[发明专利]一种用于碳纤维增强复合材料表面的耐高温复合梯度涂层及制备方法

说明书

本发明涉及一种用于碳纤维增强复合材料表面的耐高温复合梯度涂层及制备方法，本发明的ZrC‑MoSi₂/SiC复合梯度涂层由依次形成于基材表面的SiC涂层和ZrC‑MoSi₂复合涂层构成。本发明的复合梯度涂层可以同时解决表面涂层与碳纤维增强复合材料的结合问题和高温抗氧化烧蚀性能，在高温、有氧、气体冲刷环境下显示出优异的抗烧蚀性能，能有效保护基体材料。

技术领域

本发明涉及一种耐高温复合梯度涂层及其制备方法，该复合梯度涂层可用于碳纤维增强复合材料表面，属于高温防护涂层领域。

背景技术

碳纤维增强复合材料，包括C/C，C/SiC等，是以碳纤维和其织物增强碳基体的复合材料，具有低密度、高比热容、高温强度高、高热导率和低膨胀系数等优点。但是由于碳纤维的抗氧化性能较差，限制了该类复合材料在高温有氧环境的应用。涂层技术已经被证明是对碳纤维增强复合材料形成有效防护的重要手段。

ZrC具有高熔点(3420℃)、高热导率(20.5W/m·℃)、高硬度(维氏硬度为25.5GPa)、高化学稳定性以及良好的抗烧蚀性能，是一种在航天领域有应用前景的高温结构材料。磁控溅射沉积效率低，沉积速度一般小于1μm/min的范围，适合制备厚度较薄的涂层(薄膜)，而且磁控溅射一般难以制备组分含量精确控制且分布均匀的复合涂层，一般只能制备多层结构的涂层(薄膜)。目前文献报道ZrC涂层和ZrC基复合涂层的相关制备方法主要包括：化学气相沉积法、固渗法和等离子体喷涂法。熊翔等采用化学气相沉积法在C/C复合材料表面制备了ZrC涂层，氧-乙炔火焰(火焰温度3000℃)考核240s后ZrO₂氧化层与未反应的ZrC涂层之间出现热膨胀系数不匹配的问题，因此ZrO₂氧化层剥落，且化学气相沉积法存在制备周期长、沉积效率低、成本高以及难以制备复合涂层等问题【1Sun W,Xiong X,Huang B,Li G.D,Zhang H.B,Chen Z.K,Zheng X.L,ZrC ablation protective coatingfor carbon/carbon composites,Carbon47(2009)3365–3380】。李贺军等采用固渗法在C/C复合材料表面制备了ZrC-SiC复合涂层，他们将密度为1.58g/cm³，孔隙率为21％的C/C复合材料放入Zr、ZrO₂、Si、C组成的粉体中，在氩气保护下升温到2300℃，保温2h得到涂层，氧-乙炔火焰(火焰温度3000℃)考核20s结果显示，该复合涂层生成的氧化物层不能有效覆盖基体(基材)表面导致基体受到破坏，且固渗法存在反应温度高、难以对大尺寸试件进行制备涂层的问题【2Zhao.Q.L,Li.H.J,Wei L,Wang.J,Zhang.S.Y,Preparation and ablationproperties of ZrC–SiC coating for carbon/carbon composites by solid phaseinfiltration,Applied Surface Science 258(2011)565–571】。超音速等离子体喷涂是在大气环境下制备涂层的方法，属于等离子体喷涂技术范畴之内。付前刚等采用这种技术在C/C复合材料表面制备了ZrC/SiC梯度复合涂层，氧-乙炔火焰(火焰温度3000℃)考核60s的结果显示，梯度分布的涂层结构能够减小热膨胀系数不匹配导致的涂层内部热应力，ZrC/SiC梯度复合涂层的抗烧蚀性能明显优于SiC涂层，但是由于在涂层制备过程中引入了过多的ZrO₂杂质，制备的梯度复合涂层存在结构致密度差、孔隙率高的问题，因此容易造成涂层失效【3Yao.D.J,Li.H.J,Wu.H,Fu.Q.G,Ablation resistance of ZrC/SiC gradientcoating for SiC-coated carbon/carbon composites prepared by supersonic plasmaspraying,Journal of the European Ceramic Society,36(2016)3739-3746】。