一种带氮化硅陶瓷涂层的碳/碳复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种带氮化硅陶瓷涂层的碳/碳复合材料制备方法和应用。所述带氮化硅陶瓷涂层的碳/碳复合材料包括碳/碳复合材料基体和包覆在基体上的Si3N4陶瓷涂层；所述氮化硅陶瓷涂层按质量百分比计包括以下原料组分：α

【技术实现步骤摘要】
一种带氮化硅陶瓷涂层的碳/碳复合材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于表面
，具体涉及一种带氮化硅陶瓷涂层的碳/碳复合材料制备方法和应用。

技术介绍

[0002]碳纤维增强碳复合材料(碳/碳)因其低密度、高比强度、低热膨胀系数、优异的抗热震、抗氧化和抗烧蚀性能和耐高温磨损等特点，被认为是高速飞行器的重要热防护材料之一。然而，有氧环境中碳/碳极易氧化及烧蚀导致材料逐渐失效，极大地限制了碳/碳复合材料的应用，抗氧化涂层的制备被认为是提高碳/碳复合材料氧化及烧蚀性能最有效直接的手段。
[0003]SiC因为与碳/碳基体具有良好的物理化学相容性，广泛应用于碳/碳复合材料的基体改性或抗氧化涂层，并具有良好的结合力。但是，SiC与碳/碳复合材料的热膨胀系数相差大(碳/碳为1～2
×
10
～6
/K，SiC为4.5
×
10
～6
/K)，在高温循环使用过程中容易产生热应力裂纹，导致SiC的抗氧化时间短，耐热震和烧蚀能力达不到要求。我们之前的专利[ZL201710452631.0]提出了双层防护系统，内层为SiC涂层，外层为玻璃陶瓷复合涂层，用外层的自愈合效应阻碍氧气的进入，弥补SiC涂层的不足，使样品在1200℃下抗氧化时间大大提高到650h。但是考虑到碳碳的复杂苛刻使用环境，其抗氧化温度、耐烧蚀和抗热震等性能也有待提升，以满足使用需求。另外，前期我们申请的专利[202210401021.9]提出一种替代SiC涂层的HfC～TaC～B4C～SiC(HTBS)高熵陶瓷材料，其抗氧化耐热震耐烧蚀性能优良，但是涂层/基体的结合力尚有待提升。
[0004]SiC陶瓷与碳/碳复合材料结合力较好，鉴于其与基体的热膨胀系数差异较大，因此急需开发新的热膨胀系数较小的陶瓷涂层并与碳/碳结合良好。

技术实现思路

[0005]针对以上问题，本专利技术提出一种带氮化硅陶瓷涂层的碳/碳复合材料及其制备方法和应用。氮化硅的热膨胀系数(3.39
×
10
～6
/K)小于碳化硅，可以降低与碳/碳基体间的热应力，减少裂纹的产生。同时氮化硅替代碳化硅作为中间层，也能够和基体以及外面玻璃陶瓷层致密结合，提高使用环境下的防护性能。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术的技术方案为：一种带氮化硅陶瓷涂层的碳/碳复合材料，包括碳/碳复合材料基体和氮化硅陶瓷涂层；所述氮化硅陶瓷涂层按质量百分比计包括下述原料组分：
[0007]α
‑
Si3N
4 50～90％、优选为50～60％；
[0008]Si0～40％、优选为30～40％；
[0009]Al2O33～10％、优选为4～6％；
[0010]Y2O33～10％、优选为4～6％。
[0011]作为进一步的优选方案，本专利技术一种氮化硅陶瓷涂层的碳/碳复合材料，所述氮化硅陶瓷涂层以质量百分比计包括下述原料组分：
[0012]α
‑
Si3N
4 90％、Si0％、Al2O34％、Y2O36％；
[0013]或
[0014]α
‑
Si3N
4 80％、Si10％、Al2O34％、Y2O36％；
[0015]或
[0016]α
‑
Si3N
4 70％、Si20％、Al2O34％、Y2O36％；
[0017]或
[0018]α
‑
Si3N
4 60％、Si30％、Al2O34％、Y2O36％；
[0019]或
[0020]α
‑
Si3N
4 50％、Si40％、Al2O34％、Y2O36％。
[0021]本专利技术一种带氮化硅陶瓷涂层的碳/碳复合材料，氮化硅陶瓷涂层的厚度为50～300微米。
[0022]本专利技术一种带氮化硅陶瓷涂层的碳/碳复合材料，涂层中含有β相氮化硅，且β相氮化硅在烧结过程中逐渐生成。涂层中β相氮化硅的含量约为60
‑
90％(即β相氮化硅占氮化硅总量的60
‑
90％左右、优选为65～75％)。
[0023]本专利技术一种带氮化硅陶瓷涂层的碳/碳复合材料的制备方法，其特征在于包括下述步骤：
[0024]步骤1
[0025]将S
‑
SN酚醛树脂悬浮液涂覆在表面清洁干燥的碳/碳复合材料基体上，随后在室温下干燥，之后在箱式炉中150～200℃下固化1～3h，在碳/碳复合材料表面形成S
‑
SN预涂层；
[0026]所述S
‑
SN酚醛树脂悬浮液中，S
‑
SN粉末与酚醛树脂的质量比为1：1.8～2.5、优选为1:1.9～2.1、更进一步优选为1：2；
[0027]所述S
‑
SN酚醛树脂溶液是通过下述方案制备的；
[0028]按设计组分配取各原料粉末后，混合均匀，得到混合粉末,然后将混合粉末与酚醛树脂溶液按质量比1：1.8～2.5、优选为1:1.9～2.1、更进一步优选为1：2混合得到浆料悬浮液，所述混合粉末以质量百分比计包括下述组分：
[0029]α
‑
Si3N450～90％、优选为50～60％；
[0030]Si0～40％、优选为30～40％；
[0031]Al2O33～10％、优选为4～6％；
[0032]Y2O33～10％、优选为4～6％。
[0033]步骤2
[0034]将得到的S
‑
SN预涂层样品包埋于包埋料中，在保护气氛下，于1400℃～1600℃保温1～3h；冷却，得到带有Si3N4陶瓷涂层的碳/碳复合材料；所述包埋料以质量百分比计包括下述组分；
[0035]α
‑
Si3N
4 50～90％、优选为50～60％；
[0036]Si0～40％、优选为30～40％；
[0037]Al2O33～10％、优选为4～6％；
[0038]Y2O33～10％、优选为4～6％。
[0039]本专利技术一种带氮化硅陶瓷涂层的碳/碳复合材料的制备方法，
[0040]步骤1中，将碳/碳复合材料基体用砂纸打磨，对边缘部位倒角处理，使用无水乙醇超声清洗并烘干备用；
[0041]步骤2中所述保护气氛为氮气气氛。
[0042]作为优选，步骤2中，在保护气氛下，于1480℃～1550℃保温2～3h。更进一步优选为1490
‑
1520℃保温2～3h。
[0043]作为优选，本专利技术一种带氮化硅陶瓷涂层的碳/碳复合材料的制备方法，步骤1中的混合粉末和步骤2中的包埋料配比相同。
[0044]本专利技术一种带氮化硅陶瓷涂层的碳/碳复合材料的制备方法，混合粉末中各原料的粒径分布为1
‑
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种带氮化硅陶瓷涂层的碳/碳复合材料，其特征在于：所述带氮化硅陶瓷涂层的碳/碳复合材料包括碳/碳复合材料基体和氮化硅陶瓷涂层，所述氮化硅陶瓷涂层均匀包覆于碳/碳复合材料基体上，所述氮化硅陶瓷涂层按质量百分比计包括下述原料组分：α
‑
Si3N450～90％；Si0～40％；Al2O34～6％；Y2O34～6％。2.根据权利要求1所述的一种带氮化硅陶瓷涂层的碳/碳复合材料，其特征在于；所述氮化硅陶瓷涂层按质量百分比计包括下述原料组分：α
‑
Si3N
4 50～60％；Si 30～40％；Al2O
3 4～6％；Y2O
3 4～6％。3.根据权利要求1所述的一种带氮化硅陶瓷涂层的碳/碳复合材料，其特征在于；所述氮化硅陶瓷涂层以质量百分比计包括下述原料组分：α
‑
Si3N
4 90％、Si0％、Al2O34％、Y2O36％；或α
‑
Si3N
4 80％、Si10％、Al2O34％、Y2O36％；或α
‑
Si3N
4 70％、Si20％、Al2O34％、Y2O36％；或α
‑
Si3N
4 60％、Si30％、Al2O34％、Y2O36％；或α
‑
Si3N
4 50％、Si40％、Al2O34％、Y2O36％。4.根据权利要求1所述的一种带氮化硅陶瓷涂层的碳/碳复合材料，其特征在于：氮化硅陶瓷涂层的厚度为50～300微米。5.根据权利要求1所述的一种带氮化硅陶瓷涂层的碳/碳复合材料，其特征在于：涂层中含有β相氮化硅，且β相氮化硅在烧结过程中逐渐生成。6.一种制备如权利要求1所述带氮化硅陶瓷涂层的碳/碳复合材料的制备方法，其特征在于包括下述步骤：步骤1将S
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SN酚醛树脂悬浮液涂覆在表面清洁的碳/碳复合材料基体上，随后在室温下干燥，之后在箱式炉中150～200℃下固化1～3h，在碳/碳复合材料表面形成S
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【专利技术属性】
技术研发人员：曾凡浩，高亚芳，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：