[发明专利]具有高温自愈合抗氧化特性的炭/陶复合材料及其制备方法

说明书

本发明属于一种炭/陶复合材料及其制备方法，具体地说涉及一种具有高温自愈合抗氧化特性的炭/陶复合材料及其制备方法。

炭、石墨材料具有优良的导电、导热性、耐腐蚀、高温热稳定性等，广泛用于宇航、冶金、化工和机械行业中，可作为火箭喷嘴、电极、高炉砌体、电解电极、铸模和高温轴承等。但是炭材料在温度高于400℃的氧化性气氛中就开始发生氧化反应。氧化反应使得炭材料的电阻率升高，气孔率增加，力学性能下降。只有对炭材料进行氧化防护，才能延长炭材料的使用寿命，并保证其在高温和氧化性气氛中使用时的性能稳定性和工作可靠性。

近三十多年来，尤其是近十年来，炭材料的氧化防护研究已成为国内外的一个研究热点。炭材料的氧化防护方法主要有三种：浸渍氧化抑制剂法、涂层法以及基体弥散陶瓷粒子改性法等。浸渍氧化抑制法由于氧化抑制剂(硼酸、磷酸及其盐类等)在较高温度下的挥发以及抑制剂不能完全覆盖炭材料的表面，所以仅限于800℃以下对炭材料的氧化防护。涂层法是用CVD、PVD、CVI、刷涂法等工艺在炭材料表面形成一层陶瓷耐火材料涂层。由于陶瓷涂层和炭基体间存在化学相容性的问题，轻微的撞击便有可能损伤涂层；由于涂层和炭基体间还存在机械相容性问题(热膨胀系数失配所致)，当炭材料工作在冷热瞬变的工作环境中时，涂层极易剥离，并有可能脱落，从而导致氧化防护的失效。基体改性法是在炭基体中弥散一定种类及含量的陶瓷粒子，制成匀质性的抗氧化炭/陶复合材料。但是，不同的炭/陶复合材料的抗氧化性由于弥散在炭基体中的陶瓷粒子的种类、含量及不同陶瓷粒子间的配比不同，而呈现出不同程度的差异。李铁虎等(Carbon 1995,Vol.33,No.4,P469)在炭基体中弥散一定量的Al₂O₃、SiO₂粒子进行基体改性，虽然可在一定程度上降低炭基体的氧化速率，但对炭基体的氧化防护效果仍较差；Sogabe等(Carbon 1995,Vol.33,No.12,P1783)在炭基体中弥散B₄C粒子，制备的B₄C-石墨复合材料在800℃以下有着很好的抗氧化性能，但温度在800℃以上时，由于复合材料表面的B₂O₃氧化防护层(由B₄C粒子氧化转变而成)的挥发速速率较快，抗氧化性将变差。

本发明的目的是提供一种具有高温自愈合抗氧化特性的炭/陶复合材料及其制备方法。

本发明的发明目的是这样实现的，将挥发份含量约为10％～11％(重量百分比)生焦粉、B₄C粉、Si粉按一定的配比进行混合，混合粉在球磨机中混磨，以使得陶瓷粒子在生焦粉中均匀弥散。得到的混合粉冷压成型、烧结、石墨化，从而得到具有高温自愈合抗氧化特性的B₄C-SiC/C复合材料。此种复合材料所具有的高温自愈合抗氧化特性是指在高温和氧化气氛中，弥散在炭基体中的非氧化物陶瓷粒子B₄C、SiC氧化成玻璃状薄膜，封闭了炭材料的表面，阻止了氧气的侵入，从而实现自愈合抗氧化。如果选择合适的陶瓷粒子B₄C、SiC的含量及其配比，使之在氧化气氛中能够生成粘度适中，相互润湿，以及对氧的扩散系数小的均匀、连续、牢固的B₂O₃-SiO₂玻璃相薄膜，就能使炭/陶复合材料具有极好的高温自愈合抗氧化性能。此种复合材料高温自愈合抗氧化性还表现在：当复合材料表面的玻璃态陶瓷氧化薄膜受到损伤或出现裂缝时，内部的陶瓷粒子B₄C、SiC同样可以氧化成膜以弥合损伤处，或填塞裂缝，使之再次成为一连续的玻璃态薄膜，从这个角度来看，自愈合抗氧化特性又赋予了B₄C-SiC/C复合材料抗氧化的稳定性和连续性。

本发明的物料组成(重量百分比)为：

生焦    50-80％

Si      5-30％

B₄C    15-20％

本发明的制备方法如下：

1．将生焦、B₄C和Si分别破碎。

2．将破碎后的物料按上述组成混合，混合粉在球磨机中混磨20-30小时，得到粒径在1-50μm的混合球状粉末；

3．混磨之后，在100-200MPa压力下冷压成型，升温至1000℃烧结，在2000-2200℃温度下石墨化得到产品。

如上所述的生焦的挥发份含量为10-11％(重量百分比)。