一种在碳基材料表面制备难熔金属碳化物涂层的方法技术

本发明专利技术公开一种在碳基材料表面制备难熔金属碳化物涂层的方法，该方法是一种在碳材料表面通过化学气相原位反应制备难熔金属碳化物涂层的方法。本方法中，金属氟钾酸盐分解为金属氟化物和氟化钾，金属氟化物与金属单质发生歧化反应产生金属氟化物气体，而氟化钾又与金属单质反应产生钾蒸汽，金属氟化物气体和钾蒸汽渗透进入碳材料并与碳材料中的碳反应生成梯度分布的难熔金属碳化物涂层。本发明专利技术工艺简单、原料易得，制备的难熔金属碳化物涂层是在碳材料上原位生成，为化学键结合，结合力较好，使得本发明专利技术的难熔金属碳化物涂层与碳材料之间具有很好的结合强度。

【技术实现步骤摘要】
一种在碳基材料表面制备难熔金属碳化物涂层的方法
本专利技术涉及高温材料
，尤其是一种在碳基材料表面制备难熔金属碳化物涂层的方法。
技术介绍
石墨和碳/碳复合材料等碳材料具有较强的化学稳定性，优异的导电、导热性能，良好的高温力学性能，高的熔点(3700℃)以及耐热冲击等物理特性，因此被广泛运用于军事、工业以及民生领域。但碳材料在空气中的使用温度仅为400℃，当温度高于450℃时开始氧化，通常认为通过对碳材料添加外部涂层是保护其免受化学侵蚀，改善其物理性能最直接、最有效的方法。目前，在碳材料表面制备外部涂层的方法包括等离子喷涂法、熔盐歧化法和化学气相沉积法等。等离子喷涂法制备难熔金属涂层对设备要求高、制备成本较高；化学气相沉积法制备的难熔金属碳化物涂层仅覆盖碳基材料表面，涂层与基体之间的结合力较弱；熔盐歧化法所制备出的样品纯度不高、表面含有大量的杂质，样品还需要后续处理，过程较为复杂。
技术实现思路
本专利技术提供一种在碳基材料表面制备难熔金属碳化物涂层的方法，用于克服现有技术中对设备要求高、制备成本较高，涂层与基体之间的结合力较弱，以及纯度不高等缺陷。为实现上述目的，本专利技术提出一种在碳基材料表面制备难熔金属碳化物涂层的方法，包括以下步骤：S1：以金属单质为反应源，以所述金属单质对应的氟钾酸盐为活化剂，以所述金属单质对应的碳化物为填充剂；称取金属单质、所述金属单质对应的氟钾酸盐和所述金属单质对应的碳化物，混合均匀，获得混合料；所述金属单质为Ti、Zr和Ta中的一种；S2：以碳材料为基体，将所述碳材料和所述混合料分别置于烧结炉中；S3：对所述烧结炉抽真空并通入惰性气体，加热、保温，获得在碳基材料表面生长的难熔金属碳化物涂层。与现有技术相比，本专利技术的有益效果有：1、本专利技术提供的在碳基材料表面制备难熔金属碳化物涂层的方法是一种在碳材料表面通过化学气相原位反应制备难熔金属碳化物涂层的方法，其基本原理是：金属氟钾酸盐分解为金属氟化物和氟化钾，金属氟化物与金属单质发生歧化反应产生金属氟化物气体，而氟化钾又与金属单质反应产生钾蒸汽，金属氟化物气体和钾蒸汽渗透进入碳材料并与碳材料中的碳反应生成梯度分布的难熔金属碳化物涂层。本专利技术制备的难熔金属碳化物涂层是在碳材料上原位生成，为化学键结合，结合力较好，使得本专利技术的难熔金属碳化物涂层与碳材料之间具有很好的结合强度。此外，本专利技术的难熔金属碳化物涂层不仅在碳材料表面上原位生成，而且梯度存在于碳材料内部，难熔金属碳化物涂层与碳材料之间具有良好的过渡层，涂层与碳材料间的热膨胀系数连续变化，与现有涂层和基体直接结合的方式相比，本专利技术的涂层和基体之间结合效果更强，并且本专利技术的改性碳材料具有更好的耐热冲击性。2、本专利技术提供的方法中所使用的活性剂起始分解温度为800℃左右，高于现有技术中NH4Cl的起始分解温度(300℃左右)，有效的减少了活性剂的扩散逃逸，提高了活性剂的使用效率。3、本专利技术提供的方法简单、成本低廉、可操作性强，制备得到的涂层厚度均匀、纯度高、成分均匀。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。图1为本专利技术实施案例中混合粉料、碳材料和反应容器在真空碳管烧结炉中的放置位置以及真空碳管烧结炉的结构图；图2为实施例1制备的在碳基材料表面生长的TiC涂层的表面XRD图谱；图3为实施例1制备的在碳基材料表面生长的TiC涂层的表面SEM照片；图4为实施例1制备的在碳基材料表面生长的TiC涂层的截面SEM照片；图5为实施例2制备的在碳基材料表面生长的ZrC涂层的表面XRD图谱；图6为实施例2制备的在碳基材料表面生长的ZrC涂层的表面SEM照片；图7为实施例2制备的在碳基材料表面生长的ZrC涂层的截面SEM照片；图8为实施例3制备的在碳基材料表面生长的TaC涂层的表面XRD图谱；图9为实施例3制备的在碳基材料表面生长的TaC涂层的表面SEM照片；图10为实施例3制备的在碳基材料表面生长的TaC涂层的截面SEM照片。附图标号说明：1、炉体，2、出气口，3、加热体，4、泵阀，5、悬挂的碳材料，6、坩埚，7、混合料。本专利技术目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。另外，本专利技术各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本专利技术要求的保护范围之内。无特殊说明，所使用的药品/试剂均为市售。本专利技术提出一种在碳基材料表面制备难熔金属碳化物涂层的方法，包括以下步骤：S1：以金属单质为反应源，以所述金属单质对应的氟钾酸盐为活化剂，以所述金属单质对应的碳化物为填充剂；称取金属单质、所述金属单质对应的氟钾酸盐和所述金属单质对应的碳化物，混合均匀，获得混合料；所述金属单质为Ti、Zr和Ta中的一种；S2：以碳材料为基体，将所述碳材料和所述混合料分别置于烧结炉中；S3：对所述烧结炉抽真空并通入惰性气体，加热、保温，获得在碳基材料表面生长的难熔金属碳化物涂层。本专利技术提供的方法是一种在碳材料表面通过化学气相原位反应制备金属碳化物涂层的方法，其基本原理是：金属氟钾酸盐分解为金属氟化物和氟化钾，金属氟化物与金属单质发生歧化反应产生金属氟化物气体，而氟化钾又与金属单质反应产生钾蒸汽，金属氟化物气体和钾蒸汽渗透进入碳材料并与碳材料中的碳反应生成梯度分布的难熔金属碳化物涂层。碳材料基体的形状不受任何限制，根据实际需要选择，其尺寸仅受所用烧结炉炉腔尺寸限制。优选地，在步骤S1中，所述混合料中，填充剂的质量分数为50～75％，活化剂的质量分数为10～25％。填充剂用于防止金属单质及其对应的氟钾酸盐高温烧结。活化剂用于分解为金属氟化物和氟化钾。优选地，在步骤S1中，所述活化剂为K2TiF6、K2ZrF6和K2TaF7中的一种；所述填充剂为TiC、ZrC和TaC中的一种。优选地，在步骤S2中，所述基体由石墨块体或碳/碳复合材料块体经机械加工制备得到。优选地，在步骤S2中，将所述碳材料和所述混合料分别置于烧结炉中，具体为：将所述混合料均匀平铺于反应容器中并将所述反应容器置于烧结炉中，将所述碳材本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种在碳基材料表面制备难熔金属碳化物涂层的方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1：以金属单质为反应源，以所述金属单质对应的氟钾酸盐为活化剂，以所述金属单质对应的碳化物为填充剂；/n称取金属单质、所述金属单质对应的氟钾酸盐和所述金属单质对应的碳化物，混合均匀，获得混合料；/n所述金属单质为Ti、Zr和Ta中的一种；/nS2：以碳材料为基体，将所述碳材料和所述混合料分别置于烧结炉中；/nS3：对所述烧结炉抽真空并通入惰性气体，加热、保温，获得在碳基材料表面生长的难熔金属碳化物涂层。/n

【技术特征摘要】
1.一种在碳基材料表面制备难熔金属碳化物涂层的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：以金属单质为反应源，以所述金属单质对应的氟钾酸盐为活化剂，以所述金属单质对应的碳化物为填充剂；
称取金属单质、所述金属单质对应的氟钾酸盐和所述金属单质对应的碳化物，混合均匀，获得混合料；
所述金属单质为Ti、Zr和Ta中的一种；
S2：以碳材料为基体，将所述碳材料和所述混合料分别置于烧结炉中；
S3：对所述烧结炉抽真空并通入惰性气体，加热、保温，获得在碳基材料表面生长的难熔金属碳化物涂层。


2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S1中，所述混合料中，填充剂的质量分数为50～75％，活化剂的质量分数为10～25％。


3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S1中，所述活化剂为K2TiF6、K2ZrF6和K2TaF7中的一种；所述填充剂为TiC、ZrC和TaC中的一种。


4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S2中，所述基体由石墨块体或碳/碳复合材料块体经机械加工制备得到。


5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S2中，将所述碳材料和所述混合料分别置于烧结炉中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：万红，张全才，龚瑾瑜，朱利安，王震，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43