用于热喷涂的核壳结构硅基陶瓷改性ZrC复合粉末的制备方法及使用方法技术

本发明专利技术涉及一种用于热喷涂的核壳结构硅基陶瓷改性ZrC复合粉末的制备方法及使用方法，首先通过球磨混合和喷雾造粒制备得到ZrC

【技术实现步骤摘要】
用于热喷涂的核壳结构硅基陶瓷改性ZrC复合粉末的制备方法及使用方法


[0001]本专利技术属于复合粉体材料
，热喷涂的材料，涉及一种用于热喷涂的核壳结构硅基陶瓷改性ZrC复合粉末的制备方法及使用方法，尤其涉及一种核壳结构ZrC
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SiHfOC@MoSi2复合粉末的制备方法。

技术介绍

[0002]高超声速飞行器技术是21世纪航空航天领域的标志性技术之一，该领域吸引了世界各国研究学者的广泛关注。超高温极端环境下的巨大考验如超高温氧化、复杂燃气冲刷、宽温域冷热交变等对先进空天飞行器的热防护构件提出更高的要求。因此，急需寻找耐高温、防氧化、抗烧蚀的轻质热防护材料。ZrC由于具有高熔点、良好的高温稳定性和抗烧蚀性能等一系列优异性能，常用作超高温环境下热结构件的防护涂层。等离子喷涂法具有高的沉积效率和等离子弧温度(＞10000K)，几乎可以用来喷涂所有的材料，特别适合用来制备超高温陶瓷涂层。但ZrC涂层烧蚀后形成的ZrO2层为疏松多孔结构且在烧蚀过程中会发生相变等问题使其高温烧蚀性能较差。因此，需对ZrC涂层进行改性提高其高温下的抗烧蚀性能。
[0003]为提高ZrC涂层在超高温下的抗烧蚀性能，通常加入硅基陶瓷(如SiC、MoSi2等)、碳化物(HfC、TaC)、熔点相对较低的氧化物(Yb2O3、ZrO2、SiO2)以及稀土化合物(LaB6、La2O3)等作为第二相对ZrC涂层进行改性。通过前期的设计和深入探究，我们通过沉淀聚合法和聚合物转化陶瓷法制备得到SiHfOC陶瓷微球。这种既含有碳化物又含有氧化物的SiMeOC(Me＝Hf,Ta,Ti等高熔点过渡金属元素)陶瓷微球用作ZrC的改性剂时具有多种独特优势。一方面，就结构而言，由于球形颗粒流动性好，使得其可在喷涂ZrC涂层中分布更加均匀，可有效避免组分分布不均造成的缺陷；另一方面，SiMeOC陶瓷微球中的纳米m
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MeO2和SiO2可以增加ZrC喷涂粉料的熔化程度，从而减少因颗粒熔融不足而堆积所产生的孔洞。同时，SiMeOC陶瓷微球在烧蚀过程中产生的液相SiO2玻璃膜可填充多孔ZrO2层中的孔隙和缺陷。因此，在ZrC中加入SiMeOC陶瓷微球可有效提高ZrC涂层的抗烧蚀性能。
[0004]为了提高原料粉体的流动性，使其能够连续且稳定地通过送粉器送入喷嘴，需要对原料粉体进行球磨混合和喷雾造粒。然而，一方面，通过喷雾造粒得到的ZrC
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SiHfOC球形粉体内聚力较低，表面具有较多的孔洞，使得粉体在送往喷嘴过程中易破碎而难以在等离子焰流中充分熔融而沉积于基材表面，从而在涂层中引入额外的孔隙。另一方面，由于高的等离子射流温度，在热喷涂过程中SiHfOC陶瓷微球中的碳化物和游离碳不可避免地会发生氧化和分解，使SiHfOC微球中的SiC含量出现一定程度的损失，从而影响涂层的抗烧蚀性能。
[0005]通过合理设计，控制内核和外壳的结构和功能性可实现不同材料之间的优势互补，使得核壳结构复合粉末能够同时兼具内核和外壳材料的优异特性。鉴于此，可通过合理设计制备核壳结构复合粉末来有效减少等离子喷涂过程中SiHfOC微球中SiC的氧化和分
解。选择选择MoSi2作为壳层是由于等离子喷涂过程中MoSi2可为内核中的SiHfOC微球提供保护，且其热喷涂过程中熔融程度高且塑性变形效应强，可有效粘合层间界面孔隙。此外，MoSi2在烧蚀过程中可氧化生成SiO2玻璃膜，可有效填充多孔ZrO2层中的孔隙和缺陷，提高氧化层的阻氧能力，有利于进一步提升复合涂层的抗烧蚀性能。

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用于热喷涂的核壳结构硅基陶瓷改性ZrC复合粉末的制备方法及使用方法，用以解决现有喷雾造粒ZrC基粉末内聚力低、致密度低、在等离子喷涂送粉过程中造粒粉末易破碎而影响涂层的沉积效率和致密度以及等离子喷涂过程中SiHfOC微球中SiC的氧化和分解的问题。本专利技术制备的核壳结构ZrC
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SiHfOC@MoSi2复合粉末具有良好流动性、高的致密度以及更好的内聚力，可以更好地满足等离子喷涂设备对于喷涂粉末尺寸和流动度的要求。
[0008]技术方案
[0009]一种用于热喷涂的核壳结构硅基陶瓷改性ZrC复合粉末的制备方法，其特征在于步骤如下：
[0010]步骤1：球磨混合和喷雾造粒制备得到ZrC
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SiHfOC球形粉末；
[0011]步骤2：利用硅烷偶联剂APTES对无机粉末ZrC
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SiHfOC和MoSi2进行化学改性，使得无机粉末表面活化，促进ZrC
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SiHfOC造粒粉末和MoSi2之间通过静电吸附作用和化学键合进行自组装，形成核壳结构ZrC
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SiHfOC@MoSi2复合粉末。
[0012]所述步骤1制备ZrC
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SiHfOC球形粉末的步骤如下：
[0013]步骤(11)：将聚硅氮烷前驱体、二乙烯基苯和OP
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10溶解在去离子水和乙腈的混合溶剂中，充分搅拌后将均匀乳状液转移至反应釜中，在160℃
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180℃下反应6
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8h，通过抽滤将产物与溶液分离得到PSN微球；
[0014]所述聚硅氮烷前驱体、二乙烯基苯和OP
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10的质量比为1～5:1:1；
[0015]步骤(12)：将PSN微球和乙酰丙酮铪加入到含有二甲苯的三颈烧瓶中进行聚合反应得到Hf改性PSN微球，然后对其依次进行交联固化、裂解以及热处理，得到SiHfOC陶瓷微球；
[0016]所述SN微球和乙酰丙酮铪的质量比为2～5:1；
[0017]步骤(13)：将SiHfOC陶瓷微球与ZrC混合粉料、PVA溶液、去离子水以及无水乙醇球磨4
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6h形成均匀料浆悬浮液；
[0018]所述SiHfOC陶瓷微球与ZrC混合粉料8:2；
[0019]所述SiHfOC陶瓷微球和ZrC混合粉料与PVA溶液、去离子水和无水乙醇的比例为1～5:1～5:1:1；
[0020]步骤(14)：将步骤3得到的悬浮料浆溶液通过蠕动泵送入喷雾造粒设备的喷头，利用高速旋转的喷头产生的离心力将料浆悬浮液雾化成液滴，液滴与高温干燥空气发生热对流使得液滴中的水分快速蒸发，之后凝聚而形成ZrC
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SiHfOC球形造粒粉。
[0021]所述步骤2的具体步骤为：
[0022]步骤(21)：在200mL去离子水中加入1～5mL的硅烷偶联剂APTES，持续超声10min使
其均匀分散在去离子水中，将ZrC
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SiHfOC球形造粒粉加入到溶解有APTES的去离子水溶液中，反应10
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30min；
[0023]步骤(22)：在步骤(21)的溶液中加入MoSi2粉末，反应10
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于热喷涂的核壳结构硅基陶瓷改性ZrC复合粉末的制备方法，其特征在于步骤如下：步骤1：球磨混合和喷雾造粒制备得到ZrC
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SiHfOC球形粉末；步骤2：利用硅烷偶联剂APTES对无机粉末ZrC
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SiHfOC和MoSi2进行化学改性，使得无机粉末表面活化，促进ZrC
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SiHfOC造粒粉末和MoSi2之间通过静电吸附作用和化学键合进行自组装，形成核壳结构ZrC
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SiHfOC@MoSi2复合粉末。2.根据权利要求1所述用于热喷涂的核壳结构硅基陶瓷改性ZrC复合粉末的制备方法，其特征在于：所述步骤1制备ZrC
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SiHfOC球形粉末的步骤如下：步骤(11)：将聚硅氮烷前驱体、二乙烯基苯和OP
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10溶解在去离子水和乙腈的混合溶剂中，充分搅拌后将均匀乳状液转移至反应釜中，在160℃
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180℃下反应6
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8h，通过抽滤将产物与溶液分离得到PSN微球；所述聚硅氮烷前驱体、二乙烯基苯和OP
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10的质量比为1～5:1:1；步骤(12)：将PSN微球和乙酰丙酮铪加入到含有二甲苯的三颈烧瓶中进行聚合反应得到Hf改性PSN微球，然后对其依次进行交联固化、裂解以及热处理，得到SiHfOC陶瓷微球；所述SN微球和乙酰丙酮铪的质量比为2～5:1；步骤(13)：将SiHfOC陶瓷微球与ZrC混合粉料、PVA溶液、去离子水以及无水乙醇球磨4
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6h形成均匀料浆悬浮液；所述SiHfOC陶瓷微球与ZrC混合粉料8:2；所述SiHfOC陶瓷微球和ZrC混合粉料与PVA溶液、去离子水和无水乙醇的比例为1～5:1～5:1:1；步骤(14)：将步骤3得到的悬浮料浆溶液通过蠕动泵送入喷雾造粒设备的喷头，利用高速旋转的喷头产生的离心力将料浆悬浮液雾化成液滴，液滴与高温干燥空气发生热对流使得液滴中的水分快速蒸发，之后凝聚而形成ZrC
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【专利技术属性】
技术研发人员：李贺军，张雪萌，孙佳，张育育，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：