一种Cf/SiC复合材料表面光学涂层及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种Cf/SiC复合材料表面光学涂层及其制备方法，所述光学涂层是以SiC/Si为主相、厚度为1mm以上的光学致密涂层，所述光学涂层的制备方法包括以下步骤：（a）通过浆料涂覆工艺在Cf/C复合材料表面制备主相为C和SiC的多孔素坯膜；（b）将步骤（a）所得的多孔素坯膜和Cf/C复合材料同步渗硅，在所述Cf/C复合材料通过渗硅反应得到Cf/SiC复合材料的同时，在Cf/SiC复合材料表面形成以SiC/Si为主相的致密光学涂层。本发明专利技术所述方法还具有成型工艺简单、涂层致密度高、微观组成与厚度可控以及与基底结合强度高等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种Cf/SiC复合材料表面光学涂层及其制备方法
本专利技术涉及一种Cf/SiC复合材料表面光学涂层的制备方法，属于涂层制备工艺领域。
技术介绍
碳纤维增强碳化硅基复合材料(Cf/SiC)具有耐高温、耐腐蚀、高比刚度、高热导、低密度等系列优点。其内部存在的独特的裂纹偏转、纤维拔出以及纤维桥联等能量耗散机制使基体中裂纹在外加载荷的作用下扩展到弱界面区域时不会快速失稳扩展，材料表现出类似金属的非灾难性破坏特征。因此，Cf/SiC复合材料在航空航天领域被广泛用作火箭发动机喷管和燃烧室、超高速飞行器尖锐前缘和空间光学部件。由于Cf/SiC复合材料中碳纤维和气孔的存在，Cf/SiC复合材料表面无法通过直接抛光获得满足应用需求的表面光洁度，这成为Cf/SiC复合材料在空间光学领域应用面临的最主要问题之一。目前主要通过Cf/SiC复合材料表面改性来解决这一问题。而表面改性技术主要分为物理气相沉积硅(PVD-Si)和化学气相沉积碳化硅(CVD-SiC)两类。PVD-Si难以获得较高的致密度，且与基材结合力较低；CVD-SiC残余热应力较大，容易分层、剥落，在制备0.2mm以上光学涂层时非常困难。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种制备与Cf/SiC复合材料底材结合良好且微观组成与厚度可控的SiC/Si致密光学涂层的方法。在此，本专利技术提供一种Cf/SiC复合材料表面光学涂层的制备方法，所述光学涂层是以SiC/Si为主相、厚度可达1mm以上的光学致密涂层，所述制备方法包括：(a)通过浆料涂覆工艺在Cf/C复合材料表面制备主相为C和SiC的多孔素坯膜；(b)将步骤(a)所得的多孔素坯膜和Cf/C复合材料同步渗硅，在所述Cf/C复合材料通过渗硅反应得到Cf/SiC复合材料的同时，在Cf/SiC复合材料表面形成以SiC/Si为主相的致密光学涂层。本专利技术通过浆料涂覆工艺在Cf/C复合材料表面制备主相为C和SiC的多孔素坯膜(多孔陶瓷预涂层)；并将所得的表面涂覆有多孔陶瓷预涂层的Cf/C复合材料同步反应渗硅。在此渗硅过程中，在Cf/C复合材料表面形成以SiC/Si为主相的致密涂层的同时，Cf/C逐步转化为Cf/SiC复合材料，使得所述Cf/SiC复合材料与SiC/Si为主相的致密涂层发生化学结合形成一个反应过渡层，显著提高了Cf/SiC复合材料表面的致密度和SiC/Si为主相的致密涂层与Cf/SiC复合材料基底的结合强度。较佳地，步骤(a)包括将作为陶瓷粉体的SiC粉体和炭黑球磨混合后得到的浆料直接涂覆于Cf/C复合材料表面得到一定厚度的陶瓷预涂层。碳化硅和炭黑的质量比优选为1：(0.2～0.6)。所述陶瓷预涂层的厚度优选为1mm～4mm。优选地，在SiC粉体和炭黑中还加入分散剂和/或粘结剂后再球磨混合得到所述浆料。较佳地，将溶剂、以及作为陶瓷粉体的SiC粉体和炭黑混合球磨12～24小时，然后加入粘结剂再球磨12～24小时得到浆料。较佳地，将所得的浆料除气后涂覆在Cf/C复合材料表面、并干燥形成表面具有多孔陶瓷预涂层的Cf/C复合材料。干燥时间优选为10～60分钟。较佳地，在C和SiC粉体中还加入分散剂和/或粘结剂后再与溶剂球磨混合得到所述浆料，所述分散剂为聚乙烯吡咯烷酮或/和BYK，加入量为陶瓷粉体和溶剂总质量的4％～8％。优选为，将溶剂、以及作为陶瓷粉体的SiC粉体与炭黑、分散剂、粘结剂按一定比例在溶剂中分散均匀，球磨后得到浆料。所述溶剂为去离子水。所述溶剂与陶瓷粉体的体积比为(60～80)：(40～20)。较佳地，所述分散剂为聚乙烯吡咯烷酮或/和BYK，优选为聚乙烯吡咯烷酮。加入量为陶瓷粉体和溶剂总质量的4％～8％。较佳地，所述粘结剂为聚氨酯、甲基纤维素、聚乙烯醇中的至少一种，优选为聚乙烯醇。所述粘结剂为陶瓷粉体质量的6～12wt％。较佳地，将所得的表面具有多孔陶瓷预涂层的Cf/C复合材料真空脱粘，脱粘时的温度为600℃～1600℃，升温速率为1～3℃/分钟，保温时间为30～60分钟。较佳地，步骤(a)中，所述Cf/C复合材料的厚度为3～10mm。较佳地，步骤(b)中，所述Cf/C复合材料预先进行表面处理，所述表面处理包括将所述Cf/C复合材料表面磨平、洗净、烘干。较佳地，步骤(b)中，反应渗硅的时间为10～60分钟。本专利技术提出了利用浆料涂覆结合反应烧结工艺制备Cf/SiC复合材料表面光学涂层的方法，所得到的SiC/Si光学涂层，可以显著提高Cf/SiC复合材料表面的致密度，实现高质量的表面光学加工，该方法还具有成型工艺简单、涂层致密度高、微观组成与厚度可控以及与基底结合强度高等优点。附图说明图1为实施例1所得的预涂层的光学图；图2为实施例2预涂层脱粘后的SEM图；图3为实施例2预涂层脱粘后的孔径分布图；图4为实施例5涂层表面抛光后的SEM图；图5为实施例6涂层与基材界面结合的SEM图；图6为实施例7涂层抛光后AFM表面形貌图。具体实施方式以下通过下述实施方式进一步说明本专利技术，应理解，下述实施方式仅用于说明本专利技术，而非限制本专利技术。针对PVD-Si难以获得较高的致密度，与基材结合力不够；CVD-SiC容易分层、剥落，厚度不均，残余应力大的问题，本专利技术通过液相渗硅反应烧结工艺将多孔素坯膜(多孔陶瓷预涂层)结合到复合材料表面，形成以SiC/Si为主相的光学涂层。其中所述光学涂层是以SiC/Si为主相、厚度可达1mm以上的光学致密涂层。具体而言，在Cf/C复合材料表面通过浆料涂覆工艺制备一层厚度均匀可控、组分均匀、无缺陷的以SiC/C为主相的陶瓷预涂层，经干燥、脱粘，采用液相渗硅反应烧结工艺，将多孔素坯膜转化为与Cf/SiC复合材料结合良好的SiC/Si致密光学涂层，最后通过光学加工得到具有一定光学性能的表面。作为Cf/C复合材料，其制备方法不限，例如可以采用先驱体浸渍裂解(PIP)工艺制备Cf/C复合材料基材(Cf为碳纤维)。其中所述Cf/C复合材料基材的厚度可根据实际应用可调，优选为3～10mm。Cf/C复合材料可以预先进行表面处理。在一个示例中，将Cf/C复合材料基材表面磨平、抛光并用酒精清洗干净，烘干。以浆料涂覆工艺在Cf/C复合材料基材表面制备主相为C、SiC的多孔陶瓷预涂层。在一个实施方式中，浆料涂覆工艺包括如下步骤：1)将作为陶瓷粉体的碳化硅粉体与炭黑、分散剂、粘结剂按一定比例在溶剂中分散均匀，球磨后得到浆料；2)将所得的浆料除气后均匀涂覆于Cf/C复合材料表面；3)将2)所得的表面具有多孔陶瓷预涂层的Cf/C复合材料真空脱粘。其中，SiC粉体与炭黑的质量比可为1：(0.2～0.6)。所采用的溶剂可为去离子水。所述溶剂与陶瓷粉体的体积比可为(60～80)：(40～20)。分散剂包括但不限于BYK(主要成分为高分子烷基铵盐共聚物)、聚乙烯吡咯烷酮等，其加入量可为陶瓷粉体和溶剂总质量的4％～8％。粘结剂包括但不限于聚氨酯、甲基纤维素或聚乙烯醇等，粘结剂质量可为陶瓷粉体质量的6％～12％。步骤1)中，更优选地，先将分散剂、陶瓷粉体、溶剂混合球磨12～24h，然后加入粘结剂再球磨12～24h。通过分步加入的方式逐步加入分散剂、陶瓷粉体、粘结剂等可以增加浆料的固含量，有利于制备高固含量的浆料。步骤2)中，浆本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种Cf/SiC复合材料表面光学涂层的制备方法，其特征在于，所述光学涂层是以SiC/Si为主相、厚度为1mm以上的光学致密涂层，所述制备方法包括以下步骤：（a）通过浆料涂覆工艺在Cf/C复合材料表面制备主相为C和SiC的多孔素坯膜；（b）将步骤（a）所得的多孔素坯膜和Cf/C复合材料同步渗硅，在所述Cf/C复合材料通过渗硅反应得到Cf/SiC复合材料的同时，在Cf/SiC复合材料表面形成以SiC/Si为主相的致密光学涂层。

【技术特征摘要】
1.一种Cf/SiC复合材料表面光学涂层的制备方法，其特征在于，所述光学涂层是以SiC/Si为主相、厚度为1mm以上的光学致密涂层，所述制备方法包括以下步骤：（a）通过浆料涂覆工艺在Cf/C复合材料表面制备主相为C和SiC的多孔素坯膜；（b）将步骤（a）所得的多孔素坯膜和Cf/C复合材料同步渗硅，在所述Cf/C复合材料通过渗硅反应得到Cf/SiC复合材料的同时，在Cf/SiC复合材料表面形成以SiC/Si为主相的致密光学涂层。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（a）包括将溶剂、以及作为陶瓷粉体的SiC粉体和炭黑球磨混合后得到的浆料直接涂覆于Cf/C复合材料表面得到一定厚度的陶瓷预涂层。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述陶瓷预涂层厚度为1mm～4mm。4.根据权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于，所述SiC粉体...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱云洲，宋盛星，刘学建，姚秀敏，殷杰，黄政仁，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31