[发明专利]一种碳/碳复合材料涂层的局部缺陷晶须或片状增强修补方法及修补涂层

说明书

本发明公开了一种碳/碳复合材料涂层的局部缺陷晶须或片状增强修补方法，包括：清理涂层的局部缺陷部位，烘烤干燥后，用硅粉和聚碳硅烷的混合物涂覆在涂层脱落的表面，烘干固化，经低温等离子处理后制得内涂过渡层；然后，用Na₂SiO₃·9H₂O和硅溶胶的混合溶液作为结合剂，加入SiC、Al₂O₃亚微米粉和一维结构SiC、ZrB₂、Zr_0.8Ti_0.2B₂或二维结构TiB₂组成的混合粉体，涂覆在过渡层表面，烘干再经过烘烤固化，形成具备晶须增强复合结构的外层防护层，由内涂过渡层与外层防护层共同完成对碳/碳复合材料涂层局部缺陷的修补。本发明还公开了该方法获得的修补涂层。本发明通过分层修补，改善修补涂层的高温抗氧化和耐烧蚀性能，并提高修补涂层部位与其他部位涂层性能的一致性。

技术领域

本发明涉及一种晶须或片状增强复合结构的修补涂层及其对碳/碳复合材料涂层修补的方法，属于碳/碳复合材料表面抗氧化涂层的缺陷修补技术领域，具体是在碳/碳复合材料抗氧化涂层脱落的表面通过自制有机-无机复合的内涂层过渡，然后在外层防护层中引入一维或二维结构的硼化物进行微结构设计，进而弥补涂层缺陷改善碳/碳复合材料的高温抗氧化和耐烧蚀性能。

背景技术

碳/碳复合材料是由碳纤维和碳基体组成的一种新型复合材料。由于其具有高强度、高比模量、高导热性、低膨胀系数、较好的摩擦性能，以及抗烧蚀、抗热冲击、尺寸稳定性好等优良性能，是一种新型的超高温防热材料。作为优异的结构/功能一体化工程材料，其最重要的用途是用于制造导弹的端头、固体火箭发动机喷管、航天飞机热端关键部件等方面。

但是，由于碳/碳复合材料在高温氧化气氛中发生显著的氧化反应，而且随着温度的升高，氧化反应更加剧烈，导致材料的性能急剧下降，使其在高温有氧条件下使用受到极大限制。碳/碳复合材料一般都用在比较恶劣的环境下，受到高温、高压、高速且含有侵蚀性粒子的热流冲刷，容易受到氧化烧蚀而损伤，甚至导致材料失效。因此，如何可靠有效地保护碳/碳复合材料，降低其在高温氧化环境下的氧化速率，不断提高材料的抗氧化和抗烧蚀性能一直是该领域的研究重点之一。

为了满足高速和超高速飞行器的飞行防护需求，在飞行器保护材料中所使用的碳/碳复合材料需要通过防护层材料、过渡层材料和碳/碳复合材料三层结构之间的完美配合来实现稳定和可靠的工作或超高速飞行。防护层材料中硼化物及碳化物体系最有优势；而中间的过渡层则保证防护层和碳/碳复合材料牢固结合，并且分别与二者物理性质匹配、化学性质稳定，来保证防护层和碳/碳复合材料之间在高温使用环境中的稳定共存。可是对于厚度有限的涂层而言，磕碰、摩擦等现象在部件转运、装配中难以避免，并且在服役过程中当承受过多的负荷和热量时，涂层的开裂和剥落就会发生，这些都将会为氧气的扩散提供通道，加深碳/碳复合材料的氧化。如果不及时采取措施修复受损的部分，将会产生灾难性的后果，哥伦比亚号航天飞机的悲剧就是一个例子。

目前，对于形状简单的碳/碳复合材料小部件而言，涂层的修补途径很多，然而对于结构复杂、面积较大的异形部件甚至飞行器碳/碳复合材料表面涂层来说，便迫切需要开发低成本的破损涂层现场修复技术。

现有技术中，中国发明专利申请号CN201310390440.8公开了一种碳/碳复合材料局部涂层缺陷修补方法，采用热固性树脂与无机填料配制涂层修补剂涂覆涂层缺陷处，通过裂纹/孔洞填充与补强修补并扩展涂覆实现涂层裂纹缺陷的修补，使修补剂覆盖缺陷表面并渗透至缺陷内部，形成连续层，阻隔碳原子与氧原子发生氧化反应，之后在鼓风干燥箱内或通风环境中进行干燥固化，最后通过真空浸渍并干燥的方法进一步增加修补剂的厚度和致密性。

但是，该方法并不能按照碳/碳复合材料的三层结构，分层进行修补，因此其所制得的修补涂层与碳/碳复合材料缺陷部位的结构与其他部分的结构存在差异，必然影响该涂层材料的整体性能。同时，其操作步骤较多、使用的设备也较多，不便于进行快速的现场修复施工。

发明内容