[发明专利]一种碳/碳材料硅酸锆—磷酸铝复合抗氧化外涂层的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于C/C复合材料技术领域，具体涉及一种微波水热电弧放电沉积法碳/碳材料硅酸锆-磷酸铝复合抗氧化外涂层的方法。

背景技术

碳/碳(C/C)复合材料是可用于高温环境下的先进材料复合材料之一。由于碳/碳复合材料热膨胀系数低、密度低、耐烧蚀、耐腐蚀、摩擦系数稳定、导热导电性能好和高强度、高模量等特点，特别是随温度升高力学性能不降反升的特性，因此其被应用于航空、航天及民用工业领域。然而，它的许多上述性质只有在惰性气氛下或者是低于450℃的条件下才能保持，氧化失重将使得碳/碳复合材料的力学性能明显下降，从而限制了其作为高温耐火材料在氧化气氛下的广泛应用。因此，解决碳/碳复合材料高温氧化防护问题是充分利用其性能的前提。

目前，C/C复合材料的抗氧化措施主要有两类：(1)内部保护，在C/C复合材料成型之前就对碳纤维和谈基体进行改性处理，是他本身具有较强的抗氧化能力，以及添加各种抗氧化剂来提高C/C复合材料的高温抗氧化性能。(2)外部涂层，通过在材料表面制备各类抗氧化功能梯度涂层防止气体接触扩散来提高C/C复合材料的高温抗氧化性能。

到目前为止外涂层的制备方法多种多样，主要有以下几种：溶胶-凝胶法，包埋法，化学气相沉积，原位成型，熔浆涂覆反应，水热电泳沉积法等。采用溶胶-凝胶法制备的外涂层表面容易开裂并且涂层厚度不足的缺点[Huang Jian-Feng，Zeng Xie-Rong，Li He-Jun，Xiong Xin-Bo，Sun Guo-ling.Surf.coat.Technol.2005，190，255.]，采用包埋法制备的碳化硅涂层有于表面存在较大的应力，所以也容易出现便面开裂的现象[Yulei ZHANG，Hejun Li，Qiangang FU，Kezhi LI，Dangshe HOU.J.Mater.Sci.Technol.2008，24，942.]，而原位成型法制备的涂层需要在1500℃下高温处理，且不能一次制备完成[Huang Jian-Feng，LiHe-Jun，Zeng Xie-Rong，Li Ke-Zhi.Surf.coat.Technol.2006，200，5379.]，采用熔浆涂覆反应法制备涂层仍然存要多次涂刷不能一次制备完成，需要后期热处理的弊端[Fu Qian-Gang，Li He-Jun，Wang Yong-Jie，Li Ke-Zhi，Tao Jun.Surface&Coating Technology.2010，204，1832.]，同样采用水热电泳沉积法制备的涂层由于使用传统加热方式，制备周期较长[杨文冬，黄剑锋，曹丽云，夏长奎.硅酸盐学报.2009，37，1319.]。

硅酸锆(ZrSiO₄)具有很低的渗氧率，能在1500℃高温环境下稳定存在，且不发生相变，因此选用硅酸锆做为外涂层材料，具有成本低，效果好的特点；磷酸铝是一种新型的无机黏结剂，具有无味、无毒以及良好的高温性能等优点，磷酸铝涂层具有较强的粘结能力，固化后生成的产物与涂层粉料及基体有着良好的相容性，因此将硅酸锆与磷酸铝混合构成复合涂层，该涂层具备优良的抗氧化性能。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种不仅制备成本低，而且操作简单、制备周期短不需要后期热处理的碳/碳材料硅酸锆-磷酸铝复合抗氧化外涂层的制备方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

1)取市售纯度均大于99.7％的ZrSiO₄、AlPO₄、SiO₂粉体，按ZrSiO₄∶AlPO₄∶SiO₂＝1-5∶5-9∶1-3的质量比混合均匀，用湿法球磨24小时后在80℃恒温烘干得粉料A；

2)取10-20g粉料A放入锥形瓶中，再将150-350ml异丙醇倒入锥形瓶中磁力搅拌得溶液B；

3)向溶液B中加入0.5-2.5g市售纯度大于99.8％的单质碘，用超声波发生器震荡10-40min，取出后在磁力搅拌器上搅拌6-24h，得溶液C；

4)将溶液C倒入反应釜中，填充度控制在20％-50％，然后将带有SiC内涂层的C/C复合材料试样夹在水热釜内的阴极上，将水热釜密封并放入微波发生器中，再将水热釜的阴阳两极接到恒流电源相应的两极上，在电流为2-9A，温度为200-400℃下电弧放电2-8min，待反应结束后自然冷却到室温；