[发明专利]一种具有无裂纹抗氧化碳化硅涂层碳材料的制备方法

说明书

本发明涉及一种具有无裂纹抗氧化碳化硅涂层碳材料的制备方法，属于碳材料抗氧涂层制备领域，为高温条件下使用的碳材料直接制备无裂纹抗氧化SiC涂层，起抗氧化保护作用。

碳材料具有质量轻，导电、导热性能好和非常好的抗热冲击能力，在航空、航天、化工、治金、核能等领域获得了广泛的应用。不仅如此，碳材料尤其是高性能碳/碳复合材料还具有非常好的高温力学性能，是在1700℃以上唯一可以使用的结构材料。但是碳材料也有一个致命的弱点即不抗氧化，普通的碳材料在空气中350℃就开始氧化，石墨材料在空气中450℃左右也开始氧化，高温氧化大大地限制了碳材料的应用范围，因此对碳材料进行高温抗氧保护具有重要意义。

人们对碳材料的抗氧化研究已经进行了60多年，早期主要致力于解决石墨电极和高温加热元件的氧化问题，60年代主要研究可用于返回航天飞机以及火箭推进系统的抗氧化耐腐蚀石墨，70年代开始进行碳/碳复合材料的抗氧化研究。从石墨电极、加热元件的抗氧化保护到航天飞机的鼻锥帽及机翼前缘和核反应堆用石墨材料的抗氧化保护，虽然要求越来越高，但是解决问题的有效办法仍然是围绕着如何制备出性能优越的抗氧化涂层。抗氧化涂层的制备方法有很多，例如：反应生成法、溶胶-凝胶法、液相生成法、化学气相沉积法等，这些方法中的反应生成法比较实用。反应生成法是通过硅粉在高温融熔环境下与基体石墨反应制备SiC涂层，生成的SiC涂层一般含有很多微孔隙和微裂纹，抗氧化能力不强，通常还须反复用溶胶-凝胶法制备增强涂层(如SiC增强层)来封堵裂纹，这样就使整个过程复杂化，降低了其经济效益；另外传统的反应生成工艺是将基体直接埋在硅粉里进行热处理，不利于大规模化生产。美国专利US 4,471,023是传统反应生成工艺的代表。

本发明的目的是克服已有技术的不足，从控制涂层中裂纹生成入手，简化整个工艺过程，并用硅粉凝胶体包覆替代直接硅粉包埋，使工艺易于放大，建立了一种更为实用的具有抗氧化涂层碳材料制备工艺。

本发明的具有无裂纹抗氧化SiC涂层碳材料的制备方法包括以下步骤：凝胶体的烧结

(1)制备初级泥浆：

用碱将水的PH值调至8～13，然后将20％-35％(质量百分数，以下同)平均颗粒直径在0.1μm-10μm的石墨粉、10％-35％平均颗粒直径在0.1μm-1μm的α-SiC粉以及1％-15％的悬浮剂、0％-1％的交联剂、0％-0.1％的反应催化剂和30％-60％的水混合配成初级涂层泥浆，用喷枪将此泥浆均匀地喷在基体上，待此泥浆凝胶并干燥后备用；

(2)制备凝胶体：

用碱将水的PH值调至8～13，然后将20％-60％平均颗粒直径为0.1μm-10μm的硅粉、0％-30％平均颗粒直径为0.1μm-1μm的α-SiC粉以及4％-20％的悬浮剂、1％-5％的添加剂、0.01％-1.5％交联剂、0-5％的添加剂：氧化镁或三氧化二硼和30％-60％的水混合配成包覆泥浆，将包覆泥浆充分研磨，使泥浆中各组分均匀分布，然后向泥浆中加入0.001％-0.1％的凝胶反应催化剂，将具有初级涂层的样品放入其中，等包覆泥浆发生凝胶反应后，石墨样品就留在凝胶体中，在自然条件下干燥3-10天或者在100℃-200℃的环境中干燥15小时到40小时，得到干燥的凝胶体；

(3)成品结烧：

将上述第二步得到的凝胶体放入炉子中，用5℃-20℃/分钟将炉子升到500℃，再以10℃-20℃/分钟将炉子升至1000℃，保温0-3.5小时，然后再以15℃-30℃/分钟的速度升到1400℃，保温0.5-2小时，最后以20-30℃/分钟将炉子升到1700℃-1900℃，保温1-4小时，即得具有无裂纹抗氧化SiC涂层的碳材料。

本发明直接制备无裂纹抗氧化SiC涂层的主要优点如下：

(一)控制涂层中裂纹生成：本发明主要通过三种措施从不同层次上防止涂层中出现裂纹或者微孔隙。

1、初级泥浆层消除涂层表面的大孔：石墨表面孔隙分布不均匀，有的地方孔大，有的地方孔小，对孔大的地方，用传统的反应生成工艺制备SiC涂层之后大孔仍然存在，而涂层制备好以后要封堵这些大孔比较困难，这些大孔的存在会最终影响涂层的抗氧化性能。本发明通过先在基体石墨外涂覆一层均匀的泥浆，这样在涂层制备以前就消除了基体表面的大孔，避免了最终涂层中出现大孔。