一种纳米线跨尺度增韧复相陶瓷抗氧化涂层及其制备方法与应用技术

一种纳米线跨尺度增韧复相陶瓷抗氧化涂层及其制备方法与应用，包括采用包埋熔渗法在基体材料表面制备RMI

【技术实现步骤摘要】
一种纳米线跨尺度增韧复相陶瓷抗氧化涂层及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于纤维增强碳基或陶瓷基复合材料高温抗氧化涂层
，尤其是涉及一种具有宽温域、长寿命抗氧化防护功能的复合热防护涂层及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]碳/碳(C/C)复合材料因密度低、比强度高、耐烧蚀、高温力学性能优异等特点，是目前极少数可在2000℃以上保持较高力学性能的轻质耐高温结构材料，也是极少数在超过3000℃使用环境中使用的结构材料，成为火箭发动机喷管、燃烧室、再入空间飞行器端头、机翼前缘等的首选材料，其中良好的高温力学与抗烧蚀性能是保证相关航天动力系统和飞行器先进可靠的关键。然而，C/C复合材料也面临着在有氧使用环境下高于700K出现本征氧化而导致其机械性能急剧下降的问题，因此着手解决好C/C复合材料长时间氧化防护问题是推动其进一步发展与应用的基础。
[0003]热防护涂层技术是在复合材料基体表面包覆一层保护层使其和环境隔离开来，专利技术人研究发现，通常由于复合材料本体的热膨胀系数与涂层的热膨胀系数匹配性差，导致在外界温度的剧变条件下涂层易在材料中产生热应力并出现很多微裂纹，且在超高温条件下涂层微裂纹扩展、剥落，并导致涂层失效。正是由于传统的设计思想没有从根本上解决涂层与复合材料本体的热匹配问题，导致其超高温氧化与抗腐蚀防护方面很难突破。因此，必须在涂层传统设计思想的基础上，设计出涂层新体系与新结构，解决涂层与复合材料本体的热匹配问题，进一步提高涂层的超高温热防护性能。

技术实现思路

[0004]针对上述问题，本专利技术提供一种纳米线跨尺度增韧复相陶瓷抗氧化涂层及其制备方法与应用，有效提高复合材料在高温环境中的抗氧化性能寿命和抗热震性。
[0005]上述目的可以通过以下技术方案实现：
[0006]第一方面，本专利技术提供了一种纳米线跨尺度增韧复相陶瓷抗氧化涂层，包括制备在基体材料表面的RMI
‑
SiC内涂层、制备在RMI
‑
SiC内涂层上的(CeC2+SiC)纳米线协同改性HfB2‑
HfC
‑
SiC复相陶瓷外涂层。
[0007]所述(CeC2+SiC)纳米线协同改性HfB2‑
HfC
‑
SiC复相陶瓷外涂层包括制备在RMI
‑
SiC内涂层表面的(CeC2+SiC)纳米线、制备在纳米线上的HfB2‑
HfC
‑
SiC复相陶瓷层。
[0008]优选地，所述RMI
‑
SiC内涂层的厚度为20～80μm；所述(CeC2+SiC)纳米线协同改性HfB2‑
HfC
‑
SiC复相陶瓷外涂层的厚度为80～220μm。
[0009]第二方面，本专利技术提供了上述抗氧化复合涂层的制备方法，包括步骤S1：采用包埋熔渗法，在基体材料表面制备RMI
‑
SiC内涂层，以缓解基体与外涂层的热膨胀系数差异，提高基体与涂层体系的结合强度；S2：采用水热法和化学气相沉积法，在RMI
‑
SiC内涂层表面制备(CeC2+SiC)
nw
增韧层，该层所形成的高热稳定和耐腐蚀氧化的纳米线结构具有较大的
比表面积，而且其跨尺度增强/增韧效应可以有效提高涂层在高温条件下的抗氧化性和抗热震性；S3：采用刷涂
‑
裂解工艺，在增韧层上制备纳米线协同改性的(CeC2+SiC)
nw
/HfB2‑
HfC
‑
SiC外涂层，这种跨尺度增韧改性高温陶瓷外涂层具有良好的机械性能、自愈合性能、高温抗氧化/烧蚀性能和抗热震性能，可实现C/C复合材料在宽温域和高温域下的长寿命服役。
[0010]在本专利技术的进一步实施方式中，S1具体包括步骤：S101：以Si粉、石墨粉和Al2O3粉为原料，其中Si粉含量为50～70％、石墨粉含量为15～40％、Al2O3粉含量为5～30％，称取相应质量比的原料粉末并混合球磨6～12小时，使其研磨均匀、精细得到包埋粉料；S102：将经S101预处理的基体样品放入石墨坩埚中，采用上述包埋粉料对基体样品进行包埋；S103：在高温反应炉中进行热处理，热处理温度为1600～2200℃，热处理时间1～2.5小时，保护性气氛为氮气或氩气。
[0011]在本专利技术的进一步实施方式中，S2具体包括步骤：S201：以氯化铈为可溶性醇盐，加入NaOH和十六烷基三甲基溴化铵表面活性剂配置形成CeO2晶种生长液；S202：将制备RMI
‑
SiC内涂层的基体材料浸没于生长液中，水热反应条件下在基体材料表面合成网格化可控结构的CeO2纳米线；S203：将已水热制备CeO2纳米线的样品放入化学气相沉积炉中，以三氯甲基硅烷(MTS)、氢气载气和氢气稀释气(H2)、氩气(Ar)为反应气源，通过原位催化形成CeC2纳米线，同时在其表面形成CVD
‑
SiC包覆层。这种(CeC2+SiC)
nw
不仅具有良好的抗氧化/烧蚀性能，而且其与硅基陶瓷具有良好的相容性。
[0012]在本专利技术的进一步实施方式中，S3具体包括步骤：S301：通过聚碳硅烷(PCS)、砒啶硼烷(PB)和HfC有机前驱体(PHC)与煤沥青甲苯可溶组分共溶解，形成Hf
‑
Si
‑
B有机浸渍剂，并加入Hf、B4C、Si粉为填料烧结剂，合成改性陶瓷前驱体；S302：将改性陶瓷前驱体刷涂至步骤S2处理后的样品表面，通过刷涂
‑
裂解工艺在基体表面反应制备(CeC2+SiC)纳米线协同改性增韧HfB2‑
HfC
‑
SiC复相陶瓷外涂层，裂解温度1400～1800℃，反应时间为1～3小时，裂解气氛为
‑
0.06MPa氮气，得到SiC/(CeC2+SiC)
nw
/HfB2‑
HfC
‑
SiC涂层。
[0013]需要说明的是，为了满足反应比需要，根据基体材料预期密度和初始密度计算反应形成的RMI
‑
SiC含量，进而获得理论Si的使用量，实际包埋粉料的使用量为理论Si使用量的2.2～8倍。高温熔渗过程中，熔融Si在毛细管力作用下渗透到基体内部，反应形成RMI
‑
SiC内涂层，其中残余硅含量可以通过优化材料配比进行调节。
[0014]在本专利技术的进一步实施例中，步骤S2中，CeO2晶种生长液的摩尔浓度为2.2～8.6mol/L，其pH为4～11，水热温度为160～240℃，反应生长时间为10～24小时。
[0015]在本专利技术的进一步实施例中，步骤S2中，化学气相沉积的具体工艺为：MTS:H2:Ar＝1:(6～13):10；反应温度为1000～1200℃，反应压力为800～2500Pa，沉积时间为1～4小时。
[0016]在本专利技术的进一步实施例中，步骤S3中，Hf...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种纳米线跨尺度增韧复相陶瓷抗氧化涂层，其特征在于：包括制备在基体材料表面的RMI
‑
SiC内涂层、制备在RMI
‑
SiC内涂层上的(CeC2+SiC)纳米线协同改性HfB2‑
HfC
‑
SiC复相陶瓷外涂层；所述(CeC2+SiC)纳米线协同改性HfB2‑
HfC
‑
SiC复相陶瓷外涂层包括制备在RMI
‑
SiC内涂层表面的(CeC2+SiC)纳米线、制备在纳米线上的HfB2‑
HfC
‑
SiC复相陶瓷层。2.根据权利要求1所述的一种纳米线跨尺度增韧复相陶瓷抗氧化涂层，其特征在于：所述RMI
‑
SiC内涂层的厚度为20~80μm；所述(CeC2+SiC)纳米线协同改性HfB2‑
HfC
‑
SiC复相陶瓷外涂层的厚度为80~220μm。3.一种纳米线跨尺度增韧复相陶瓷抗氧化涂层的制备方法，其特征在于：采用以下步骤：S1：采用包埋熔渗法，在基体材料表面制备RMI
‑
SiC内涂层；S2：采用水热法与化学气相沉积法，在RMI
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SiC内涂层表面制备同轴复合网络化结构的(CeC2+SiC)
nw
纳米线增韧层；S3：采用刷涂
‑
裂解法，在纳米线增韧层上制备形成(CeC2+SiC)纳米线协同改性HfB2‑
HfC
‑
SiC复相陶瓷外涂层。4.根据权利要求3所述的纳米线跨尺度增韧复相陶瓷抗氧化涂层的制备方法，其特征在于：所述的S1具体包括步骤：S101：以Si粉、石墨粉和Al2O3粉为原料，其中Si粉含量为50~70%、石墨粉含量为15~40%、Al2O3粉含量为5~30%，称取相应质量比的原料粉末并混合球磨6~12小时，使其研磨均匀、精细得到包埋粉料；S102：将经S101预处理的基体样品放入石墨坩埚中，采用上述包埋粉料对基体样品进行包埋；S103：在高温反应炉中进行热处理，热处理温度为1600~2200℃，热处理时间1~2.5小时，保护性气氛为氮气或氩气。5.根据权利要求3所述的纳米线跨尺度增韧复相陶瓷抗氧化涂层的制备方法，其特征在于，所述的S2具体包括步骤：S201：以氯化...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗瑞盈，全华锋，
申请(专利权)人：湖北瑞宇空天高新技术有限公司，
类型：发明
国别省市：