為是最有發展前途的高溫材料之一。碳/碳復合材料由于其獨特的性能，已廣泛應用于航空航天、汽車工業、醫學等領域，如火箭發動機噴管及其喉襯、航天飛機的端頭帽和機翼前緣的熱防護系統、飛機剎車盤等。盡管碳/碳復合材料有諸多優良的高溫性能，但它在溫度高于400℃的有氧環境中發生氧化反應，導致材料的性能急劇下降。因此，碳/碳復合材料在高溫有氧環境下的應用必須有氧化防護措施。碳/碳復合材料的氧化防護主要通過以下兩種途徑，即在較低的溫度下可以采取基體改性和表面活性點的鈍化對碳/碳復合材料進行保護；隨著溫度的升高，則必須采用涂層的方法來隔絕碳/碳復合材料與氧的直接接觸，以達到氧化防護的目的。目前使用最多的是涂層的方法，隨著技術的不斷進步，對碳/碳復合材料超高溫性能的依賴越來越多，而在超高溫條件下唯一可行的氧化防護方案只能是涂層防護。抗氧化涂層被認為是解決碳/碳復合材料高溫氧化防護問題的有效方法。SiC涂層由于與C/C復合材料的物理、化學相容性好而普遍作為過渡層使用，但是單一的SiC涂層不能對C/C基體提供有效的保護，因而抗氧化外涂層成為當前的研究熱點。到目前為止，制備的外涂層有很多，例如碳化物涂層[陳石林，黃健，李姍姍，劉會忠，葉崇.C—SiC—B4C復合材料的制備及其抗氧化性能研究.碳素,2011,2(146):1001-8948]、硅化物涂層[HuangJF,WangB,LiHJ,etal.AMoSi2/SiCoxidationprotectivecoatingforcarbon/carboncomposites.CorrosionScience,2011,2(53):834-839.]等。有制備單一SiC涂層[陳嚦,王成國,趙偉.兩步法制備具有自愈合能力的純SiC涂層.物理化學學報,2012,28(1):239-244]以及SiC/MoSi2-Si2N2O-CrSi2復合涂層[殷玲，熊翔，曾毅，郭順，張武裝.C/C復合材料上SiC/MoSi2-Si2N2O-CrSi2涂層的制備、抗氧化性能及形成機理.材料保護，1001-1560(2011)12-0023-04]。莫來石相對密度3.16，熱膨脹系數和SiC相近，在1800℃條件下穩定，氧滲透率極低，能緩慢分解釋放SiO2來愈合涂層的微裂紋，而且其熱膨脹系數為5.7×10–6/℃，與SiC內涂層的熱膨脹系數(4.0×10–6/℃)相近，不會引起高溫下涂層熱膨脹系數不匹配導致的開裂。到目前為止外涂層的制備方法多種多樣，主要有以下幾種：超臨界態流體技術，原位成型，溶膠-凝膠法，熔漿涂覆反應，爆炸噴涂和超聲波噴涂法等。采用超臨界態流體技術來制備C/C復合材料涂層由于制備的工藝實施需要在高溫高壓下進行，對設備的要求較高，并且形成的外涂層要在惰性氣氛下進行熱處理，制備周期比較長[BemeburgPL,KrukonisVJ.Processingofcarbon/carboncompositesusingsupercriticalfluidtechnology.UnitedStatesPatentUS5035921,1991]，采用原位成型法制備的涂層需要在1500℃下高溫處理，且不能一次制備完成[HuangJian-Feng,LiHe-Jun,ZengXie-Rong,LiKe-Zhi.Surf.coat.Technol.2006,200,5379.]，采用溶膠-凝膠法制備的外涂層表面容易開裂并且涂層厚度不足[HuangJian-Feng,ZengXie-Rong,LiHe-Jun,XiongXin-Bo,SunGuo-ling.Surf.coat.Technol.2005,190,255.]，而采用熔漿涂覆反應法制備涂層仍然存在需要多次涂刷，不能一次制備完成，以及需要后期熱處理的弊端[FuQian-Gang,LiHe-Jun,WangYong-Jie,LiKe-Zhi,TaoJun.Surface&CoatingTechnology.2010,204,1832.]，同樣采用爆炸噴涂和超聲波噴涂法雖然已經制備出部分合金涂層，但是，該工藝還有很多不完善的地方，所制備涂層的高溫防氧化性能尚需要進一步的提高[TerentievaVS,BogachkovaOP,GoriatchevaEV.Methodforprotectingproductsmadeofarefractorymaterialagainstoxidation,andresultingproducts.US5677060,1997.]，并且以上方法制備的碳/碳復合材料抗氧化涂層是靜態制備的。目前，采用電磁感應加熱法結合動態液體沖刷并用莫來石溶膠前驅體制備莫來石外涂層的方法還未見報道。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種碳/碳復合材料莫來石涂層的制備方法。為達到上述目的，本專利技術采用了以下技術方案：1)將Na2SiO3粉體及Al(NO3)3粉體與1200mL水混合，得混合液，混合液中Na2SiO3與Al(NO3)3的物質的量比為1:3～4；2)將混合液超聲震蕩后進行攪拌，得到濃度為0.12～0.3mol/L的莫來石前驅體液；3)將帶有SiC涂層的碳/碳復合材料試樣放在電磁感應加熱儀的加熱線圈內，然后利用水泵使莫來石前驅體液循環流動；4)莫來石前驅體液開始循環流動后打開電磁感應加熱儀并利用加熱線圈對試樣進行電磁感應加熱，電磁感應加熱過程中利用循環流動的莫來石前驅體液對試樣進行持續沖刷，電磁感應加熱的條件為：加熱時間控制在30～300min，并且電流強度控制在400～550A；電磁感應加熱結束后使莫來石前驅體液停止沖刷試樣，待試樣自然冷卻到室溫后對試樣進行干燥。所述Na2SiO3粉體及Al(NO3)3粉體是通過將市售Na2SiO3粉體及Al(NO3)3粉體依次經濕法間歇球磨(40～50h)、干燥(80℃下烘箱中干燥4～6h)后制得的。所述Na2SiO3粉體的平均粒徑為100～300μm，Al(NO3)3粉體的平均粒徑為300～500μm。所述超聲震蕩的時間為100～120min，超聲功率控制在800～1000W。所述攪拌的時間為10～12h。所述循環流動是指：莫來石前驅體液自盛放容器流出，經過試樣，然后流回盛放容器。所述水泵的功率為35～55W。所述干燥的條件為：將試樣置于電熱鼓風干燥箱中并于60～80℃下干燥3～6h。本專利技術的有益效果體現在：1)采用電磁感應加熱的方法，加熱速度快，效率高，并且溫度均勻。2)制得的莫來石涂層厚度均一、表面無裂紋。3)在動態沖刷狀態下制備莫來石涂層，制備的涂層結合強度更高。4)莫來石涂層制備周期短。5)制備簡單，操作方便，快捷，原料易得，本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種碳/碳復合材料莫來石涂層的制備方法，其特征在于：包括以下步驟：1)將Na2SiO3粉體及Al(NO3)3粉體與1200mL水混合，得混合液，混合液中Na2SiO3與Al(NO3)3的物質的量比為1:3～4；2)將混合液超聲震蕩后進行攪拌，得到濃度為0.12～0.3mol/L的莫來石前驅體液；3)將帶有SiC涂層的碳/碳復合材料試樣放在電磁感應加熱儀的加熱線圈內，然后利用水泵使莫來石前驅體液循環流動；4)莫來石前驅體液開始循環流動后打開電磁感應加熱儀并利用加熱線圈對試樣進行電磁感應加熱，電磁感應加熱過程中利用循環流動的莫來石前驅體液對試樣進行持續沖刷，電磁感應加熱的條件為：加熱時間控制在30～300min，并且電流強度控制在400～550A；電磁感應加熱結束后使莫來石前驅體液停止沖刷試樣，待試樣自然冷卻到室溫后對試樣進行干燥。

【技術特征摘要】
1.一種碳/碳復合材料莫來石涂層的制備方法，其特征在于：包括以下步驟：1)將Na2SiO3粉體及Al(NO3)3粉體與1200mL水混合，得混合液，混合液中Na2SiO3與Al(NO3)3的物質的量比為1:3～4；2)將混合液超聲震蕩后進行攪拌，得到濃度為0.12～0.3mol/L的莫來石前驅體液；3)將帶有SiC涂層的碳/碳復合材料試樣放在電磁感應加熱儀的加熱線圈內，然后利用水泵使莫來石前驅體液循環流動；4)莫來石前驅體液開始循環流動后打開電磁感應加熱儀并利用加熱線圈對試樣進行電磁感應加熱，電磁感應加熱過程中利用循環流動的莫來石前驅體液對試樣進行持續沖刷，電磁感應加熱的條件為：加熱時間控制在30～300min，并且電流強度控制在400～550A；電磁感應加熱結束后使莫來石前驅體液停止沖刷試樣，待試樣自然冷卻到室溫后對試樣進行干燥。2.根據權利要求1所述一種碳/碳復合材料莫來石涂層的制備方法，其特征在于：所述Na2SiO3粉體及Al(NO3)3粉體是通過將市售Na2SiO3粉體及A...

【專利技術屬性】
技術研發人員：曹麗云，劉錦濤，羅丹，黃劍鋒，周磊，歐陽海波，李翠艷，張博，
申請(專利權)人：陜西科技大學，
類型：發明
國別省市：陜西;61