一種碳/碳複合材料納米碳化矽外塗層的製備方法

2023-04-24 17:31:06 3

專利名稱：一種碳/碳複合材料納米碳化矽外塗層的製備方法
技術領域：
本發明涉及一種納米碳化矽外塗層的製備方法，具體涉及一種碳/碳復 合材料納米碳化矽外塗層的製備方法。
背景技術：
近年來碳/碳複合材料逐漸成為人們研究的熱點。由於碳/碳複合材料 熱膨脹係數低、密度低、耐燒蝕、耐腐蝕、摩擦係數穩定、導熱導電性能 好和高強度、高模量等特點，特別是隨溫度升高力爭性能不降反升的憐性， 因此其被應用於航空、航天及民用工業領域。然而，它的許多上述性質只
有在惰性氣氛下或者是低於45(TC的條件下才能保持，氧化失重將使得碳/ 碳複合材料的力學性能明顯下降，從而限制了其作為高溫耐火材料在氧化 氣氛下的廣泛應用。因此，解決碳/碳複合材料高溫氧化防護問題是充分 利用其性能的前提。
抗氧化塗層被認為是解決碳/碳複合材料高溫氧化防護問題的有效方 法，但是單一的塗層很難有效的長時間的保護碳/碳複合材料免受氧化。
多層複合塗層可以長時間的保護碳/碳複合材料，所以成為了人們研究的 熱點。在過渡層中，由於SiC與碳/碳複合材料具有良好的物理化學相容性, 所以被普遍採用。而作外塗層的材料和製備方法多種多樣。為了消除熱膨 脹係數的差異，碳化矽是外塗層的首選材料(與SiC內塗層具有相同的熱 膨脹係數)。
到目前為止外塗層的製備方法多種多樣，主要有以下幾種溶膠-凝
膠法，包埋法，化學氣相沉積，原位成型，熔漿塗覆反應等。採用溶膠凝
膠法製備的外塗層表面容易開裂並且塗層厚度不足的缺點[Huang Jian-Feng, Zeng Xie-Rong， Li He-Jun， Xiong Xin-Bo， Sun Guo-ling. 5y/r/. coat 7fec/ /70丄2005，255.]，採用包埋法製備的碳化矽塗層 有於表面存在較大的應力，所以也容易出現表面開裂的現象[Fu Qian-Gang， Li He-Jun， Shi Xiao—Hong， Li Ke-Zhi, Sun Guo-Dong. 5b/7》z^胞ter. 2005， 5《923.]，而原位成型法製備的塗層需要在150(TC下高溫處理，且 不會g—次製備完成[Huang Jian—Feng, Li He—Jun， Zeng Xie—Rong， Li Ke-Zhi. 5"〃r/: coat 7fec力/70丄2006， i^Q 5379.]，同樣採用熔漿塗覆反 應法製備塗層仍然存在多次塗刷不能一次製備完成，需要後期熱處理的弊 端[Huang Min, Li Ke-Zhi ， Li He-Jun, Fu QiarrGang， Sun Guo-Dong. Car力肌2007，錄1105.]。

發明內容
本發明的目的在於克服上述現有技術的缺點，提供了一種不僅製備成 本低，而且操作簡單、製備周期短不需要後期熱處理的碳/碳複合材料納 米碳化矽外塗層製備方法。
為達到上述目的，本發明採用的技術方案是
1) 選市售平均粒度為40 nm的碳化矽粉體，純度》99.7%的單質碘 和純度》99. 8%的異丙醇為原料首先將0. 5 - 1. 0g的碳化矽粉體加入錐 形瓶中，再將100-300ml的異丙醇倒入錐形瓶中得到懸浮液，再將懸浮 液放入200 - 300 W超聲波發生器中震蕩30 - 60 min後，在磁力攪拌器上 攪拌12-24h得到懸浮液A;
2) 向懸浮液A中加入0.05-0.4g的碘單質，放入200 - 300 W的超聲
波發生器中震蕩30-60 min，取出後放在磁力攪拌器上攪拌12-24 h， 製得溶液B;
3) 將上述溶液B倒入水熱反應釜中，填充度控制在65 - 70%;然後將 帶有SiC內塗層的碳/碳複合材料試樣夾在水熱釜內的陰極夾上，將水熱 釜放入烘箱中；再將水熱釜的正負極分別接到恆壓電源相應的兩極上，水 熱溫度控制在80 -300 °C，電泳時間控制在5 - 60 min，電源電壓控制在 120 - 230V,水熱電泳結束後自然冷卻到室溫；
4) 打開水熱釜，取出試樣，然後將其放入電熱鼓風乾燥箱中在80 - 100 "C下乾燥2 - 4 h，即得最終產物納米碳化矽外塗層保護的碳/碳複合材料。
本發明採用水熱電泳沉積法能夠製備出厚度均一無貫穿裂紋和微孔 的外塗層。由於反應在水熱釜中一次完成，不需要後期熱處理，且工藝設 備簡單，操作方便，原料易得，所得納米碳化矽外塗層緻密均勻，反應周 期短，成本低；製備的納米碳化矽外塗層在150(TC靜態有氧氣氛中氧化失 重僅0.8%，可有效保護C/C複合材料500小時。


圖1為本發明製備納米碳化矽外塗層表面(XRD)圖譜，其中橫坐標 為衍射角2 e ，單位為°;縱坐標為衍射峰強度，單位為a. u.;
圖2為本發明在水熱溫度120 °C，電泳沉積電壓210 V下製備碳/碳 複合材料納米碳化矽外塗層表面的場發射掃描電鏡(FE-SEM)照片；
圖3為本發明在水熱溫度120 。C，電泳沉積電壓210 V下製備的納米 碳化矽塗層的斷面掃面電鏡(SEM)照片。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明。
實施例l:選市售平均粒度為40 nm的碳化矽粉體，純度》99.7%的 單質碘和純度》99.8%的異丙醇為原料首先將0.6g的碳化矽粉體加入 錐形瓶中，再將260ml的異丙醇倒入錐形瓶中得到懸浮液，再將懸浮液放 入300W超聲波發生器中震蕩30min後，在磁力攪拌器上攪拌12h得到懸 浮液A;向懸浮液A中加入0.05g的碘單質，放入300W的超聲波發生器中 震蕩30min，取出後放在磁力攪拌器上攪拌12h，製得溶液B;將上述溶液 B倒入水熱反應釜中，填充度控制在68%;然後將帶有SiC內塗層的碳/碳 複合材料試樣夾在水熱釜內的陰極夾上，將水熱釜放入烘箱中；再將水熱 釜的正負極分別接到恆壓電源相應的兩極上，水熱溫度控制在120°C，電 泳時間控制在30min,電源電壓控制在210V，水熱電泳結束後自然冷卻到 室溫；打開水熱釜，取出試樣，然後將其放入電熱鼓風乾燥箱中在9(TC下 乾燥3h，即得最終產物納米碳化矽外塗層保護的碳/碳複合材料。
實施例2:選市售平均粒度為40 nm的碳化矽粉體，純度》99.7%的 單質碘和純度》99.8%的異丙醇為原料首先將0.8g的碳化矽粉體加入 錐形瓶中，再將150ml的異丙醇倒入錐形瓶中得到懸浮液，再將懸浮液放 入230W超聲波發生器中震蕩50min後，在磁力攪拌器上攪拌16h得到懸 浮液A;向懸浮液A中加入0.2g的碘單質，放入230W的超聲波發生器中 震蕩50min，取出後放在磁力攪拌器上攪拌16h，製得溶液B;將上述溶液 B倒入水熱反應釜中，填充度控制在66%;然後將帶有SiC內塗層的碳/碳 複合材料試樣夾在水熱釜內的陰極夾上，將水熱釜放入烘箱中；再將水熱 釜的正負極分別接到恆壓電源相應的兩極上，水熱溫度控制在160°C，電 泳時間控制在10min，電源電壓控制在150V，水熱電泳結束後自然冷卻到 室溫；打開水熱釜，取出試樣，然後將其放入電熱鼓風乾燥箱中在IO(TC
下乾燥2h，即得最終產物納米碳化矽外塗層保護的碳/碳複合材料。
實施例3:選市售平均粒度為40 nm的碳化矽粉體，純度》99.7%的 單質碘和純度》99.8%的異丙醇為原料首先將0.5g的碳化矽粉體加入 錐形瓶中，再將200ml的異丙醇倒入錐形瓶中得到懸浮液，再將懸浮液放 入270W超聲波發生器中震蕩40min後，在磁力攪拌器上攪拌20h得到懸 浮液A;向懸浮液A中加入0. 08g的碘單質，放入270W的超聲波發生器中 震蕩40min，取出後放在磁力攪拌器上攪拌20h，製得溶液B;將上述溶液 B倒入水熱反應釜中，填充度控制在70%;然後將帶有SiC內塗層的碳/碳 複合材料試樣夾在水熱釜內的陰極夾上，將水熱釜放入烘箱中；再將水熱 釜的正負極分別接到恆壓電源相應的兩極上，水熱溫度控制在2CKTC，電 泳時間控制在40min，電源電壓控制在180V，水熱電泳結束後自然冷卻到 室溫；打開水熱釜，取出試樣，然後將其放入電熱鼓風乾燥箱中在85。C下 乾燥lh，即得最終產物納米碳化矽外塗層保護的碳/碳複合材料。
實施例4:選市售平均粒度為40 nm的碳化矽粉體，純度>99.7%的 單質碘和純度》99.8%的異丙醇為原料首先將0.9g的碳化矽粉體加入 錐形瓶中，再將lOOml的異丙醇倒入錐形瓶中得到懸浮液，再將懸浮液放 入200W超聲波發生器中震蕩35min後，在磁力攪拌器上攪拌14h得到懸 浮液A;向懸浮液A中加入0.3g的碘單質，放入200W的超聲波發生器中 震蕩35min，取出後放在磁力攪拌器上攪拌14h，製得溶液B;將上述溶液 B倒入水熱反應釜中，填充度控制在67%;然後將帶有SiC內塗層的碳/碳 複合材料試樣夾在水熱釜內的陰極夾上，將水熱釜放入烘箱中；再將水熱 釜的正負極分別接到恆壓電源相應的兩極上，水熱溫度控制在30(TC，電 泳時間控制在5min，電源電壓控制在120V,水熱電泳結束後自然冷卻到
室溫；打開水熱釜，取出試樣，然後將其放入電熱鼓風乾燥箱中在95-C下 乾燥2h，即得最終產物納米碳化矽外塗層保護的碳/碳複合材料。
實施例5:選市售平均粒度為40 nm的碳化矽粉體，純度》99.7%的 單質碘和純度》99.8%的異丙醇為原料首先將0.7g的碳化矽粉體加入 錐形瓶中，再將230ml的異丙醇倒入錐形瓶中得到懸浮液，再將懸浮液放 入250W超聲波發生器中震蕩60 min後，在磁力攪拌器上攪拌24h得到懸 浮液A;向懸浮液A中加入O.lg的碘單質，放入250W的超聲波發生器中 震蕩60min，取出後放在磁力攪拌器上攪拌24h，製得溶液B;將上述溶液 B倒入水熱反應釜中，填充度控制在65%;然後將帶有SiC內塗層的碳/碳 複合材料試樣夾在水熱釜內的陰極夾上，將水熱釜放入烘箱中；再將水熱 釜的正負極分別接到恆壓電源相應的兩極上，水熱溫度控制在240°C，電 泳時間控制在50min，電源電壓控制在230V，水熱電泳結束後自然冷卻到 室溫；打開水熱釜，取出試樣，然後將其放入電熱鼓風乾燥箱中在8(TC下 乾燥3h，即得最終產物納米碳化矽外塗層保護的碳/碳複合材料。
實施例6:選市售平均粒度為40咖的碳化矽粉體，純度》99.7%的 單質碘和純度》99.8%的異丙醇為原料首先將l.Og的碳化矽粉體加入 錐形瓶中，再將300ml的異丙醇倒入錐形瓶中得到懸浮液，再將懸浮液放 入280 W超聲波發生器中震蕩55 min後，在磁力攪拌器上攪拌22h得到 懸浮液A;向懸浮液A中加入0.4g的碘單質，放入280 W的超聲波發生器 中震蕩55min，取出後放在磁力攪拌器上攪拌22h，製得溶液B;將上述溶 液B倒入水熱反應釜中，填充度控制在69%;然後將帶有SiC內塗層的碳/ 碳複合材料試樣夾在水熱釜內的陰極夾上，將水熱釜放入烘箱中；再將水 熱釜的正負極分別接到恆壓電源相應的兩極上，水熱溫度控制在8(TC，電
泳時間控制在60min，電源電壓控制在200V，水熱電泳結束後自然冷卻 到室溫；打開水熱釜，取出試樣，然後將其放入電熱鼓風乾燥箱中在IO(TC 下乾燥lh，即得最終產物納米碳化矽外塗層保護的碳/碳複合材料。
將本發明製備的納米碳化矽塗層試樣用日本理學D/max2000PC X-射 線衍射儀分析樣品，發現塗層所得圖譜均為碳化矽衍射峰(圖1)。將該樣 品用日本JEOL公司生產的場發射JSM-6700F型掃描電子顯微鏡(圖2)進
行觀察，從照片可以看出所製備塗層表面的形貌表面均一、緻密沒有微 裂紋產生。將樣品用荷蘭FEI公司生產的FEI-QUANTA400型掃面電子顯微 鏡進行觀察(圖3)，發現製備出了緻密厚度均勻且沒有貫穿性裂紋的納米 碳化矽外塗層。
權利要求
1、一種碳/碳複合材料納米碳化矽外塗層的製備方法，其特徵在於1)選市售平均粒度為40nm的碳化矽粉體，純度≥99.7％的單質碘和純度≥99.8％的異丙醇為原料首先將0.5-1.0g的碳化矽粉體加入錐形瓶中，再將100-300ml的異丙醇倒入錐形瓶中得到懸浮液，再將懸浮液放入200-300W超聲波發生器中震蕩30-60min後，在磁力攪拌器上攪拌12-24h得到懸浮液A；2)向懸浮液A中加入0.05-0.4g的碘單質，放入200-300W的超聲波發生器中震蕩30-60min，取出後放在磁力攪拌器上攪拌12-24h，製得溶液B；3)將上述溶液B倒入水熱反應釜中，填充度控制在65-70％；然後將帶有SiC內塗層的碳/碳複合材料試樣夾在水熱釜內的陰極夾上，將水熱釜放入烘箱中；再將水熱釜的正負極分別接到恆壓電源相應的兩極上，水熱溫度控制在80-300℃，電泳時間控制在5-60min，電源電壓控制在120-230V，水熱電泳結束後自然冷卻到室溫；4)打開水熱釜，取出試樣，然後將其放入電熱鼓風乾燥箱中在80-100℃下乾燥2-4h，即得最終產物納米碳化矽外塗層保護的碳/碳複合材料。
全文摘要
碳/碳複合材料納米碳化矽外塗層的製備方法，首先將碳化矽粉體與異丙醇混合在超聲波發生器中震蕩後，磁力攪拌得到懸浮液A；向懸浮液A中加入碘單質，超聲波發生器中震蕩後，磁力攪拌製得溶液B；將溶液B倒入水熱反應釜中，然後將帶有SiC內塗層的碳/碳複合材料試樣夾在水熱釜內的陰極夾上，將水熱釜放入烘箱中；水熱電泳結束後自然冷卻到室溫；取出試樣，乾燥即得最終產物納米碳化矽外塗層保護的碳/碳複合材料。採用水熱電泳沉積法能夠製備出厚度均一無貫穿裂紋和微孔的外塗層。由於反應在水熱釜中一次完成，不需要後期熱處理，且工藝設備簡單，操作方便，原料易得，所得納米碳化矽外塗層緻密均勻，反應周期短。
文檔編號C04B41/85GK101386550SQ20081023199
公開日2009年3月18日 申請日期2008年10月29日 優先權日2008年10月29日
發明者淼 劉, 曹麗雲, 曾燮榕, 李賀軍, 殷立雄, 博 王, 黃劍鋒 申請人:陝西科技大學