[发明专利]一种Si-ZrB2-SiC抗氧化涂层及其制备方法

说明书

一种Si‑ZrB₂‑SiC抗氧化涂层及其制备方法，所述涂层中的Si:ZrB₂:SiC的体积含量比为5～10％:25～40％:50～65％，涂层孔隙率小于0.5％，涂层厚度在50～500μm之间，涂层在1500℃以下氧化环境能有效保护基底材料。涂层的制备是以C、ZrO₂、B₄C为原料，采用浆料涂覆法与气相渗硅相结合的工艺，在气相渗硅过程中原位反应生成ZrB₂和SiC获得。本发明提供的制备方法采用浆料涂覆—气相渗硅原位反应工艺结合了浆料涂覆工艺和气相渗硅工艺，具有工艺简单、生产周期短、成本低等优点，并有效解决了其它工艺或方法制备的涂层成分均一致性差、致密度不高以及涂层与基底之间结合力较弱等问题。

技术领域

本发明属于陶瓷基复合材料涂层材料技术领域，具体地涉及一种Si-ZrB₂-SiC抗氧化涂层的制备方法。

背景技术

C/C、C/C-SiC复合材料具有高比强度、高比模量、优异的高温稳定性、抗热震性能和高温抗蠕变性能、低热膨胀系数等优点，作为热结构和热防护部件以及先进的摩擦材料，被广泛应用于航空航天以及摩擦制动等领域。但是C/C、C/C-SiC复合材料中的C基体和碳纤维在500℃以上会发生氧化。保护C/C、C/C-SiC复合材料最常用的一种方法就是在其表面制备一层抗氧化涂层。二硼化锆(ZrB₂)具有高熔点(3520K)、优异的抗氧化和抗烧蚀性能，是一种常用的抗氧化涂层材料之一。研究人员常将ZrB₂和SiC一起用于抗氧化涂层材料，这样有助于提升SiC涂层的抗氧化性能。

目前，在C/C-SiC复合材料表面制备涂层的方法主要有化学气相沉积法、包埋法、等离子喷涂法、浆料涂覆法等。化学气相沉积法与等离子喷涂工艺均存在工艺成本高，反应设备复杂，不利于大规模生产等缺点。而包埋法所需温度较高(1800～2300℃)，对于液相渗硅或者气相渗硅制备的C/C-SiC复合材料不适用，这是因为反应的高温会使复合材料内部的Si熔融流动，使得复合材料的力学性能下降。

浆料涂覆法制备涂层具有工艺简单、操作简便、成本低等优点，且可以通过刷涂不同的浆料，制备多层涂层和过渡涂层。但是其得到的涂层与复合材料基底结合力较弱，涂层成分均一性差，致密度不高。ZHOU Hai-Jun,FENG Qian,KAN Yan-Mei,et al.(ZrB₂-SiCCoatings Prepared by Vapor and Liquid Silicon Infiltration Methods:Microstructure and Oxidation Resistance Property[J].Journal of InorganicMaterials,2013,28(10):1158-1162)公布了以酚醛树脂为碳源，将酚醛树脂和ZrB₂均匀涂覆在C/SiC复合材料表面经过热处理得到了ZrB₂-PyC预涂层，然后分别采用气相渗硅和液相渗硅方法在C/SiC复合材料表面制备了ZrB₂-SiC涂层。上述方法中采用酚醛树脂为碳源，在渗硅工艺之前需要反复几次的高温热处理才能得到一定厚度的ZrB₂-PyC预涂层，使得工艺变得复杂，周期变长，成本升高。另外，其直接以ZrB₂为生产原料，也使得成本大大增加，且其对在液相渗硅或者气相渗硅制备的C/C-SiC复合材料表面制备涂层并未有相关的研究。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足或者成本的高昂，提出一种陶瓷基复合材料表面Si-ZrB₂-SiC抗氧化涂层的制备方法。采用的浆料涂覆——气相渗硅原位反应工艺，该工艺结合了浆料涂覆工艺和气相渗硅工艺的特点，具有工艺简单、生产周期短、成本低等优点；制备的涂层组织结构致密均匀，与复合材料基底结合强度较高，能够保护的复合材料体系广泛，特别能够在液相渗硅或气相渗硅制备的C/C-SiC复合材料表面制备抗氧化涂层。