一种含钡锶铝硅酸盐/莫来石/SiC三层复合结构涂层的复合材料的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种含钡锶铝硅酸盐/莫来石/SiC三层复合结构涂层的复合材料的制备方法；属于耐高温复合材料制备技术领域。其基本技术路线为首先采用包埋法制备SiC底层，然后再在SiC包覆碳/碳复合材料表面的表面采用溶胶-凝胶工艺制备莫来石中间层，最后采用原位反应烧结法在莫来石中间层表面制备BSAS外涂层。该方法与传统的等离子喷涂法、化学气相沉积法相比，具有设备成本低，工艺简单、快捷、高效，对于基体形状适应性强，所得涂层均匀致密等优势。本发明专利技术工艺简单可控，便于产业化应用。

Method for preparing composite material containing barium strontium aluminium silicate / mullite /SiC three layer composite structure coating

The invention relates to a preparation method of a composite material containing barium strontium aluminum silicate / mullite /SiC three layer composite structure coating. The basic technical route for the preparation of SiC first package bottom burying method and then coating the surface of carbon / carbon composites surface by sol gel process of preparing mullite interlayer in SiC, finally by in situ reaction sintering method for surface preparation of mullite interlayer BSAS coating. Compared with the traditional plasma spraying method and chemical vapor deposition method, the method has the advantages of low cost, simple process, high efficiency, strong adaptability to the shape of the matrix, uniform and compact coating, etc.. The process of the invention is simple and controllable, and is convenient for industrial application.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种含钡锶铝硅酸盐/莫来石/SiC三层复合结构涂层的复合材料的制备方法；属于耐高温复合材料制备

技术介绍
高推重比是高性能航空发动机的显著标志，实现高推重比最直接的手段是提高涡轮前进口的温度。C/C复合材料(C/C)与传统高温合金材料相比，良好的高温力学性能、抗热震性、化学稳定性和尺寸稳定性等优良特性，是目前唯一可在2000℃以上保持较高力学性能的超高温复合材料。当前传统高温合金材料发展潜力已基本耗尽，采用C/C复合材料热端部件替代传统高温合金则可以大幅提高航空发动机的推重比和最大推力，改进燃油效率等关键性能，成为最具发展潜力的材料之一。虽然C/C复合材料具有很多优良的高温性能，但是在高温有氧环境下的氧化敏感性成为制约其在高推比航空发动机应用的主要原因。因此解决高温燃气环境下的抗氧化/抗腐蚀问题是C/C复合材料在航空发动机上应用的关键。利用环境障碍涂层(Environmentbarriercoating，EBC)防护包括C/C复合材料在内的陶瓷基复合材料(CMC)，保障其能够在高温燃起环境中长期稳定运行，已经成为未来热端部件发展的核心共性基础技术。美、英、法等发达国家一直把EBC视为新一代航空发动机材料的发展重点之一，投入巨资进行研究。目前主流的EBC结构通常采用粘结层/中间层/外层的3层结构体系。对于以C/C复合材料为基体的EBC结构设计而言，包埋法所制备的SiC涂层与C/C基体之间的界面结合良好，故通常选用包埋法制备SiC层作为粘结层。莫来石陶瓷具有高温相稳定性好，力学性能优异，抗热震/热循环能力强，耐腐蚀性环境等一系列优点，并且由于莫来石具有和SiC相近的热膨胀系数，使其成为理想的EBC中间层材料；最外层则采用低模量且具有较强抗水氧腐蚀能力的钡锶铝硅酸盐(BSAS，(1-x)BaO-xSrO-Al2O3-2SiO2，0≤x≤1)以进一步增强EBC在高温水氧环境中的抗腐蚀性能。目前应用较为普遍的EBC制备技术主要有等离子喷涂和浆料浸渍。等离子喷涂工艺设备复杂，成本较高；浆料浸渍则存在着制备周期长且涂层性能差等缺点。因此，发展低成本、高效率和高性能的新型涂层制备技术，并且针对不同的涂层材料特点制定合理的涂层制备工艺组合以克服目前单一工艺所存在的缺陷，对于未来EBC技术的发展具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的不足，提供了一种含钡锶铝硅酸盐/莫来石/SiC三层复合结构涂层的复合材料的制备方法。本专利技术一种含钡锶铝硅酸盐/莫来石/SiC三层复合结构涂层的复合材料的制备方法，包括以下步骤：步骤1包埋法制备SiC涂层将C/C复合材料埋于包埋粉料内，在保护气氛下，进行烧结，得到基体Ⅰ；所述基体Ⅰ为均匀包覆有SiC涂层的C/C复合材料；烧结时控制温度为1750℃～1800℃；所述包埋粉料中以质量百分比计包括下述组分：Si粉：60～65％；SiC粉：10～30％；炭粉：5～10％；Al2O3：1～5％；步骤2溶胶-凝胶法制备莫来石中间层步骤2.1以可溶性铝盐、硅酸酯为原料、按摩尔比，Al：Si：H2O：有机溶剂：催化剂＝(2～3):(1～1.5):(5～8):(20～30):(0.3～0.5)，配取原料、有机溶剂、催化剂后进行回流反应得到凝胶；所得凝胶经干燥后在1200～1350℃的空气气氛中煅烧，得到预煅烧莫来石粉料A；所述硅酸酯选自正硅酸乙酯、正硅酸甲酯、正硅酸丙酯中的至少一种；所述有机溶剂选在无水乙醇、无水甲醇中的至少一种；所述催化剂选自冰醋酸和氢氟酸中的至少一种；步骤2.2以可溶性铝盐、硅酸酯为原料、按摩尔比，Al：Si：有机溶剂：催化剂＝(2～3):(1～1.5):(5～8):(20～30):(0.3～0.5)，配取原料、有机溶剂、催化剂后在60～85℃进行回流反应4～6h，然后在滴入去离子水；并升温至80～85℃反应至少8小时后冷却、陈化；陈化后，在80～120℃干燥，得到莫来石前驱体粉料B；所述硅酸酯选自正硅酸乙酯、正硅酸甲酯、正硅酸丙酯中的至少一种；所述有机溶剂选在无水乙醇、无水甲醇中的至少一种；所述催化剂选自冰醋酸和氢氟酸中的至少一种；步骤2.3按质量比，预煅烧莫来石粉料A：莫来石前驱体粉料B＝4～6:1，配取预煅烧莫来石粉料A、莫来石前驱体粉料B，按所配取预煅烧莫来石粉料A与莫来石前驱体粉料B总质量的0.3～1wt％配取成膜助剂；所述成膜助剂选自聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)中的至少一种；按溶剂总质量的5～8wt％，配取干燥抑制剂；所述干燥抑制剂选自草酸、丙三醇中的至少一种；所述溶剂选自乙醇或甲醇中的至少一种；配取预煅烧莫来石粉料A+莫来石前驱体粉料B总质量与所用溶剂的质量比为15～35wt.％；将配取的预煅烧莫来石粉料A、莫来石前驱体粉料B、成膜助剂、干燥抑制剂、溶剂通过球磨混合均匀后得到涂层前驱体浆料，将基体Ⅰ浸入浆料中，利用浸渍提拉技术进行浆料涂覆；涂覆完后，在1480～1515℃煅烧，得到基体Ⅱ；所述基体Ⅱ为均匀包覆有莫来石的基体Ⅰ(即莫来石/SiC/C/C复合材料)；步骤3原位反应烧结法制备钡锶铝硅酸盐(BSAS)最外层：步骤3.1将步骤2.3所得基体Ⅱ浸入浆料C中，利用浸渍提拉装置进行浆料涂覆；得到均匀涂覆有浆料C的基体Ⅱ；所述浆料C由原料和溶剂按质量比，原料：溶剂＝65～80：20～35组成；所述原料由原料D、原料E、烧结助剂、成膜助剂组成；所述原料B占所述原料总质量的83～91％，所述原料D由BaO、SrO、Al2O3和SiO2粉按摩尔比BaO：SrO：Al2O3：SiO2＝(1-x)：x：1：2，所述x大于0且小于1；所述原料E占所述原料总质量的3～5％，所述原料C由Co2O3和ZrO2按质量比Co2O3：ZrO2＝(1-y)：y，所述y大于零且小于等于0.5；所述B2O3烧结助剂占所述原料总质量的3～7％；所述成膜助剂占所述原料总质量的3～5wt.％；所述成膜剂选自聚乙烯醇缩丁醛(PVB)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)中的至少一种；步骤3.2在有氧气氛下，与于1400～1500℃对将步骤3.1所得均匀涂覆有浆料A的基体Ⅱ进行烧结；得到含钡锶铝硅酸盐/莫来石/SiC三层复合结构涂层的复合材料。本专利技术一种含钡锶铝硅酸盐/莫来石/SiC三层复合结构涂层的复合材料的制备方法，步骤一中所述包埋粉料的制备方法为：按设计组分本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种含钡锶铝硅酸盐/莫来石/SiC三层复合结构涂层的复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1包埋法制备SiC涂层将C/C复合材料埋于包埋粉料内，在保护气氛下，进行烧结，得到基体Ⅰ；所述基体Ⅰ为均匀包覆有SiC涂层的C/C复合材料；烧结时控制温度为1750℃～1800℃；所述包埋粉料中以质量百分比计包括下述组分：Si粉：60～65％；SiC粉：10～30％；炭粉：5～10％；Al2O3：1～5％；步骤2溶胶‑凝胶法制备莫来石中间层步骤2.1以可溶性铝盐、硅酸酯为原料、按摩尔比，Al：Si：H2O：有机溶剂：催化剂＝(2～3):(1～1.5):(5～8):(20～30):(0.3～0.5)，配取原料、有机溶剂、催化剂后进行回流反应得到凝胶；所得凝胶经干燥后在1200～1350℃的空气气氛中煅烧，得到预煅烧莫来石粉料A；所述硅酸酯选自正硅酸乙酯、正硅酸甲酯、正硅酸丙酯中的至少一种；所述有机溶剂选在无水乙醇、无水甲醇中的至少一种；所述催化剂选自冰醋酸和氢氟酸中的至少一种；步骤2.2以可溶性铝盐、硅酸酯为原料、按摩尔比，Al：Si：有机溶剂：催化剂＝(2～3):(1～1.5):(5～8):(20～30):(0.3～0.5)，配取原料、有机溶剂、催化剂后在60‑85℃进行回流反应4～6h，然后在滴入去离子水；并升温至80～85℃反应至少8小时后冷却、陈化；陈化后，在80～120℃干燥，得到莫来石前驱体粉料B；所述硅酸酯选自正硅酸乙酯、正硅酸甲酯、正硅酸丙酯中的至少一种；所述有机溶剂选在无水乙醇、无水甲醇中的至少一种；所述催化剂选自冰醋酸和氢氟酸中的至少一种；步骤2.3按质量比，预煅烧莫来石粉料A：莫来石前驱体粉料B＝4～6:1，配取预煅烧莫来石粉料A、莫来石前驱体粉料B，按所配取预煅烧莫来石粉料A与莫来石前驱体粉料B总质量的0.3～1％配取成膜助剂；所述成膜助剂选自聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇缩丁醛中的至少一种；按溶剂总质量的5～8％，配取干燥抑制剂；所述干燥抑制剂选自草酸、丙三醇中的至少一种；所述溶剂选自乙醇或甲醇中的至少一种；配取预煅烧莫来石粉料A+莫来石前驱体粉料B总质量为所用溶剂的质量的15～35％；将配取的预煅烧莫来石粉料A、莫来石前驱体粉料B、成膜助剂、干燥抑制剂、溶剂通过球磨混合均匀后得到涂层前驱体浆料，将基体Ⅰ浸入浆料中，利用浸渍提拉技术进行浆料涂覆；涂覆完后，在1480～1515℃煅烧，得到基体Ⅱ；所述基体Ⅱ为均匀包覆有莫来石的基体Ⅰ；步骤3原位反应烧结法制备钡锶铝硅酸盐最外层：步骤3.1将步骤2.3所得基体Ⅱ浸入浆料C中，利用浸渍提拉装置进行浆料涂覆；得到均匀涂覆有浆料C的基体Ⅱ；所述浆料C由原料和溶剂按质量比，原料：溶剂＝65～80：20～35组成；所述原料由原料D、原料E、烧结助剂、成膜助剂组成；所述原料B占所述原料总质量的83～91％，所述原料D由BaO、SrO、Al2O3和SiO2粉按摩尔比BaO：SrO：Al2O3：SiO2＝(1‑x)：x：1：2，所述x大于0且小于1；所述原料E占所述原料总质量的3～5％，所述原料C由Co2O3和ZrO2按质量比Co2O3：ZrO2＝(1‑y)：y，所述y大于零且小于等于0.5；所述烧结助剂B2O3占所述原料总质量的3～7％；所述成膜助剂占所述原料总质量的3～5％；所述成膜剂选自聚乙烯醇缩丁醛、聚乙烯吡咯烷酮中的至少一种；步骤3.2在有氧气氛下，与于1400～1500℃对将步骤3.1所得均匀涂覆有浆料A的基体Ⅱ进行烧结；得到含钡锶铝硅酸盐/莫来石/SiC三层复合结构涂层的复合材料。...

【技术特征摘要】
1.一种含钡锶铝硅酸盐/莫来石/SiC三层复合结构涂层的复合材料的制备方法，其特征在
于，包括以下步骤：
步骤1包埋法制备SiC涂层
将C/C复合材料埋于包埋粉料内，在保护气氛下，进行烧结，得到基体Ⅰ；所述基体Ⅰ为
均匀包覆有SiC涂层的C/C复合材料；烧结时控制温度为1750℃～1800℃；
所述包埋粉料中以质量百分比计包括下述组分：
Si粉：60～65％；
SiC粉：10～30％；
炭粉：5～10％；
Al2O3：1～5％；
步骤2溶胶-凝胶法制备莫来石中间层
步骤2.1
以可溶性铝盐、硅酸酯为原料、按摩尔比，Al：Si：H2O：有机溶剂：催化剂＝
(2～3):(1～1.5):(5～8):(20～30):(0.3～0.5)，配取原料、有机溶剂、催化剂后进行回流反应得到凝
胶；所得凝胶经干燥后在1200～1350℃的空气气氛中煅烧，得到预煅烧莫来石粉料A；所述
硅酸酯选自正硅酸乙酯、正硅酸甲酯、正硅酸丙酯中的至少一种；所述有机溶剂选在无水乙
醇、无水甲醇中的至少一种；所述催化剂选自冰醋酸和氢氟酸中的至少一种；
步骤2.2
以可溶性铝盐、硅酸酯为原料、按摩尔比，Al：Si：有机溶剂：催化剂＝
(2～3):(1～1.5):(5～8):(20～30):(0.3～0.5)，配取原料、有机溶剂、催化剂后在60-85℃进行回流
反应4～6h，然后在滴入去离子水；并升温至80～85℃反应至少8小时后冷却、陈化；陈化后，
在80～120℃干燥，得到莫来石前驱体粉料B；所述硅酸酯选自正硅酸乙酯、正硅酸甲酯、正
硅酸丙酯中的至少一种；所述有机溶剂选在无水乙醇、无水甲醇中的至少一种；所述催化剂
选自冰醋酸和氢氟酸中的至少一种；
步骤2.3
按质量比，预煅烧莫来石粉料A：莫来石前驱体粉料B＝4～6:1，配取预煅烧莫来石粉料A、
莫来石前驱体粉料B，按所配取预煅烧莫来石粉料A与莫来石前驱体粉料B总质量的0.3～1％
配取成膜助剂；所述成膜助剂选自聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇缩丁醛中的至少一种；按溶剂

\t总质量的5～8％，配取干燥抑制剂；所述干燥抑制剂选自草酸、丙三醇中的至少一种；所述溶
剂选自乙醇或甲醇中的至少一种；配取预煅烧莫来石粉料A+莫来石前驱体粉料B总质量为
所用溶剂的质量的15～35％；
将配取的预煅烧莫来石粉料A、莫来石前驱体粉料B、成膜助剂、干燥抑制剂、溶剂通
过球磨混合均匀后得到涂层前驱体浆料，将基体Ⅰ浸入浆料中，利用浸渍提拉技术进行浆料
涂覆；涂覆完后，在1480～1515℃煅烧，得到基体Ⅱ；所述基体Ⅱ为均匀包覆有莫来石的基
体Ⅰ；
步骤3原位反应烧结法制备钡锶铝硅酸盐最外层：
步骤3.1
将步骤2.3所得基体Ⅱ浸入浆料C中，利用浸渍提拉装置进行浆料涂覆；得到均匀涂覆
有浆料C的基体Ⅱ；所述浆料C由原料和溶剂按质量比，原料：溶剂＝65～80：20～35组成；
所述原料由原料D、原料E、烧结助剂、成膜助剂组成；所述原料B占所述原料总质量的83～
91％，
所述原料D由BaO、SrO、Al2O3和SiO2粉按摩尔比BaO：SrO：Al2O3：SiO2＝(1-x)：
x：1：2，所述x大于0且小于1；
所述原料E占所述原料总质量的3～5％，所述原料C由Co2O3和ZrO2按质量比Co2O3：
ZrO2＝(1-y)：y，所述y大于零且小于等于0.5；
所述烧结助剂B2O3占所述原料总质量的...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖鹏，文中流，李专，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43