碳化硅与羟基磷灰石梯度涂层改性的碳/碳复合材料及制备方法技术

本发明专利技术涉及一种碳化硅与羟基磷灰石梯度涂层改性的碳/碳复合材料及制备方法，采用的是包埋法和超音速等离子喷涂法在碳/碳复合材料表面制备一层SiC涂层和SiC‑HA涂层。由于包埋法制备的SiC涂层属于C与Si原位生长结合，而SiC‑HA涂层与SiC涂层属于梯度涂层，使得SiC‑HA涂层与SiC涂层能更好地融合，减少其表面由于热膨胀系数失配产生的表面缺陷，提高涂层与基体间的结合强度和耐腐蚀性。本发明专利技术有效的减小涂层与碳/碳复合材料基体间的热应力，减少裂纹的产生，提高涂层的致密性。超音速等离子喷涂控制参数精准，能够制备出厚度均匀的涂层，对构件要求低，在生物领域具有非常广泛的应用前景。

Carbon / carbon composites modified by silicon carbide and hydroxyapatite gradient coating and preparation method thereof

The invention relates to a carbon/carbon composite modified by gradient coating of silicon carbide and hydroxyapatite and a preparation method thereof. A layer of SiC coating and SiC_HA coating are prepared on the surface of the carbon/carbon composite by embedding method and supersonic plasma spraying method. SiC coating prepared by embedding method belongs to the combination of C and Si in situ growth, while SiC_HA coating and SiC coating belong to gradient coating, which makes SiC_HA coating and SiC coating fuse better, reduces the surface defects caused by thermal expansion coefficient mismatch, and improves the bonding strength and corrosion resistance between coating and substrate. The invention effectively reduces the thermal stress between the coating and the carbon/carbon composite matrix, reduces the generation of cracks, and improves the compactness of the coating. Supersonic plasma spraying control parameters are accurate, can be prepared uniform thickness coating, low component requirements, in the biological field has a very wide range of applications.

【技术实现步骤摘要】
碳化硅与羟基磷灰石梯度涂层改性的碳/碳复合材料及制备方法
本专利技术属于碳/碳复合材料在生物领域的应用，涉及一种碳化硅与羟基磷灰石梯度涂层改性的碳/碳复合材料及制备方法，主要是应用于生物骨替代和骨移植，涉及一种SiC-HA梯度涂层改性碳/碳复合材料的制备方法。
技术介绍
碳/碳复合材料具有高比强高比模、优异的抗疲劳性能、优良的耐摩擦磨损性能、耐体液腐蚀以及良好的生物相容性，尤其是其弹性模量与人体骨骼的弹性模量相当，所以其被认为是生物领域骨移植和骨修复非常具有前景的材料之一。但其也存在一些缺陷：(1)当植入人体后在骨界面处会因摩擦产生一些碳微粒和碳碎片；(2)碳/碳复合材料是生物惰性材料，表面疏水，不具有传导和诱导骨组织细胞再生的功能。因此，在其表面制备一层具有生物活性的涂层是非常有必要的。HA是一种广泛存在于人体骨骼和牙齿中的生物活性物质，但其力学性能较差，脆性大等缺陷限制了其在骨替代医用领域的广泛应用。因此，将HA制成涂层材料会有较大的应用前景。本文是针对于超音速等离子喷涂制备HA涂层所存在的问题进行探讨并加以改善。众所周知，超音速等离子喷涂得到的HA涂层表面存在很多缺陷，其中以微裂纹为主，这主要是由于碳/碳复合材料与HA涂层的热膨胀系数不匹配产生的热应力造成的。为了解决上述缺陷，本专利采用包埋法结合超音速等离子喷涂制备SiC-HA梯度涂层来缓解热失配从而达到减少表面缺陷的目的。文献1：“J.L.Sui,M.S.Li,Y.P.Lu,Y.Q.Bai,Theeffectofplasmasprayingpoweronthestructureandmechanicalpropertiesofhydroxyapatitedepositedontocarbon/carboncomposites,Surface&CoatingsTechnology190(2)(2005)287-292.”介绍了在碳/碳复合材料表面喷涂制备HA涂层，虽然可以预防碳微粒或碳碎片的产生，但是由于涂层与基体间的热失配而产生微裂纹，因此会降低涂层在植入人体后与骨界面的结合强度和耐腐蚀性。文献2：“C.W.Yang,T.S.Lui,Microstructuralself-healingeffectofhydrothermalcrystallizationonbondingstrengthandfailuremechanismofhydroxyapatitecoatings,JournaloftheEuropeanCeramicSociety28(11)(2008)2151-2159.”研究了喷涂HA涂层的表面缺陷，后续借助水热法愈合喷涂HA涂层造成的表面缺陷，继而提高涂层与基体间的结合强度。
技术实现思路
要解决的技术问题为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种碳化硅与羟基磷灰石梯度涂层改性的碳/碳复合材料及制备方法，解决现有方法在碳/碳复合材料表面制备HA涂层热膨胀系数失配的技术问题。技术方案一种碳化硅与羟基磷灰石梯度涂层改性的碳/碳复合材料，其特征在于：碳/碳复合材料的表面内涂层为碳化硅SiC涂层，外涂层为碳化硅SiC与HA羟基磷灰石的梯度涂层；所述碳化硅SiC涂层的材料组份为：质量分数75％～80％的Si，10％～15％的C和5％～10％的Al2O3；所述碳化硅SiC与HA羟基磷灰石的梯度涂层的材料组份为：质量分数20％～80％的SiC与20％～80％的HA。所述碳/碳复合材料基体的密度为1.40g/cm3～1.78g/cm3。一种制备所述碳化硅与羟基磷灰石梯度涂层改性的碳/碳复合材料的方法，其特征在于步骤如下：步骤1：将碳/碳复合材料预处理；步骤2、SiC内涂层的制备：将混合好的SiC内涂层的粉料采用球磨罐球磨混合，放入烘箱中烘干，然后与碳/碳复合材料置于石墨坩埚中，粉料包覆于碳/碳复合材料表面；将石墨坩埚封盖后置于高温炉中，在1900～2200℃处理1～3h，随炉冷却，即在碳/碳复合材料表面制得SiC内涂层；所述SiC内涂层的粉料配比为：质量分数75％～80％的Si粉料，10％～15％的C粉料和5％～10％的Al2O3粉料；步骤3、制备SiC-HA外涂层：将质量分数20％～80％的SiC粉料与20％～80％的HA粉料置于球磨罐中球磨混合后干燥，利用喷雾造粒机将球磨后的混合粉料进行造粒处理；将具有SiC内涂层的碳/碳复合材料置于超音速等离子喷涂设备下，将混合好SiC-HA粉料喷涂在SiC内涂层上，得到SiC-HA外涂层；所述喷涂参数为：功率为25kW～55kW，送粉率为3.2r/min～5.2r/min，喷涂次数为10次～25次，Ar流量为60L/min～85L/min。所述步骤1碳/碳复合材料的预处理是：采用丙酮、酒精和去离子水按照先后顺序清洗20-30min，直至碳微粒被清洗干净，然后将清洗干净的碳/碳复合材料放入50-70℃的烘箱中干燥10-15h。有益效果本专利技术提出的一种碳化硅与羟基磷灰石梯度涂层改性的碳/碳复合材料及制备方法，在超音速等离子喷涂HA涂层之前加入包埋SiC工艺，此涂层的目的主要是缓解碳/碳复合材料基体与HA涂层之间因热膨胀系数差异产生的热应力。在后续喷涂HA涂层中加入SiC粉料，制备出SiC-HA梯度涂层。这与包埋的SiC涂层产生过渡效应，并且SiC内涂层与HA都是陶瓷相，能够降低单独HA涂层的热膨胀系数，使SiC-HA梯度涂层形成一个完整的体系，制备出表面缺陷少且致密的涂层。本专利技术利用超音速等离子喷涂技术在碳/碳复合材料基体上喷涂SiC-HA涂层，制备出更加致密的梯度涂层，属于热喷涂
本专利技术通过喷雾造粒法制备出的SiC-HA喷涂型粉料，可以提高涂层与碳/碳复合材料基体间的结合强度并且制备出性能优异的生物涂层。制备出的双组分梯度涂层可以有效的缓解碳/碳复合材料基体与HA涂层之间因热膨胀系数不匹配而产生的热应力，减少涂层的缺陷，提高涂层的致密性，进而提高涂层与基体间的结合强度和耐腐蚀性。该方法不仅有效的降低涂层表面的缺陷而且提高涂层的耐腐蚀性，促进碳/碳复合材料在生物领域的广泛应用，并具有显著的经济和社会效益。本专利技术的显著优点在于：制备的SiC-HA梯度涂层表面缺陷明显减少，孔隙率降低，致密度高，涂层与基体间的结合强度高，耐腐蚀性好。该方法具有很号的应用前景。附图说明图1：实施方案二中喷涂制备的SiC-HA涂层表面微观组织形貌图2：实施方案二中喷涂制备的SiC-HA涂层的截面微观组织形貌图3：实施方案二中喷涂制备的SiC-HA涂层XRD分析具体实施方式现结合实施例、附图对本专利技术作进一步描述：SiC-HA梯度涂层：SiC涂层为内涂层，SiC-HA涂层为外涂层。制备权利要求1所述的SiC-HA梯度涂层的制备方法步骤一：将碳/碳复合材料用丙酮、酒精以及去离子水清洗干净并干燥；步骤二、SiC内涂层的制备：将质量分数为75％～80％的Si粉料，10％～15％的C粉料，5％～10％的Al2O3粉料，采用球磨罐混合均匀，然后放入烘箱中烘干。将混合好的粉料与步骤一中得到的碳/碳复合材料均匀的置于石墨坩埚中，将石墨盖盖好放入高温炉中，在1900～2200℃处理1～3h，随炉冷却，即可在碳/碳复合材料表面制本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳化硅与羟基磷灰石梯度涂层改性的碳/碳复合材料，其特征在于：碳/碳复合材料的表面内涂层为碳化硅SiC涂层，外涂层为碳化硅SiC与HA羟基磷灰石的梯度涂层；所述碳化硅SiC涂层的材料组份为：质量分数75％～80％的Si，10％～15％的C和5％～10％的Al2O3；所述碳化硅SiC与HA羟基磷灰石的梯度涂层的材料组份为：质量分数20％～80％的SiC与20％～80％的HA。

【技术特征摘要】
1.一种碳化硅与羟基磷灰石梯度涂层改性的碳/碳复合材料，其特征在于：碳/碳复合材料的表面内涂层为碳化硅SiC涂层，外涂层为碳化硅SiC与HA羟基磷灰石的梯度涂层；所述碳化硅SiC涂层的材料组份为：质量分数75％～80％的Si，10％～15％的C和5％～10％的Al2O3；所述碳化硅SiC与HA羟基磷灰石的梯度涂层的材料组份为：质量分数20％～80％的SiC与20％～80％的HA。2.根据权利要求1所述的碳化硅与羟基磷灰石梯度涂层改性的碳/碳复合材料，其特征在于：所述碳/碳复合材料基体的密度为1.40g/cm3～1.78g/cm3。3.一种制备权利要求1或2所述碳化硅与羟基磷灰石梯度涂层改性的碳/碳复合材料的方法，其特征在于步骤如下：步骤1：将碳/碳复合材料预处理；步骤2、SiC内涂层的制备：将混合好的SiC内涂层的粉料采用球磨罐球磨混合，放入烘箱中烘干，然后与碳/碳复合材料置于石墨坩埚中，粉料包覆于碳/碳复合材料表面；将石墨坩埚封盖后置于高温炉中，在1900～2...

【专利技术属性】
技术研发人员：李克智，苏杨杨，张磊磊，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61