[发明专利]碳/碳复合材料超高温抗氧化涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于抗氧化无机材料技术领域，具体涉及一种碳/碳复合材料超高温抗氧化涂层及其制备方法。

背景技术

碳/碳复合材料具有高比强、高比模、低密度、低热膨胀系数、耐热冲击的性能以及力学强度随温度的升高不降反升的独特性能，是目前唯一可以在温度为1800℃～2500℃的超高温条件下保持较高力学性能的材料。然而，尽管碳/碳复合材料在超高温条件下具有诸多优良的性能，但其在温度高于400℃的有氧环境中极易发生氧化反应，导致碳/碳复合材料的综合性能下降。

超高温抗氧化涂层是提高碳/碳复合材料超高温抗氧化性能的重要途径。目前广泛应用的碳/碳复合材料超高温抗氧化涂层主要是ZrB₂-SiC涂层。然而ZrB₂-SiC涂层在超高温条件下被氧化后，其氧化产物存在粘度低、蒸发速率快、氧扩散系数高等诸多缺陷，导致ZrB₂-SiC涂层的氧化速率过快，不能有效地阻止碳/碳复合材料发生氧化反应。

文献1(韩杰才,胡平，张幸红等.LaB₆的添加对ZrB₂-SiC基超高温陶瓷材料氧化性能的影响.中国力学学会学术大会，2007)和文献2(李学英，张幸红，韩杰才等.Y₂O₃掺杂ZrB₂-SiC基超高温陶瓷的抗烧蚀性能.稀有金属材料与工程, 2011, 40(5): 820-823)分别采用添加LaB₆和Y₂O₃的方法来提高ZrB₂-SiC的超高温抗氧化性能，但其氧化产物仍存在氧扩散系数高的问题，导致ZrB₂-SiC块体陶瓷氧化速率过快。

文献3(F. Monteverde, A. Bellosi, L. Scatteia. Processing and properties of ultra-high temperature ceramics for space applications. Materials Science and Engineering A, 2008, 485: 415-421)采用添加HfB₂的方法提高ZrB₂-SiC超高温抗氧化性能，但是其氧化产物仍存在粘度低、蒸发速率快、氧扩散系数高等问题，导致ZrB₂-SiC块体陶瓷氧化速率过快。

文献4(V. Medri,F. Monteverde,A. Balbo,et al.Comparison of ZrB₂-ZrC-SiC composites fabricated by spark plasma sintering and hot-pressing.Advanced Engineering Materials,2005,7(3):159-163)在ZrB₂-SiC中添加了ZrC，但由于ZrC的氧化产物含有CO气体，对涂层氧化产物的完整性和连续性产生不利影响，故添加ZrC难以提高ZrB₂-SiC涂层的超高温抗氧化性能。

此外，当采用文献2中所述的热压烧结方法或文献3中所述的火花等离子烧结方法制备含有抗氧化增强相的多元复相ZrB₂-SiC涂层时，须施加≥30MPa的压力，高压会对碳/碳复合材料基体造成损伤。

文献5(E. L. Corral, R. E. Loehman. Ultra-high-temperature ceramic coatings for oxidation protection of Carbon–Carbon composites. Journal of American Ceramic Society, 2008, 91(5): 1495-1502)采用陶瓷先驱体浸渍裂解方法制备ZrB₂-SiC涂层。当采用该方法制备含有抗氧化增强相的多元复相ZrB₂-SiC涂层时，因陶瓷先驱体裂解发生在1100℃左右，ZrB₂-SiC与抗氧化增强相的结合强度低，抗氧化增强相易脱粘失效。