一种用于C/ZrC-SiC复合材料的陶瓷防护层及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种用于C/ZrC

【技术实现步骤摘要】
一种用于C/ZrC-SiC复合材料的陶瓷防护层及其制备方法


[0001]本专利技术属于复合材料涂层制备
，尤其涉及一种用于C/ZrC-SiC复合材料的陶瓷防护层及其制备方法。

技术介绍

[0002]碳纤维增韧碳化锆-碳化硅陶瓷基复合材料(C/ZrC-SiC复合材料)是一种高性能的热结构材料。它克服了单相陶瓷材料脆性的致命弱点，具有低密度、耐高温、高强度、抗氧化和耐烧蚀等优异特性，可作为航空航天热结构材料，并已经在飞行器的翼舵、前缘上得到了应用。但是，长期以来的研究表明，在长时间氧化环境下基体中的ZrC、SiC会被氧化为ZrO2、SiO2，当使用温度低于2200℃时，ZrO2与SiO2形成粘稠的玻璃态物质，可以阻止O2的渗透，发挥较好的抗氧化作用。但是，当使用温度高于2200℃以后，ZrO2由于相变作用，熔融的SiO2物质粘度降低，逐渐失去对O2的阻挡作用，使得碳纤维被氧化，材料的抗氧化性能急剧下降。因此，传统C/ZrC-SiC复合材料的长时抗氧化使用温度不超过2200℃。当飞行器的马赫数较高时，其高温结构件如端头、发动机等需承受很高的温度、温度冲击、强氧化和气流冲刷环境，温度超过2200℃，需要对其进行改性，进一步提高C/ZrC-SiC复合材料的抗氧化耐温等级。
[0003]在C/ZrC-SiC复合材料表面制备抗氧化涂层是提高C/ZrC-SiC复合材料抗氧化耐温等级的一种有效方法。如中国专利申请CN200610091392.2利用喷涂法制备了ZrB
2-SiC复合涂层，但是ZrB2容易氧化生成ZrO2，其熔点较低，涂层的高温抗氧化效果一般。中国专利申请CN200610091392.2利用包埋法结合CVD法制备了TaSi2/SiC复合涂层，但是TaSi2的沉积温度较高，超过1800℃，成本高且容易损坏碳纤维。中国专利申请CN201911200144.0在C/SiC复合材料上制备了依次包括ZrC-SiC过渡层、ZrC抗氧化涂层和SiC封孔层的陶瓷防护层，但该陶瓷防护层只能达到2000℃左右，当将其应用于C/ZrC-SiC复合材料防护时，并不能提高C/ZrC-SiC复合材料的抗氧化耐温等级。中国专利申请CN201911201327.4在C/ZrC-SiC复合材料表面制备了HfC-HfB
2-SiC涂层，使得C/ZrC-SiC复合材料的使用温度以及高温抗氧化性能得到了提升，但是涂层与基体的物质组成不同，涂层与基体的热膨胀系数相差较大，导致在长时间高温下易脱落，失去了涂层对基体的保护作用。

技术实现思路

[0004]为了解决现有技术存在的技术问题，本专利技术提供了一种用于C/ZrC-SiC复合材料的陶瓷防护层及其制备方法。本专利技术方法制备的所述陶瓷防护层能进一步提高C/ZrC-SiC复合材料的长时耐高温抗氧化能力。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术在第一方面提供了一种用于C/ZrC-SiC复合材料的陶瓷防护层，所述陶瓷防护层包括在C/ZrC-SiC复合材料上依次形成的(TiZrHfTa)C
x-SiC过渡层、(TiZrHfTa)C
x
抗氧化涂层和SiC封孔层。
[0006]优选地，所述(TiZrHfTa)C
x-SiC过渡层的厚度为0.15～0.5mm；和/或所述
(TiZrHfTa)C
x
抗氧化涂层的厚度为0.05～0.2mm；和/或所述SiC封孔层的厚度为0.02～0.05mm。
[0007]优选地，(TiZrHfTa)C
x
成分中含有的Ti、Zr、Hf和Ta的摩尔比值为1:1:1:1，且(TiZrHfTa)C
x
成分中含有的Ti、Zr、Hf和Ta的摩尔百分数之和60％～80％。
[0008]本专利技术在第二方面提供了本专利技术在第一方面所述的用于C/ZrC-SiC复合材料的陶瓷防护层的制备方法，所述方法包括如下步骤：
[0009](1)用Ti-Zr-Hf-Ta-Si一体化陶瓷前驱体溶液浸渍C/ZrC-SiC复合材料，然后依次进行固化和高温裂解的步骤，在所述C/ZrC-SiC复合材料的表面制得(TiZrHfTa)C
x-SiC过渡层；所述Ti-Zr-Hf-Ta-Si一体化陶瓷前驱体溶液由Ti-Zr-Hf-Ta高熵陶瓷前驱体树脂、聚碳硅烷、烯丙基酚醛树脂和二甲苯配制而成；
[0010](2)将Ti-Zr-Hf-Ta高熵陶瓷前驱体溶液涂覆在步骤(1)所得到的(TiZrHfTa)C
x-SiC过渡层的表面，然后依次进行固化和高温裂解的步骤，在所述(TiZrHfTa)C
x-SiC过渡层的基础上制得(TiZrHfTa)C
x
抗氧化涂层；所述Ti-Zr-Hf-Ta高熵陶瓷前驱体溶液由Ti-Zr-Hf-Ta高熵陶瓷前驱体树脂、烯丙基酚醛树脂和二甲苯配制而成；
[0011](3)通过化学气相沉积法在步骤(2)所得到的(TiZrHfTa)C
x
抗氧化涂层的表面沉积SiC封孔层，从而在C/ZrC-SiC复合材料上形成所述陶瓷防护层；所述陶瓷防护层包括依次在C/ZrC-SiC复合材料上形成的所述(TiZrHfTa)C
x-SiC过渡层、所述(TiZrHfTa)C
x
抗氧化涂层和所述SiC封孔层。
[0012]优选地，在步骤(1)中，所述Ti-Zr-Hf-Ta-Si一体化陶瓷前驱体溶液的配制为：按重量份数计，将1～4份Ti-Zr-Hf-Ta高熵陶瓷前驱体树脂、1份聚碳硅烷和3～6份烯丙基酚醛树脂，加入到4～7份二甲苯中，然后在90～110℃温度下搅拌6～8h，配制成所述Ti-Zr-Hf-Ta-Si一体化陶瓷前驱体溶液；和/或所述Ti-Zr-Hf-Ta-Si一体化陶瓷前驱体溶液中含有的Ti、Zr、Hf和Ta的总质量与含有的硅的质量比值为(1～4):1。
[0013]优选地，在步骤(2)中，所述Ti-Zr-Hf-Ta高熵陶瓷前驱体溶液的配制为：按重量份数计，将1份Ti-Zr-Hf-Ta高熵陶瓷前驱体树脂、1.5～2.5份烯丙基酚醛树脂加入到2.5～3.5份二甲苯中，然后在40～50℃下搅拌4～10h，配制成所述Ti-Zr-Hf-Ta高熵陶瓷前驱体溶液。
[0014]优选地，在步骤(1)和步骤(2)中，所述Ti-Zr-Hf-Ta高熵陶瓷前驱体树脂的配制为：按摩尔份数计，将1份钛酸酯、1份锆酸酯、1份铪酸酯、1份钽酸酯和8～30份正丙醇混合均匀，并加入0.001～0.003份二乙胺作为催化剂和0.2～0.5份乙酰丙酮作为配体，置于冰水浴中反应5～15h；反应完毕后，经过过滤得到所述Ti-Zr-Hf-Ta高熵陶瓷前驱体树脂。
[0015]优选地，步骤(1)中，所述浸渍为真空浸渍，所述真空浸渍的时间为2～5h；和/或所述固化的压力为2～5MPa，所述固化的温度为250～300℃，所述固化的时间为10～15h；和/或所述高温裂解的温度为1400～1600℃，所述高温裂解的时间为2～5h；和/或本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于C/ZrC-SiC复合材料的陶瓷防护层，其特征在于：所述陶瓷防护层包括在C/ZrC-SiC复合材料上依次形成的(TiZrHfTa)C
x-SiC过渡层、(TiZrHfTa)C
x
抗氧化涂层和SiC封孔层。2.根据权利要求1所述的用于C/ZrC-SiC复合材料的陶瓷防护层，其特征在于：所述(TiZrHfTa)C
x-SiC过渡层的厚度为0.15～0.5mm；和/或所述(TiZrHfTa)C
x
抗氧化涂层的厚度为0.05～0.2mm；和/或所述SiC封孔层的厚度为0.02～0.05mm。3.根据权利要求1所述的用于C/ZrC-SiC复合材料的陶瓷防护层，其特征在于：(TiZrHfTa)C
x
成分中含有的Ti、Zr、Hf和Ta的摩尔比值为1:1:1:1，且(TiZrHfTa)C
x
成分中含有的Ti、Zr、Hf和Ta的摩尔百分数之和60％～80％。4.根据权利要求1至3中任一项所述的用于C/ZrC-SiC复合材料的陶瓷防护层的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：(1)用Ti-Zr-Hf-Ta-Si一体化陶瓷前驱体溶液浸渍C/ZrC-SiC复合材料，然后依次进行固化和高温裂解的步骤，在所述C/ZrC-SiC复合材料的表面制得(TiZrHfTa)C
x-SiC过渡层；所述Ti-Zr-Hf-Ta-Si一体化陶瓷前驱体溶液由Ti-Zr-Hf-Ta高熵陶瓷前驱体树脂、聚碳硅烷、烯丙基酚醛树脂和二甲苯配制而成；(2)将Ti-Zr-Hf-Ta高熵陶瓷前驱体溶液涂覆在步骤(1)所得到的(TiZrHfTa)C
x-SiC过渡层的表面，然后依次进行固化和高温裂解的步骤，在所述(TiZrHfTa)C
x-SiC过渡层的基础上制得(TiZrHfTa)C
x
抗氧化涂层；所述Ti-Zr-Hf-Ta高熵陶瓷前驱体溶液由Ti-Zr-Hf-Ta高熵陶瓷前驱体树脂、烯丙基酚醛树脂和二甲苯配制而成；(3)通过化学气相沉积法在步骤(2)所得到的(TiZrHfTa)C
x
抗氧化涂层的表面沉积SiC封孔层，从而在C/ZrC-SiC复合材料上形成所述陶瓷防护层；所述陶瓷防护层包括依次在C/ZrC-SiC复合材料上形成的所述(TiZrHfTa)C
x-SiC过渡层、所述(TiZrHfTa)C
...

【专利技术属性】
技术研发人员：裴雨辰，刘伟，杨良伟，张宝鹏，于艺，刘俊鹏，孙同臣，王涛，
申请(专利权)人：航天特种材料及工艺技术研究所，
类型：发明
国别省市：