一种采用溶胶-凝胶法制备ZrO制造技术

一种采用溶胶‑凝胶法制备ZrO

【技术实现步骤摘要】
一种采用溶胶-凝胶法制备ZrO2-SiO2二元混合溶胶涂层的方法
一种采用溶胶-凝胶法制备ZrO2-SiO2二元混合溶胶涂层的方法，属于先进的抗氧化涂层材料

技术介绍
C/C复合材料是由碳纤维作为增强相的碳基体复合材料，具有诸多优异性能，如密度小、耐热冲击、耐摩擦、耐烧蚀、高强高模、热膨胀系数低。而且随着温度的升高，C/C复合材料的力学性能也随之增强，因而在航空航天、军事及生物医疗等诸多领域得到了普遍应用。然而C/C复合材料在大于370℃有氧气氛下，水蒸气温度超过650℃时，CO2温度超过750℃时，都会发生氧化反应，这使C/C复合材料的应用受到了极大制约。因此，C/C复合材料的高温抗氧化性能的改善与提高是目前C/C复合材料应用领域研究的前沿与热点。针对C/C复合材料的氧化过程，目前提高C/C复合材料抗氧化性能的方式主要有两种：一是C/C复合材料自身抗氧化技术，即在C/C复合材料制备过程。对碳纤维和基体碳进行改性处理，通过添加一些抗氧化、抗烧蚀组分，其本身的抗氧化性能得到提升；二是制备抗氧化涂层，C/C复合材料通过在其表面制备隔绝O2的抗氧化涂层，避免O2与C/C复合材料直接接触，从而达到抗氧化的目的。目前，外部抗氧化涂层技术是提高C/C复合材料高温抗氧化性能最佳手段。陶瓷涂层其原理是利用硅化物陶瓷在高温下反应生成SiO2，而SiO2具有良好的高温自愈合性和较低的氧渗透性。SiO2的氧扩散系数很低，既可以填充涂层中的孔洞等缺陷，又可以隔绝氧气的进入。然而，C/C复合材料的热膨胀系数约为1.0×10-6/K，陶瓷材料热膨胀系数通常大于1.0×10-6/K。由于C/C复合材料基体与涂层之间热膨胀系数的不匹配，导致涂层在热震循环过程中容易从C/C复合材制表面脱落，使得抗氧化涂层失效。为解决此问题，国内外研究人员相继开发了晶须增韧陶瓷、梯度复合陶瓷等涂层体系，提高抗氧化涂层与C/C复合材料基体热膨胀系数的匹配性，从而提升陶瓷涂层的抗氧化性能与抗热震性能。本专利技术通过溶胶-凝胶法，得到了具有良好抗氧化性能的将C/C复合材料均匀覆盖的ZrO2-SiO2二元混合溶胶涂层。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术是通过采用溶胶-凝胶法制备ZrO2-SiO2二元混合溶胶涂层的方法，对C/C复合材料起到一定的保护作用，大大提升了C/C复合材料的抗氧化性能。本专利技术所提供的制备高性能ZrO2-SiO2二元混合溶胶涂层的方法，主要包括下述步骤：步骤(1)以无机锆盐为ZrO2溶胶前驱体，在烧杯中加入按一定比例混合无机锆盐、聚乙二醇2000、乙醇(C2H5OH)，将烧杯口用保鲜膜封住，在磁力搅拌下室温进行水解。当水解至混合溶液变浑浊后，滴加碱性溶液，边滴加边磁力搅拌直至混合溶液变澄清，制得无色透明的ZrO2溶胶。步骤(2)以有机硅源作为SiO2溶胶前驱体，将实验原料按照有机硅源、蒸馏水、乙醇、盐酸，按照一定摩尔比例混合，在一定温度下水浴搅拌一定时间，待溶胶冷却后加入一定量的干燥剂，继续搅拌，制得SiO2溶胶。步骤(3)将已经制备的稳定氧化锆溶胶、氧化硅溶胶混合，为使溶胶混合均匀，先将混合溶胶在室温下磁力搅拌一定时间，搅拌速度不能过快，否则会破坏溶胶体系的稳定性。搅拌完毕后，再将其置于T＝25℃，F＝30000HZ超声仪中，超声45min，使锆硅溶胶得到充分混合。步骤(4)将C/C复合材料加工成1×1×1cm3的试样，并用特定的SiC砂纸进行打磨，再用无水乙醇经超声清洗一定时间，置于80℃烘箱中烘干。将C/C复合材料试样常压浸渍于ZrO2-SiO2溶胶中，当试样表面无明显气泡逸出时，置于80℃烘箱中干燥一定时间，如此反复。步骤(5)将上述C/C复合材料试样放入石墨坩埚中，置于高温碳化炉中，以高纯氮气做为保护性气体，控制碳化炉升温速率，将炉温从室温升至一定温度并恒温制得ZrO2-SiO2涂层。步骤(1)中无机锆盐选用氧氯化锆(ZrO2·8H2O)，烧杯中按摩尔比值在3～5的加入双氧水与氧氯化锆，在磁力搅拌下25℃进行水解。碱性溶液可选用氨水溶液调解pH。步骤(2)中有机硅源可选用正硅酸乙酯，将实验原料按照正硅酸乙酯(TEOS)：蒸馏水：乙醇(EtOH)：盐酸(HCl)＝1：3.8：6.4：0.085的摩尔比例混合，50℃下恒温水浴并且磁力搅拌1.5h，待溶胶冷却后加入一定量的N,N－二甲基甲酰胺(DMF)作为干燥剂，继续搅拌0.5h，制得SiO2溶胶。步骤(3)中混合溶胶需在室温下磁力搅拌60min。步骤(4)中SiC砂纸选用300目规格；置于烘箱中干燥2h。步骤(5)中控制碳化炉升温速率为5℃/min，将炉温从室温升至900℃恒温2h，1350℃恒温1h。本专利技术具有以下优点：(1)选用八水合氧氯化锆和正硅酸乙酯作为有机前驱体，原料成本低，来源广，所制得溶胶稳定性好。(2)采用溶胶－凝胶法制备过程温度低，能耗小，通过改变条件易于控制凝胶微观结构。(3)采用溶胶－凝胶法增进了多元组分体系的均匀性，使ZrO2-SiO2二元混合溶胶涂层可以较为均匀的包覆在C/C材料表面。(4)溶胶－凝胶法可在大面积或任意形状的基片上成形，厚度在几纳米到微米量级可调，所得产物的纯度极高。(5)溶胶－凝胶法制备的ZrO2-SiO2二元混合溶胶涂层对C/C复合材料具有一定程度的保护作用，提高了其抗氧化性能。附图说明图1为所得ZrO2-SiO2二元混合溶胶涂层电子扫描图。具体实施方式下面以具体实施例的方式说明本专利技术，但不构成对本专利技术的限制。以下实施例中以八水合氧氯化锆和正硅酸乙酯为前驱体，溶胶-凝胶法制备ZrO2-SiO2二元混合溶胶涂层。实施例1：在200ml烧杯中加入聚乙二醇2000、乙醇(C2H5OH)作为溶剂，随后加入摩尔比值在3～5的双氧水与氧氯化锆，形成混合溶液，将烧杯口用保鲜膜封住，在磁力搅拌下25℃即室温进行水解。当水解至混合溶液变浑浊后，滴加氨水(NH3·H2O)溶液，调节pH维持在3～4左右。边滴加边磁力搅拌，使氨水与溶胶混合均匀，直至混合溶液变澄清，制得无色透明的ZrO2溶胶。之后将实验原料按照正硅酸乙酯(TEOS)：蒸馏水：乙醇(EtOH)：盐酸(HCl)＝1：3.8：6.4：0.085的摩尔比例混合，50℃下恒温水浴并且磁力搅拌1.5h，待溶胶冷却后加入一定量的N,N－二甲基甲酰胺(DMF)作为干燥剂，继续搅拌0.5h，制得SiO2溶胶。将已经制备的稳定氧化锆溶胶、氧化硅溶胶以锆硅比为4：1均匀混合，将混合溶胶在室温下磁力搅拌60min，搅拌速度不能过快，否则会破坏溶胶体系的稳定性。搅拌完毕后，再将其置于T＝25℃，F＝30000HZ超声仪中，超声45min，使锆硅溶胶得到充分混合。将C/C复合材料试样常压浸渍于ZrO2-SiO2溶胶中，当试样表面无明显气泡逸出时，置于80℃烘箱中干燥2h，如此反复。将上述C/C复合材料试样放入石墨坩埚中，置本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种采用溶胶-凝胶法制备ZrO

【技术特征摘要】
1.一种采用溶胶-凝胶法制备ZrO2-SiO2二元混合溶胶涂层的方法，其特征在于，主要包括下述步骤：
步骤(1)以无机锆盐为ZrO2溶胶前驱体，在烧杯中加入按一定比例混合无机锆盐、聚乙二醇2000、乙醇(C2H5OH)，将烧杯口用保鲜膜封住，在磁力搅拌下室温进行水解；当水解至混合溶液变浑浊后，滴加碱性溶液，边滴加边磁力搅拌直至混合溶液变澄清，制得无色透明的ZrO2溶胶。
步骤(2)以有机硅源作为SiO2溶胶前驱体，将实验原料按照有机硅源、蒸馏水、乙醇、盐酸，按照一定摩尔比例混合，在一定温度下水浴搅拌一定时间，待溶胶冷却后加入一定量的干燥剂，继续搅拌，制得SiO2溶胶。
步骤(3)将已经制备的稳定氧化锆溶胶、氧化硅溶胶混合，为使溶胶混合均匀，先将混合溶胶在室温下磁力搅拌一定时间，搅拌速度不能过快，否则会破坏溶胶体系的稳定性。搅拌完毕后，再将其置于T＝25℃，F＝30000HZ超声仪中，超声45min，使锆硅溶胶得到充分混合。
步骤(4)将C/C复合材料加工成1×1×1cm3的试样，并用特定的SiC砂纸进行打磨，再用无水乙醇经超声清洗一定时间，置于80℃烘箱中烘干；将C/C复合材料试样常压浸渍于ZrO2-SiO2溶胶中，当试样表面无明显气泡逸出时，置于80℃烘箱中干燥一定时间，如此反复。
步骤(5)将上述C/C复合材料试样放入石墨坩埚中，置于高温碳化炉中，以高纯氮气做为保护性气体，控制碳化炉升温速率，将炉温从室温升至一定温度...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈晓红，李孟，卢亚平，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11