[发明专利]一种碳材料表面硼化物固溶体改性硅基涂层的制备方法

说明书

一种碳材料表面硼化物固溶体改性硅基涂层的制备方法，属于碳材料表面抗氧化涂层的制备方法。首先配置含量可控的硼化物固溶体NB₂改性硅基复合陶瓷料浆，其中N＝Zr_xTa_1‑x，Hf_xTa_1‑x或Zr_xHf_1‑x，x＝0～1；其次在带有SiC内涂层的碳材料基体表面涂刷、浸涂或者喷涂NB₂料浆的预置层，再经过热处理烧结合成涂层。本发明通过以硼化物固溶体粉体为原料，控制涂层中固溶体相的固溶度；通过对复合陶瓷料浆粉料配比的调控和设计，可以控制涂层的组分含量；通过涂刷、浸涂或者喷涂次数的控制，可以实现对涂层厚度的控制。预置层后期经过热处理，又可以提高涂层的致密度和内涂层界面的结合强度。本发明制备工艺简单，涂层致密均匀，生产成本较低，适用于形状、大小各异的碳材料部件。

技术领域

本发明涉及一种碳材料表面抗氧化涂层的制备方法，特别是一种碳材料表面硼化物固溶体改性硅基涂层的制备方法。

背景技术

碳材料(石墨、C/C复合材料)是一类优异的高温结构材料，其具有高强度、耐高温、小比重、高热导率和低膨胀系数等优点，能够承受超高温环境极高的加热速率对其性能的影响，可以在2000℃以上的高温下保持，被广泛应用于航天航空领域。

由于碳材料是全碳质材料，随着温度的逐渐增加，它的强度呈现出逐渐增加的趋势，尽管其在高温具有优异的力学性能，但是由于其在400℃的空气气氛下就开始发生氧化，极大地限制了其作为高温结构材料的应用。为了解决这一问题，在碳材料的表面制备耐高温抗氧化涂层法已经被公认为一种可以有效提高碳材料抗氧化能力的方法，而超高温陶瓷硼化物(ZrB₂、TaB₂或HfB₂)改性硅基涂层凭借在氧化时形成的过渡族金属(Zr、Ta或Hf)的氧化物与硼硅酸盐玻璃相互作用形成一层M-Si-O(M＝Zr、Ta或Hf)复相玻璃层，从而展现了对碳材料极有潜力的氧化防护潜力。

面对复杂严苛的宽温域应用环境，相较于单一组分的超高温陶瓷硼化物材料，超高温陶瓷硼化物多组分复合材料的优势也愈发明显。

文献1“I.G.Talmy,J.A.Zaykoski,M.M.Opeka.High-temperature chemistry andoxidation of ZrB₂ceramics containing SiC,Si₃N₄,Ta₅Si₃,and TaSi₂[J].Journal ofthe American Cerimic Society,2008,91(7):2250-7”报道了多组分过渡族金属氧化物的存在，可以凭借其协同效应，进一步提升复合材料的氧化防护效果。

文献2“F.Peng,Y.Berta,R.F.Speyer.Effect of SiC,TaB₂and TaSi₂additiveson the isothermal oxidation resistance of fully dense zirconium diboride[J].Journal of Materials Research,2009,24(5):1855-1867”报道了ZrB₂材料中添加TaB₂和TaSi₂等多种添加剂后，由于(Zr，Ta)B₂固溶体的形成，在氧化时形成了多组分氧化物颗粒，镶嵌于液态硼硅酸盐玻璃中，显著提升了材料的氧化抗性。