[发明专利]由含碳的复合材料制备的零件的抗氧化保护

说明书

技术领域

本发明涉及向由含碳的复合材料制备的零件，即例如由含有通过基质稠化的且其中碳至少存在于纤维补强件中，或基质中，或甚至存在于增强的纤维和基质之间的中间相中的纤维补强件(reinforcement)的材料制备的零件，提供抗氧化保护。本发明的应用的特殊领域为保护由碳/碳(C/C)复合材料制成的零件并尤其是航天飞行器的刹车圆板(brake disks)不被氧化。

背景技术

在氧化介质中，该零件在高温下保持好的机械性能的能力取决于提供有效的防止碳被氧化的保护。其被制备之后，复合材料不可避免的具有残留的内部小孔，该小孔使得环境介质进入材料的核心。

公知的保护碳部分不被氧化的过程由形成陶瓷外部涂层，尤其是金刚砂SiC，所组成。然而，该涂层通常为易碎且易裂的，并且其无法长期地针对环境介质中的氧气执行提供保护屏障的功能。

美国专利第6,455,107号建议通过使用分散途径(dispersing means)例如含有难熔粉末的胶状硅土形成外部涂层，该难溶粉末主要是SiC粉末，以及其它粉末例如二硼化钛TiB₂，氮化硅Si₃N₄和二硅化钼MoSi₂。目的是形成厚的外部保护涂层，该涂层通常具有500μm的厚度且粘附着碳，尤其对于具有提高电传导性的成分的电化学电池的成分，尤其优选添加金属颗粒。

美国专利第4 931 413号建议通过作为可由防漏涂层组成的玻璃陶瓷的前体的组合物形成外部涂层。该组合物由二硼化钛粉末TiB₂和胶状硅土以及还可能有附加的SiC粉末的混合物形成。

在某些应用中，即使在湿气和/或碳氧化催化剂存在的情况下，提供给由含碳复合材料制备的零件的抗氧化保护必须同样保持其效率。其尤其应用于航天飞行器的刹车圆板，该刹车圆板可暴露在飞机跑道中的湿气中，且与在飞机场的飞机跑道中所使用的除冰组合物中所存在的氧化催化剂接触。

为了提供更好的针对碳的催化氧化的保护，公知使用内部保护，其基于通过水溶液状态的组合物注入复合材料零件中而将一种或多种金属磷酸盐放置其中。在注入组合物中混入湿润剂(或表面活性剂)，或预先使用，有易于将其注入材料的小孔深处。特别的，可参考美国专利第5853821号。

该内部保护在极限温度以下有效且在极限温度以上其活性成分分解。为了扩大高温条件下的保护的范围，同样建议在零件的表面形成外部涂层。

外部涂层的形式可以是陶瓷层，例如，SiC的层。因此，专利文件WO 97/42135描述了提供具有抗氧化保护的C/C复合材料零件的方法，其中含有磷酸铝和磷酸锌的内部保护与SiC的外部保护结合，使用胶状硅土、干燥以及在高温下(1600℃到1800℃)进行热处理通过硅土与复合材料中的碳之间的化学反应形成该SiC。然而，如上所述，SiC涂层难于针对环境介质提供长效的密封。

美国专利第6740408号建议形成具有自愈性能的外部涂层，例如具有在零件的使用温度下转为粘性状态的能力，因此堵住任何可能出现的裂缝以形成防止环境介质中的氧气扩散的有效的屏障。通过涂层组合物得到该涂层，该涂层组合物含有粉末状硼硅酸盐类型的玻璃质化合物、TiB₂粉末和含有溶解在溶剂中的陶瓷前体树脂的粘合剂的混合物，该溶解在溶剂中的陶瓷前体树脂通常为溶解在二甲苯中的聚合碳硅烷(PCS)树脂。使用涂层组合物之后，进行干燥(去除溶剂)和硫化树脂的步骤。在使用零件前或将零件初次暴露于所使用的高处理(high treatment)时通过热处理使通过硫化树脂而获得的聚合体变形为陶瓷。

由于硼硅酸盐类型的玻璃质化合物，如，基本上包含氧化物B₂O₃和SiO₂的存在所提供的外部涂层的自愈性能，上述方法在高温条件下在抗氧化保护方面提供实际的改善。TiB₂含有氧化库(oxide reservoir)以再生当温度达到400℃至500℃时趋于变为挥发性的B₂O₃。氧化物TiO₂同样再生以补偿B₂O₃的损失并在保持其自愈能力的同时增加玻璃质化合物的粘度。