C/C复合材料长时抗氧化烧蚀HfB2-SiC-TaSi2涂层的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种C/C复合材料长时抗氧化烧蚀HfB2‑

【技术实现步骤摘要】
C/C复合材料长时抗氧化烧蚀HfB2‑
SiC
‑
TaSi2涂层的制备方法


[0001]本专利技术属于C/C复合材料涂层
，涉及一种C/C复合材料长时抗氧化烧蚀HfB2‑
SiC
‑
TaSi2涂层的制备方法。

技术介绍

[0002]碳/碳(C/C)复合材料是指以碳纤维及其织物为增强材料，以碳(或石墨)为基体，通过致密化和石墨化处理制成的复合材料，由于其低密度、低热膨胀系数、优异的高温性能而被广泛应用于航空航天领域。但其在高温有氧环境下极易被氧化，这种氧化敏感性严重地限制了其使用范围。高温涂层技术是提升C/C复合材料抗氧化性能的有效方法。
[0003]近年来，C/C复合材料表面的高温涂层以陶瓷涂层为主，SiC因其与C/C复合材料的热膨胀系数相近，在高温下可以产生致密的SiO2玻璃层，保护基体不被氧化而成为主要的涂层材料。但当温度超过1500℃时，SiO2玻璃层稳定性下降，SiC涂层的抗氧化能力受到限制。
[0004]HfB2具有高熔点、高强度、高硬度等优异的综合性能，将其引入SiC涂层是提高其高温热防护稳定性的有效方法。文献一“Wang P,Li H,Jia Y,et al.Ablation resistance of HfB2‑
SiC coating prepared by in
‑
situ reaction method for SiC coated C/C composites[J].Ceramics International,2017,43(15):12005
‑
12012.”采用包埋法在C/C复合材料表面制备了HfB2‑
SiC涂层，该涂层在热流密度为2400kW/m2的氧乙炔火焰下烧蚀60s后，涂层C/C复合材料的质量烧蚀率和线烧蚀率为0.147mg/s和0.267μm/s，与SiC涂层相比分别降低了21.8％和60.0％。但HfB2‑
SiC涂层的长时抗烧蚀性能较弱，在氧乙炔火焰烧蚀环境中，涂层的有效防护时间较短，并且通过包埋法反应生成的涂层均匀性和成分含量难以控制，易影响材料的性能稳定性。文献二“Feng G,Li H,Yao X,et al.Ablation resistance of TaC
‑
modified HfC coating prepared by supersonic plasma spraying for SiC
‑
coated carbon/carbon composites[J].Ceramics International,2019,45(14):17936
‑
17945.”通过等离子喷涂法在包埋SiC涂层的C/C复合材料表面制备了HfC
‑
TaC涂层，在热流密度为2.38MW/m2的氧乙炔火焰下烧蚀60s，其质量和线烧蚀率分别为
‑
0.35mg/s和
‑
1.05μm/s。在高温环境下Ta的氧化物可以与HfO2反应生成Hf6Ta2O
17
相，不仅具有相对较高的熔点，而且可以减少相变引起的损伤，这表明在涂层中加入适量的钽基化合物可以提高涂层的防护效果。但通过等离子喷涂法制备的涂孔隙率较高，与基体结合能力有待提升。
[0005]针对涂层致密度以及与基体结合性问题，文献三“Jiang Y,Liu T,Ru H,et al.Oxidation and ablation protection of double layer HfB2‑
SiC
‑
Si/SiC
‑
Si coating for graphite materials[J].Journal of Alloys and Compounds,2019,782:761
‑
771.”通过料浆涂覆结合高温气相渗硅的方法在石墨基体上制备了HfB2‑
SiC涂层，该涂层与基体结合良好，在热流密度为2.38MW/m2的氧乙炔火焰下烧蚀90s后，涂层样品的质量和线烧蚀速率分别为0.36mg/s和
‑
0.31μm/s。实现Hf氧化产物高温稳定性的有效控制，对
进一步提升该涂层的长时烧蚀性能十分关键。此外，由于石墨材料的组织结构相对均匀，C/C复合材料的微观结构较为复杂，存在碳纤维、碳基体和纤维/基体界面等，若采用料浆涂覆结合高温气相渗硅在C/C表面制备防氧化涂层，还需要有效解决涂层与基体的物理化学性质匹配相容难题。

技术实现思路

[0006]要解决的技术问题
[0007]为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种C/C复合材料长时抗氧化烧蚀HfB2‑
SiC
‑
TaSi2涂层的制备方法，以提高C/C复合材料的防氧化抗烧蚀性能。
[0008]技术方案
[0009]一种C/C复合材料长时抗氧化烧蚀HfB2‑
SiC
‑
TaSi2涂层的制备方法，其特征在于步骤如下：
[0010]步骤1：将C/C复合材料，用无水乙醇进行超声清洗，并在温度为60～100℃的电热鼓风干燥箱中烘干2～4h；
[0011]步骤2：将20
‑
40wt.％的SiC，55
‑
75wt.％的无水乙醇，5
‑
12wt.％的酚醛树脂混合配制成SiC
‑
酚醛树脂料浆，将8
‑
20wt.％的SiC，23
‑
38wt.％的HfB2，4
‑
10wt.％的TaSi2，42
‑
62wt.％的无水乙醇，4
‑
10wt.％的酚醛树脂混合配制成HfB2‑
SiC
‑
TaSi2‑
酚醛树脂料浆，再将配置好的料浆充分搅拌并超声，直至料浆中无明显团聚颗粒，此时SiC
‑
酚醛树脂料浆、HfB2‑
SiC
‑
TaSi2‑
酚醛树脂料浆制备完成；
[0012]步骤3：为缓解C/C基体与外涂层之间的物理化学性质差异和热膨胀系数不匹配，首先在C/C复合材料表面预先制备一层SiC内涂层；将C/C复合材料浸入SiC
‑
酚醛树脂浆料后干燥以获得内部SiC涂层；
[0013]然后，将具有SiC预涂层的C/C复合材料浸入HfB2‑
SiC
‑
TaSi2‑
酚醛树脂料浆中以获得外部HfB2‑
SiC
‑
TaSi2涂层；
[0014]之后，将涂覆后的C/C复合材料在180～300℃下固化2～5h，然后在Ar气气氛中，温度为900～1200℃下碳化2～5h，得到树脂碳
‑
HfB2‑
SiC
‑
TaSi2预涂层；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种C/C复合材料长时抗氧化烧蚀HfB2‑
SiC
‑
TaSi2涂层的制备方法，其特征在于步骤如下：步骤1：将C/C复合材料，用无水乙醇进行超声清洗，并在温度为60～100℃的电热鼓风干燥箱中烘干2～4h；步骤2：将20
‑
40wt.％的SiC，55
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75wt.％的无水乙醇，5
‑
12wt.％的酚醛树脂混合配制成SiC
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酚醛树脂料浆，将8
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20wt.％的SiC，23
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38wt.％的HfB2，4
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10wt.％的TaSi2，42
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62wt.％的无水乙醇，4
‑
10wt.％的酚醛树脂混合配制成HfB2‑
SiC
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TaSi2‑
酚醛树脂料浆，再将配置好的料浆充分搅拌并超声，直至料浆中无明显团聚颗粒，此时SiC
‑
酚醛树脂料浆、HfB2‑
SiC
‑
TaSi2‑
酚醛树脂料浆制备完成；步骤3：为缓解C/C基体与外涂层之间的物理化学性质差异和热膨胀系数不匹配，首先在C/C复合材料表面预先制备一层SiC内涂层；将C/C复合材料浸入SiC
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酚醛树脂浆料后干燥以获得内部SiC涂层；然后，将具有SiC预涂...

【专利技术属性】
技术研发人员：张佳平，侯佳琪，李贺军，付前刚，周磊，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：