[发明专利]一种直接保护碳纤维的抗硅蒸汽侵蚀内涂层及其原位制备方法

说明书

技术领域

本发明属于化学气相沉积技术领域，涉及一种直接保护碳纤维的抗硅蒸汽侵蚀内涂层及其原位制备方法。

技术背景

碳纤维增强碳基复合材料（简称碳/碳）具有密度低、强度高、导热快、高温强度保留率高、热升华温度高以及可以获得高纯度等突出特点，在高温工业领域得到广泛的认可和应用，特别是硅材料熔炼提纯、铸锭、拉制单晶等领域。但是，在碳纤维增强碳基复合材料中，热解碳、树脂碳、沥青碳等碳基体同属碳素材料，均不能有效保护碳纤维，在高温使役过程中，环境气氛渗入构件内部、侵蚀碳纤维，特别是在硅材料熔炼提纯、铸锭、拉制单晶使用碳/碳复合材料坩埚时，硅蒸汽渗入坩埚壁内部，碳纤维与之发生高温化学反应而失强，进而导致坩埚等碳/碳构件过早失效报废。控制和防止碳基复合材料中碳纤维与环境气氛发生不利化学侵蚀反应的最佳途径是对碳纤维施加抗侵蚀涂层。

高纯度碳化硅SiC具有密度低、热稳定性好、高温抗氧化、抗冲刷、耐腐蚀等优异性能，是碳基复合材料中碳纤维抗硅蒸汽侵蚀保护涂层的理想材料体系，化学气相沉积、固相浆料涂覆、液相涂覆等众多传统方法亦被开发用于制备碳化硅涂层。但是，这些传统方法在碳/碳复合材料坩埚中碳纤维表面制备碳化硅涂层时，存在一些突出问题：1.致密度，采用传统的工艺制备的碳化硅涂层难以完全致密；2.结合强度，由于碳化硅与碳纤维的热膨胀性能存在差异，采用传统的工艺制备的碳化硅涂层往往容易从碳纤维表面开裂脱落，3.包覆完整度，采用传统的工艺制备的碳化硅涂层都存在涂覆不均、残留空白的缺陷。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种直接保护碳纤维的抗硅蒸汽侵蚀内涂层及其原位制备方法。

术语说明：

碳/碳复合材料坩埚：是在按坩埚形状成型的碳纤维立体织物预制体孔隙中采用化学气相沉积（简称CVD工艺）、浸渍碳化工艺（简称PIP工艺）填充碳基体而得的碳纤维增强碳基复合材料构件。

直接保护碳纤维的抗硅蒸汽侵蚀内涂层：是在碳纤维立体织物中碳纤维表面上，通过原位化学气相反应和沉积，涂覆致密均匀、包覆完整、结合强度高的碳-碳化硅复合涂层，从而有效保护碳／碳复合材料坩埚中碳纤维免受硅蒸汽侵蚀。

成型的立体织物预制体：指根据需要制备的具有固定形状的碳纤维立体物件；包括但不限于坩埚，圆盘状构件，环形构件等；体积密度一般在0.25～0.85g/cm³。

小分子烃气：指含≤3个碳原子的常温下为气体状态的烃。

小分子硅氯化合物气体：指含1个硅原子和≥1个氯原子的硅烷化合物的蒸汽。

发明概述：

直接保护碳纤维的抗硅蒸汽侵蚀内涂层是通过在已成型的立体织物预制体中碳纤维表面上首先沉积一层热解碳基底层，然后再沉积一层富碳化硅保护层。具体为：将已成型的碳纤维立体织物预制体置于化学气相沉积室内，在高温加热条件下，以氢气、氮气为稀释保护气体，首先在高温反应室通入小分子烃气，热解碳在已成型的立体织物预制体中碳纤维表面上沉积，原位形成初级热解碳基底层；然后通入小分子烃气、小分子硅氯化合物气体，热解碳、热解硅在初级热解碳基底层上沉积一层二级富碳化硅保护层，最终获得抗硅蒸汽侵蚀内涂层。

发明详述：

本发明的技术方案如下：

一种直接保护碳纤维的抗硅蒸汽侵蚀内涂层，该内涂层是在碳纤维表面通过化学气相沉淀的方式覆盖一层初级热解碳基底层，再在初级热解碳基底层表面通过化学气相沉的方式覆盖一层二级富碳化硅保护层；所述的初级热解碳基底层为紧密粘结在碳纤维表面上的热解碳，所述的二级富碳化硅保护层为与初级热解碳基底层紧密均匀结合的碳化硅。

一种直接保护碳纤维的抗硅蒸汽侵蚀内涂层的制备方法，步骤如下：

（1）将成型的立体织物预制体置在化学气相沉积反应室中，于900～1500℃，100～6000Pa真空度条件下，保温5～30min；

（2）以N₂、H₂气作为保护稀释气体，按小分子烃气：N₂：H₂=（10～50）:（10～50）:（0～4）的体积比将小分子烃气、N₂和H₂通入步骤（1）的反应室内，通气反应10～120min，得初级热解碳基底层，所述的N₂流速控制在100～2000ml/min；