[发明专利]一种碳基材料表面HfB2

说明书

本发明公开了一种碳基材料表面HfB₂‑SiC抗氧化涂层的制备方法，称量一定比例的HfB₂、SiC粉体并均匀混合，在石墨模具内用均匀混合的粉体包裹碳基体，将装好试样的模具放入放电等离子烧结炉中进行烧结处理，烧结温度为1200‑1900℃，升温速率为5‑200℃/min，压力为5‑50MPa，保温时间5‑300min，在碳基体表面得到HfB2‑SiC抗氧化涂层。本发明中将放电等离子烧结法应用到碳基材料表面HfB₂‑SiC抗氧化涂层的制备中，能够在较低的温度下快速烧结制备出高致密、低缺陷HfB₂‑SiC抗氧化涂层。

技术领域

本发明涉及碳材料技术领域，特别是涉及一种通过等离子放电烧结法制备碳基材料表面HfB₂-SiC抗氧化涂层。

背景技术

碳材料（C/C复合材料或石墨）因其诸多优点，有着良好的耐高温性、导电性、导热性。碳材料密度低，比模量、比强度高，震动衰减率小，成为航空航天材料的首选。虽然碳材料有着良好的耐高温性能，在真空环境下纯碳材料制品可以在3000℃的高温下工作，但是碳材料的抗氧化性差，在400℃以上的空气中便会与氧气发生化学反应，使碳材料制品失效。因此，制备抗氧化涂层是碳材料防氧化的有效途径。

随着碳材料应用的日趋广泛，碳材料制品必须具备宽温域抗氧化的能力。在诸多抗氧化涂层中，超高温陶瓷硼化物HfB₂与SiC组成的复合涂层在氧化时可以生成具有不同熔点和防护温区范围的多组分氧化产物，并形成一层可以自愈合密封缺陷且致密稳定的Hf-Si-O复合玻璃相，呈现了极大的宽温域氧化防御潜力。Ren等在“Ultra-hightemperature ceramic HfB2-SiC coating for oxidation protection of SiC-coatedcarbon/carbon composites.”中报道了了采用原位反应法在C/C复合材料表面制备了HfB2-SiC/ SiC抗氧化涂层，在涂层的有效保护下，试样在1773K氧化265小时后质量损失仅为0.41×10⁻²g²/cm²。“Talmy等在High-temperature chemistry and oxidation of ZrB₂ceramics containing SiC, Si₃N₄, Ta₅Si₃, and TaSi₂”中报道了Ta的氧化物在硅酸盐玻璃中的存在，有助于提高玻璃相的稳定性，从而提高陶瓷的高温氧化抗性。

目前，制备HfB₂-SiC涂层的工艺主要包括包埋法，原位反应法，料浆法，液相烧结法，等离子喷涂法等。以上方法主要采用高温无压烧结的方式获得涂层。过高的烧结温度会导致晶粒、增强相过度长大，增加涂层缺陷，从而影响抗氧化效果，同时也会增加能耗和生产成本。无压烧结的方式不利于获得高致密度涂层，影响增强相和涂层的结合。

近年来，放电等离子烧结法（SPS）作为一种新型低温热压快速烧结技术吸引了众多学者的关注。该技术可以通过增加压力的方式在低温下烧结制备出高致密材料，减少涂层缺陷、提升致密度、增强结合强度，且涂层厚度、组分及含量可控。为此，Zhang等在“Reaction synthesis of spark plasma sintered MoSi₂-B₄C coatings for oxidationprotection of Nb alloy”中报道了利用SPS法在低温下烧结制备出高致密MoSi₂-B₄C抗氧化涂层，且涂层展现出较好的微观结构和抗氧化性。现阶段，放电等离子烧结法还未应用到HfB₂-SiC抗氧化涂层的制备中，但是发明人经过试验发现，利用放电等离子烧结法能够在较低的温度下快速烧结制备出高致密、低缺陷HfB₂-SiC抗氧化涂层。

发明内容