【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于抗烧蚀涂层，涉及一种聚合物衍生纳米碳的抗烧蚀陶瓷涂层及其制备方法。
技术介绍
1、随着空间技术的快速发展，高速飞行器在服役过程中面临着高速气流冲刷、剧烈温度变化及超高温烧蚀等极端恶劣环境，使得飞行器外防护及引擎等部件产生过量热载荷而影响其正常飞行。因此，为了减少由于气动加热造成局部热累积的驻点烧蚀，保持飞行器完好的气动外形以及保护动力系统免受烧损，亟需轻质、高强、耐极端高温和热循环冲刷的抗烧蚀热防护材料。目前，常用的碳/碳(c/c)、碳/碳化硅(c/sic)以及纤维增强的超高温陶瓷等复合材料的氧化敏感性高和抗烧蚀性能不足，严重限制了其极端超高温环境实际应用。在复合材料表面制备具有高熔点和良好化学稳定性的超高温陶瓷(uhtcs)涂层，是提高其高温热防护的有效措施。
2、uhtcs涂层，如hfc、zrc以及tac等，在烧蚀过程中易被氧化，生成低导热率的氧化物陶瓷，难以实现涂层表面高热量的有效疏散，同时会产生较大的结构热应力使其产生裂纹等缺陷，无法实现超高温环境下高热部件的有效防护。因此，通过添加具有高导热材料，如aln、bn、石墨烯、cnt，有望实现涂层导热性能的显著提高，从而降低表面温度，提高涂层的抗烧蚀稳定性。如中国专利202311148466.1公开了一种用于等离子喷涂的粉料、表面涂层的制备方法和表面涂层及应用，通过将硅粉、碳化硅粉、碳粉和聚乙烯醇机械混合后经过等离子喷涂得到导电性和导热性良好的表面涂层。其加入的碳粉平均粒径在0.1～1μm范围内，由于碳微球的尺寸较大难以形成有效的导热通路，所述专利中
3、因此，如何提高抗烧蚀涂层中纳米碳材料的分散性，以制备致密、均匀的高效抗烧蚀涂层是目前亟需解决的问题。鉴于此，采用聚合物转化陶瓷可原位耦合超高温陶瓷和纳米碳材料制备纳米级均匀分散的复相陶瓷粉末，通过增加改性前驱体中不饱和碳键使含碳基团在热解和高温热处理过程中逐渐转化为纳米碳材料。以此复合粉末为原料通过超音速等离子喷涂法可制备含聚合物衍生纳米碳的抗烧蚀涂层，从而提高涂层的导热性能，降低服役过程中材料的表面温度，有利于提升其抗烧蚀性能。
技术实现思路
1、要解决的技术问题
2、为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种聚合物衍生纳米碳的抗烧蚀陶瓷涂层及其制备方法，解决超高温陶瓷涂层导热率低，驻点烧蚀严重以及纳米碳难以在涂层中分散均匀的问题。本专利技术采用聚合物转化法和热喷涂法制备的含聚合物衍生纳米碳的抗烧蚀陶瓷涂层具有致密度高、导热性好、相分布均匀的优势，有望克服传统抗烧蚀陶瓷涂层中因温度集中产生的驻点烧蚀问题。
3、技术方案
4、一种含聚合物衍生纳米碳的抗烧蚀陶瓷涂层的制备方法，其特征在于采用聚合物转化陶瓷法制备复相陶瓷，以复相陶瓷制备抗烧蚀陶瓷涂层；所述复相陶瓷中含有均匀分散的纳米碳材料，制备步骤如下：
5、步骤1：使用schlenk装置，将聚合物前驱体、含过渡金属化合物、含不饱和键的有机碳源和有机溶剂于schlenk瓶中，在ar气氛保护下于80～150℃磁力搅拌反应2～12h，于真空下抽除有机溶剂得到单源前驱体粉末；
6、步骤2：将单源前驱体粉末置于管式炉中，在ar气氛保护下，进行交联固化、裂解以及高温热处理后，通过单源前驱体中含不饱和键的有机碳官能团的无机化得到富含纳米碳材料的复相陶瓷粉末；
7、所述交联固化温度为100～300℃；
8、所述裂解温度为900～1200℃；
9、所述热处理温度为1400～1900℃；
10、所述交联固化、裂解以及高温热处理过程中的保温时间为2～5h；
11、步骤3：将含聚合物衍生纳米碳的复相陶瓷粉末、zrc、聚乙烯醇溶液、无水乙醇和去离子水进行球磨混合制备混合料浆，将料浆进行喷雾造粒后采用超音速等离子喷涂法将其喷涂在基体材料表面，得到含聚合物衍生纳米碳的抗烧蚀陶瓷涂层。
12、所述步骤1中聚合物前驱体为聚碳硅烷、聚氮硅烷、聚硅氧烷或聚硼硅氮烷。
13、所述步骤1中含不饱和键的有机碳源含乙烯、丙烯或苯环的有机物中的一种或两种以上。
14、所述步骤1中含不饱和键的有机碳源为二乙烯苯(dvb)、过氧化二异丙苯、二茂铁、异戊二烯、苯乙炔、三聚氰胺、多巴胺、乙烯基三乙氧基硅烷或乙烯基吡咯烷酮。
15、所述步骤1中有机溶剂包括甲苯、二甲苯、呋喃中的一种或两种以上。
16、所述步骤2的升温速度为3～10℃/min。
17、所述步骤3中含聚合物衍生纳米碳的复相陶瓷粉末、zrc、聚乙烯醇溶液、无水乙醇和去离子水比例为1～3:1～3:4:1:1。
18、所述步骤3中基体材料为sic涂层包覆的石墨、c/c复合材料、c/sic复合材料或c/超高温陶瓷复合材料。
19、一种采用所述方法制备的抗烧蚀陶瓷涂层，其特征在于：在前驱体中加入含不饱和键的有机碳源，在无机化转变过程中原位生成富含纳米碳的复相陶瓷，陶瓷中均匀分布纳米碳材料。
20、所述通过等离子喷涂法制备含聚合物衍生纳米碳的抗烧蚀陶瓷涂层，提高制备陶瓷涂层的导热性能，降低复合材料在烧蚀环境中由于气动加热造成的热量累积，实现高效散热提高抗烧蚀防护寿命；表面温度降低100～200℃，质量和线烧蚀率分别降低了约0.9倍和0.8倍。
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【技术保护点】
1.一种含聚合物衍生纳米碳的抗烧蚀陶瓷涂层的制备方法，其特征在于采用聚合物转化陶瓷法制备复相陶瓷，以复相陶瓷制备抗烧蚀陶瓷涂层；所述复相陶瓷中含有均匀分散的纳米碳材料，制备步骤如下：
2.根据权利要求1所述含聚合物衍生纳米碳的抗烧蚀陶瓷涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤1中聚合物前驱体为聚碳硅烷、聚氮硅烷、聚硅氧烷或聚硼硅氮烷。
3.根据权利要求1所述含聚合物衍生纳米碳的抗烧蚀陶瓷涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤1中含不饱和键的有机碳源含乙烯、丙烯或苯环的有机物中的一种或两种以上。
4.根据权利要求1所述含聚合物衍生纳米碳的抗烧蚀陶瓷涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤1中含不饱和键的有机碳源为二乙烯苯(DVB)、过氧化二异丙苯、二茂铁、异戊二烯、苯乙炔、三聚氰胺、多巴胺、乙烯基三乙氧基硅烷或乙烯基吡咯烷酮。
5.根据权利要求1所述含聚合物衍生纳米碳的抗烧蚀陶瓷涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤1中有机溶剂包括甲苯、二甲苯、呋喃中的一种或两种以上。
6.根据权利要求1所述含聚合物衍生纳米碳的抗烧蚀陶瓷涂层的制备方
7.根据权利要求1所述含聚合物衍生纳米碳的抗烧蚀陶瓷涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤3中含聚合物衍生纳米碳的复相陶瓷粉末、ZrC、聚乙烯醇溶液、无水乙醇和去离子水比例为1～3:1～3:4:1:1。
8.根据权利要求1所述含聚合物衍生纳米碳的抗烧蚀陶瓷涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤3中基体材料为SiC涂层包覆的石墨、C/C复合材料、C/SiC复合材料或C/超高温陶瓷复合材料。
9.一种采用权利要求1～8任一项所述方法制备的抗烧蚀陶瓷涂层，其特征在于：在前驱体中加入含不饱和键的有机碳源，在无机化转变过程中原位生成富含纳米碳的复相陶瓷，陶瓷中均匀分布纳米碳材料。
10.根据权利要求9所述的抗烧蚀陶瓷涂层，其特征在于：所述通过等离子喷涂法制备含聚合物衍生纳米碳的抗烧蚀陶瓷涂层，提高制备陶瓷涂层的导热性能，降低复合材料在烧蚀环境中由于气动加热造成的热量累积，实现高效散热提高抗烧蚀防护寿命；表面温度降低100～200℃，质量和线烧蚀率分别降低了约0.9倍和0.8倍。
...【技术特征摘要】
1.一种含聚合物衍生纳米碳的抗烧蚀陶瓷涂层的制备方法，其特征在于采用聚合物转化陶瓷法制备复相陶瓷，以复相陶瓷制备抗烧蚀陶瓷涂层；所述复相陶瓷中含有均匀分散的纳米碳材料，制备步骤如下：
2.根据权利要求1所述含聚合物衍生纳米碳的抗烧蚀陶瓷涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤1中聚合物前驱体为聚碳硅烷、聚氮硅烷、聚硅氧烷或聚硼硅氮烷。
3.根据权利要求1所述含聚合物衍生纳米碳的抗烧蚀陶瓷涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤1中含不饱和键的有机碳源含乙烯、丙烯或苯环的有机物中的一种或两种以上。
4.根据权利要求1所述含聚合物衍生纳米碳的抗烧蚀陶瓷涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤1中含不饱和键的有机碳源为二乙烯苯(dvb)、过氧化二异丙苯、二茂铁、异戊二烯、苯乙炔、三聚氰胺、多巴胺、乙烯基三乙氧基硅烷或乙烯基吡咯烷酮。
5.根据权利要求1所述含聚合物衍生纳米碳的抗烧蚀陶瓷涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤1中有机溶剂包括甲苯、二甲苯、呋喃中的一种或两种以上。
6.根据权利要求1所述含聚合物衍生纳米碳的抗烧蚀陶瓷涂层的制...
【专利技术属性】
技术研发人员：付前刚，张育育，孙佳，张雪萌，王雨祺，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：
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