一种Y2SiO5晶须增韧Y2SiO5复合涂层的制备方法

摘要

一种Y2SiO5晶须增韧Y2SiO5复合涂层的制备方法，采用包埋法在C/C复合材料基体表面制备SiC多孔内涂层，然后制备Y2SiO5晶须并采用复合表面活性剂对Y2SiO5晶须进行表面改性，采用超声电泳选择性组装沉积获得Y2SiO5晶须钉扎层，采用水热电泳沉积法制备Y2SiO5晶须增韧Y2SiO5复合涂层。本发明制得的Y2SiO5晶须增韧Y2SiO5复合涂层均匀，致密，无显微裂纹，基体与内涂层以及内外涂层之间的结合力明显提高。本发明制得的Y2SiO5晶须增韧Y2SiO5复合涂层在1900℃的静态空气中可对C/C复合材料进行200h的有效防氧化保护，氧化失重率小于0.9%。

权利要求

1.一种Y2SiO5晶须增韧Y2SiO5复合涂层的制备方法，其特征在于：步骤1：采用包埋法在C/C复合材料基体表面制备SiC多孔内涂层

1）首先，取市售分析纯的Si粉、C粉和WO3粉，按Si粉：C粉：WO3粉=(1～2):(2～

3):(0.5～1.0)的质量比配制包埋粉料，然后将预处理后的碳/碳复合材料放入石墨坩埚，并将其埋入包埋粉料中；

2）其次，将石墨坩埚放入立式真空炉中，通入氩气作为保护气体，控制立式真空炉的升温速度为10～30℃/min，将炉温从室温升至1500～1800℃后，保温1～3h后随炉自然冷却，用无水乙醇将完成包埋的碳/碳复合材料超声清洗0.5～1h，超声功率为200～400W；

3）最后，在50～80℃的电热鼓风干燥箱中干燥得到带有SiC多孔内涂层的碳/碳复合材料；

步骤2：采用复合表面活性剂对Y2SiO5晶须进行表面改性：

1）将十六烷基苯磺酸钠配制成浓度为0.4～0.6mol/L的溶液，将Y2SiO5晶须浸泡在溶液中，超声辐射30～50min，超声功率为300～500W，然后过滤并分离出Y2SiO5晶须；

2）将分离所得的Y2SiO5晶须与异丙醇按Y2SiO5晶须：异丙醇=(6～12g)：(100～

300ml)的比例配制成悬浮液，然后向悬浮液中按(0.2～0.4)g/mL加入碘，搅拌得到混合液；

步骤3：采用超声电泳选择性组装沉积获得Y2SiO5晶须钉扎层：

1）将步骤2制得的混合液置于超声电沉积装置中，以步骤1制备的带有多孔SiC内涂层的C/C复合材料为阴极，以石墨为阳极，进行电沉积，超声功率控制为100～300W，温度为

20～30℃，沉积电压为50～70V，沉积电流为0.1～0.2A，沉积时间为3～6min；

2）沉积结束后，将阴极的复合材料取下，用蒸馏水洗涤3～5次，在80～120℃干燥，即在带有多孔SiC内涂层的碳/碳复合材料上得到Y2SiO5晶须嵌入SiC孔隙的Y2SiO5晶须钉扎层；

步骤4：采用水热电泳沉积法制备Y2SiO5晶须增韧Y2SiO5复合涂层：

1）取10～30g Y2SiO5粉体悬浮于200～400ml的异丙醇中，磁力搅拌10～30h，随后加入0.01～0.05g的碘，磁力搅拌10～30h，制备成悬浮液；

2）以步骤3制得的带有Y2SiO5晶须嵌入SiC孔隙的Y2SiO5晶须钉扎层的C/C复合材料作为沉积基体，固定沉积基体于阴极，阳极选用石墨板，将悬浮液倒入水热电泳沉积反应釜中，控制填充比为60～70％，加热到80～140℃后保温，调整沉积电压为120～180V进行水热电泳沉积，沉积60～80min后停止通电，待试样冷却后取出，置于60～80℃的烘箱中干燥，得到带有Y2SiO5晶须增韧Y2SiO5复合涂层的C/C复合材料试样。

2.根据权利要求1所述的Y2SiO5晶须增韧Y2SiO5复合涂层的制备方法，其特征在于：所述的Si粉、C粉和WO3粉的粒度为20～30μm。

3.根据权利要求1所述的Y2SiO5晶须增韧Y2SiO5复合涂层的制备方法，其特征在于：所述的C/C复合材料预处理包括以下步骤：

3

1）取飞机刹车片用的2D-碳/碳复合材料，将其加工成6×6×6～12×12×12mm 的立方体，并对其进行打磨倒角的表面处理，倒角为30～50°；

2）然后分别用去离子水和无水乙醇各超声清洗3～5次，每次清洗超声时间为10～

30min，超声功率为80～120W，最后在50～80℃的电热鼓风干燥箱中干燥。

4.根据权利要求1所述的Y2SiO5晶须增韧Y2SiO5复合涂层的制备方法，其特征在于：所述的Y2SiO5粉体的粒度为20～30μm。

说明书

一种Y2SiO5晶须增韧Y2SiO5复合涂层的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种高温抗氧化涂层的制备方法，具体涉及一种Y2SiO5晶须增韧Y2SiO5复合涂层的制备方法。

背景技术

[0002] 碳/碳(C/C)复合材料具有热膨胀系数低、密度低、耐高温、耐烧蚀、高强度、高模量等优异性能，特别是在惰性气氛的2200℃以内条件下其强度和模量随温度升高而增加的优异性能，使其在航空航天领域具有广阔的应用前景。然而，C/C复合材料在超过450℃的有氧环境就会被氧化，氧化质量损失导致其强度下降，限制了其在氧化气氛下的广泛应用。因此，解决C/C复合材料高温防氧化问题是充分利用其性能的关键。

[0003] 提高C/C复合材料抗氧化性能主要有两种途径：一种是基体改性技术；一种是表面涂层技术。研究表明，基体改性技术只适用于低温段对C/C材料的氧化保护。而涂层技术则能够有效解决C/C材料的高温防氧化问题。

[0004] 长期以来，无论采用何种涂层，涂层与C/C基体之间或与SiC内涂层之间的热膨胀系数差异均会导致涂层中出现或多或少的裂纹，从而使涂层在抗氧化过程中快速失效 [JF Huang,XR Zeng,HJ Li,et al.Influence of thepreparation temperature on the phase,microstructure and anti-oxidation propertyofa SiC coating for C/C composites[J].Carbon,2004,42:1517-1521.]。因此，如何使内外涂层之间热膨胀系数匹配一直是一个很难解决的问题，而硅酸钇即是一种热膨胀系数与碳化硅非常接近的耐高温材料。

[0005] 黄 剑 锋 [Huang JF,Li HJ,Zeng XR,et al.Preparation and oxidation kineticsmechanism of three layer multi-layer coatings coated carbon/carbon composites[J].Surface and Coating Technology,2006,200(18-19):5379-5385.]等开发了Y2SiO5/Y2Si2O7玻璃复合涂层，该复合涂层在1700℃的静态空气中经过200h的抗氧化-3 2测试，氧化失重仅为2.87×10 g/cm，但内外涂层间的结合情况并不十分理想，成为制约涂层防氧化性能的关键问题。

发明内容

[0006] 本发明的目的在于提供一种均匀、致密、无显微裂纹、抗氧化性能优异的Y2SiO5晶须增韧Y2SiO5复合涂层的制备方法。

[0007] 为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

[0008] 步骤1：采用包埋法在C/C复合材料基体表面制备SiC多孔内涂层

[0009] 1）首 先，取 市 售 分 析 纯 的Si粉、C 粉 和WO3粉，按Si 粉：C粉：WO3 粉=(1~2):(2~3):(0.5~1.0)的质量比配制包埋粉料，然后将预处理后的碳/碳复合材料放入石墨坩埚，并将其埋入包埋粉料中；

[0010] 2）其次，将石墨坩埚放入立式真空炉中，通入氩气作为保护气体，控制立式真空炉的升温速度为10~30℃/min，将炉温从室温升至1500~1800℃后，保温1~3h后随炉自然冷却，用无水乙醇将完成包埋的碳/碳复合材料超声清洗0.5~1h，超声功率为200~400W； [0011] 3）最后，在50~80℃的电热鼓风干燥箱中干燥得到带有SiC多孔内涂层的碳/碳复合材料；

[0012] 步骤2：采用复合表面活性剂对Y2SiO5晶须进行表面改性：

[0013] 1）将十六烷基苯磺酸钠配制成浓度为0.4~0.6mol/L的溶液，将Y2SiO5晶须见专利“一种Y2SiO5晶须的制备方法”（专利申请号：201210137915.8）浸泡在溶液中，超声辐射30~50min，超声功率为300~500W，然后过滤并分离出Y2SiO5晶须；

[0014] 2）将分离所得的Y2SiO5晶须与异丙醇按Y2SiO5晶须：异丙醇=(6~12g)：(100~300ml)的比例配制成悬浮液，然后向悬浮液中按(0.2~0.4)g/mL加入碘，搅拌得到混合液；

[0015] 步骤3：采用超声电泳选择性组装沉积获得Y2SiO5晶须钉扎层：

[0016] 1）将步骤2制得的混合液置于超声电沉积装置中，以步骤1制备的带有多孔SiC内涂层的C/C复合材料为阴极，以石墨为阳极，进行电沉积，超声功率控制为100~300W，温度为20~30℃，沉积电压为50~70V，沉积电流为0.1~0.2A，沉积时间为3~6min； [0017] 2）沉积结束后，将阴极的复合材料取下，用蒸馏水洗涤3~5次，在80~120℃干燥，即在带有多孔SiC内涂层的碳/碳复合材料上得到Y2SiO5晶须嵌入SiC孔隙的Y2SiO5晶须钉扎层；

[0018] 步骤4：采用水热电泳沉积法制备Y2SiO5晶须增韧Y2SiO5复合涂层： [0019] 1）取10~30g Y2SiO5粉体悬浮于200~400ml的异丙醇中，磁力搅拌10~30h，随后加入0.01~0.05g的碘，磁力搅拌10~30h，制备成悬浮液；

[0020] 2）以步骤3制得的带有Y2SiO5晶须嵌入SiC孔隙的Y2SiO5晶须钉扎层的C/C复合材料作为沉积基体，固定沉积基体于阴极，阳极选用石墨板，将悬浮液倒入水热电泳沉积反应釜中，控制填充比为60~70％，加热到80~140℃后保温，调整沉积电压为120~180V进行水热电泳沉积，沉积60~80min后停止通电，待试样冷却后取出，置于60~80℃的烘箱中干燥，得到带有Y2SiO5晶须增韧Y2SiO5复合涂层的C/C复合材料试样。

[0021] 所述的Si粉、C粉和WO3粉的粒度为20~30μm。

[0022] 所述的C/C复合材料预处理包换以下步骤：

[0023] 1）取飞机刹车片用的2D-碳/碳复合材料，将其加工成 6×6×6~12×12×12mm3的立方体，并对其进行打磨倒角的表面处理，倒角为30~50°；

[0024] 2）然后分别用去离子水和无水乙醇各超声清洗3~5次，每次清洗超声时间为10~30min，超声功率为80~120W，最后在50~80℃的电热鼓风干燥箱中干燥。 [0025] 所述的Y2SiO5粉体的粒度为20~30μm。

[0026] 本发明借鉴晶须增韧陶瓷的思想[G Duan,HM Wang.High-temperaturewear resistance of a laser-clad γ/Cr3Si metal silicide composite coating[J].ScriptaMaterialia,2002,46:107-111.]，将Y2SiO5晶须引入Y2SiO5外涂层和SiC内涂层之间，使涂层基体相与晶须间界面有较为牢固的结合，从而减小了Y2SiO5涂层与SiC内涂层间因热膨胀系数失配及组织结构突变而引起的应力，在一定程度上降低了涂层开裂与剥落的趋势[曾燮榕，李贺军，杨峥，等.表面硅化对C/C复合材料组织结构的影响[J].金属热处理学报,2000,21(2)：64-67.]。

[0027] Y2SiO5不仅具有相当高的熔点（1980℃），并且在1973K的高温下氧气渗透率极-10 -s低，仅为1×10 kg/(m )[OguraY，Kondo M,Mormoto T,et al.Oxygenpermeability of Y2SiO5[J].Materials Transactions,2001,42(6):1124-1130.]。Y2SiO5晶须作为Y2SiO5外涂层与SiC内涂层间的增韧材料，利用了相同物质间及其良好的物理化学相容性，增强了内外涂层、基体与内复合涂层间的结合力，有效防止涂层高温开裂和脱落的问题，在提高抗冲刷剪切应力作用的同时还可大大提高抗氧化性能。

[0028] 有益效果：

[0029] 1）本发明制得的Y2SiO5晶须增韧Y2SiO5复合涂层均匀，致密，无显微裂纹，基体与内涂层以及内外涂层之间的结合力明显提高。

[0030] 2）本发明制得的Y2SiO5晶须增韧Y2SiO5复合涂层在1900℃的静态空气中可对C/C复合材料进行200h的有效防氧化保护，氧化失重率小于0.9%。

附图说明

[0031] 图1为实施例1制备的Y2SiO5晶须增韧Y2SiO5复合涂层断面的SEM照片。 具体实施方式

[0032] 以下结合实施例及附图对本发明进行具体说明。

[0033] 实施例1：

[0034] 步骤1：C/C复合材料预处理：

[0035] 1）取飞机刹车片用的2D-碳/碳复合材料，将其加工成6×6×6mm3的立方体，并对其进行打磨倒角的表面处理，倒角为30°；

[0036] 2）然后分别用去离子水和无水乙醇各超声清洗3次，每次清洗超声时间为30min，超声功率为80W，最后在50℃的电热鼓风干燥箱中干燥；

[0037] 步骤2：采用包埋法在C/C复合材料基体表面制备SiC多孔内涂层

[0038] 1）首先，取市售分析纯的粒度为20~30μm的Si粉、C粉和WO3粉，按Si粉：C粉：WO3粉=1：2：0.5的质量比配制包埋粉料，然后将预处理后的碳/碳复合材料放入石墨坩埚，并将其埋入包埋粉料中；

[0039] 2）其次，将石墨坩埚放入立式真空炉中，通入氩气作为保护气体，控制立式真空炉的升温速度为10℃/min，将炉温从室温升至1500℃后，保温3h后随炉自然冷却，用无水乙醇将完成包埋的碳/碳复合材料超声清洗1h，超声功率为200W；

[0040] 3）最后，在50℃的电热鼓风干燥箱中干燥得到带有SiC多孔内涂层的碳/碳复合材料；

[0041] 步骤3：采用复合表面活性剂对Y2SiO5晶须进行表面改性：

[0042] 1）将十六烷基苯磺酸钠配制成浓度为0.4mol/L的溶液，将Y2SiO5晶须见专利“一种Y2SiO5晶须的制备方法”（专利申请号：201210137915.8）浸泡在溶液中，超声辐射30min，超声功率为500W，然后过滤并分离出Y2SiO5晶须；

[0043] 2）将分离所得的Y2SiO5晶须与异丙醇按Y2SiO5晶须：异丙醇=6g：200ml的比例配制成悬浮液，然后向悬浮液中按0.2g/mL加入碘，搅拌得到混合液；

[0044] 步骤4：采用超声电泳选择性组装沉积获得Y2SiO5晶须钉扎层：

[0045] 1）将步骤3制得的混合液置于超声电沉积装置中，以步骤2制备的带有多孔SiC内涂层的C/C复合材料为阴极，以石墨为阳极，进行电沉积，超声功率控制为200W，温度为25℃，沉积电压为50V，沉积电流为0.1A，沉积时间为6min；

[0046] 2）沉积结束后，将阴极的复合材料取下，用蒸馏水洗涤5次，在80℃干燥，即在带有多孔SiC内涂层的碳/碳复合材料上得到Y2SiO5晶须嵌入SiC孔隙的Y2SiO5晶须钉扎层；

[0047] 步骤5：采用水热电泳沉积法制备Y2SiO5晶须增韧Y2SiO5复合涂层： [0048] 1）取10g粒度为20~30μm的Y2SiO5粉体悬浮于300ml的异丙醇中，磁力搅拌10h，随后加入0.01g的碘，磁力搅拌10h，制备成悬浮液；

[0049] 2）以步骤4制得的带有Y2SiO5晶须嵌入SiC孔隙的Y2SiO5晶须钉扎层的C/C复合材料作为沉积基体，固定沉积基体于阴极，阳极选用石墨板，将悬浮液倒入水热电泳沉积反应釜中，控制填充比为60％，加热到80℃后保温，调整沉积电压为150V进行水热电泳沉积，沉积60min后停止通电，待试样 冷却后取出，置于70℃的烘箱中干燥，得到带有Y2SiO5晶须增韧Y2SiO5复合涂层的C/C复合材料试样。

[0050] 由图1可以看出所制备的Y2SiO5晶须在多孔SiC内涂层与Y2SiO5外涂层间定向穿插，复合涂层均匀致密，没有裂纹，Y2SiO5晶须增韧Y2SiO5复合涂层厚度约为100~120μm。 [0051] 实施例2：

[0052] 步骤1：C/C复合材料预处理：

[0053] 1）取飞机刹车片用的2D-碳/碳复合材料，将其加工成9×9×9mm3的立方体，并对其进行打磨倒角的表面处理，倒角为40°；

[0054] 2）然后分别用去离子水和无水乙醇各超声清洗4次，每次清洗超声时间为10min，超声功率为100W，最后在65℃的电热鼓风干燥箱中干燥；

[0055] 步骤2：采用包埋法在C/C复合材料基体表面制备SiC多孔内涂层

[0056] 1）首先，取市售分析纯的粒度为20~30μm的Si粉、C粉和WO3粉，按Si粉：C粉：WO3粉=1.5：3：0.8的质量比配制包埋粉料，然后将预处理后的碳/碳复合材料放入石墨坩埚，并将其埋入包埋粉料中；

[0057] 2）其次，将石墨坩埚放入立式真空炉中，通入氩气作为保护气体，控制立式真空炉的升温速度为20℃/min，将炉温从室温升至1650℃后，保温2h后随炉自然冷却，用无水乙醇将完成包埋的碳/碳复合材料超声清洗0.5h，超声功率为300W；

[0058] 3）最后，在65℃的电热鼓风干燥箱中干燥得到带有SiC多孔内涂层的碳/碳复合材料；

[0059] 步骤3：采用复合表面活性剂对Y2SiO5晶须进行表面改性：

[0060] 1）将十六烷基苯磺酸钠配制成浓度为0.5mol/L的溶液，将Y2SiO5晶须 见专利“一种Y2SiO5晶须的制备方法”（专利申请号：201210137915.8）浸泡在溶液中，超声辐射40min，超声功率为300W，然后过滤并分离出Y2SiO5晶须；

[0061] 2）将分离所得的Y2SiO5晶须与异丙醇按Y2SiO5晶须：异丙醇=9g:100ml的比例配制成悬浮液，然后向悬浮液中按0.3g/mL加入碘，搅拌得到混合液；

[0062] 步骤4：采用超声电泳选择性组装沉积获得Y2SiO5晶须钉扎层：

[0063] 1）将步骤3制得的混合液置于超声电沉积装置中，以步骤2制备的带有多孔SiC内涂层的C/C复合材料为阴极，以石墨为阳极，进行电沉积，超声功率控制为300W，温度为20℃，沉积电压为60V，沉积电流为0.2A，沉积时间为4min；

[0064] 2）沉积结束后，将阴极的复合材料取下，用蒸馏水洗涤3次，在100℃干燥，即在带有多孔SiC内涂层的碳/碳复合材料上得到Y2SiO5晶须嵌入SiC孔隙的Y2SiO5晶须钉扎层；

[0065] 步骤5：采用水热电泳沉积法制备Y2SiO5晶须增韧Y2SiO5复合涂层： [0066] 1）取20g粒度为20~30μm的Y2SiO5粉体悬浮于200ml的异丙醇中，磁力搅拌20h，随后加入0.03g的碘，磁力搅拌20h，制备成悬浮液；

[0067] 2）以步骤4制得的带有Y2SiO5晶须嵌入SiC孔隙的Y2SiO5晶须钉扎层的C/C复合材料作为沉积基体，固定沉积基体于阴极，阳极选用石墨板，将悬浮液倒入水热电泳沉积反应釜中，控制填充比为65％，加热到110℃后保温，调整沉积电压为120V进行水热电泳沉积，沉积70min后停止通电，待试样冷却后取出，置于60℃的烘箱中干燥，得到带有Y2SiO5晶须增韧Y2SiO5复合涂层的C/C复合材料试样。

[0068] 实施例3：

[0069] 步骤1：C/C复合材料预处理：

[0070] 1）取飞机刹车片用的2D-碳/碳复合材料，将其加工成12×12×12mm3的立方体，并对其进行打磨倒角的表面处理，倒角为50°；

[0071] 2）然后分别用去离子水和无水乙醇各超声清洗5次，每次清洗超声时间为20min，超声功率为120W，最后在80℃的电热鼓风干燥箱中干燥；

[0072] 步骤2：采用包埋法在C/C复合材料基体表面制备SiC多孔内涂层

[0073] 1）首先，取市售分析纯的粒度为20~30μm的Si粉、C粉和WO3粉，按Si粉：C粉：WO3粉=2：2.5：1.0的质量比配制包埋粉料，然后将预处理后的碳/碳复合材料放入石墨坩埚，并将其埋入包埋粉料中；

[0074] 2）其次，将石墨坩埚放入立式真空炉中，通入氩气作为保护气体，控制立式真空炉的升温速度为30℃/min，将炉温从室温升至1800℃后，保温1h后随炉自然冷却，用无水乙醇将完成包埋的碳/碳复合材料超声清洗1h，超声功率为400W；

[0075] 3）最后，在80℃的电热鼓风干燥箱中干燥得到带有SiC多孔内涂层的碳/碳复合材料；

[0076] 步骤3：采用复合表面活性剂对Y2SiO5晶须进行表面改性：

[0077] 1）将十六烷基苯磺酸钠配制成浓度为0.6mol/L的溶液，将Y2SiO5晶须见专利“一种Y2SiO5晶须的制备方法”（专利申请号：201210137915.8）浸泡在溶液中，超声辐射50min，超声功率为400W，然后过滤并分离出Y2SiO5晶须；

[0078] 2）将分离所得的Y2SiO5晶须与异丙醇按Y2SiO5晶须：异丙醇=12g：300ml的比例配制成悬浮液，然后向悬浮液中按0.4g/mL加入碘，搅拌得到混合液；

[0079] 步骤4：采用超声电泳选择性组装沉积获得Y2SiO5晶须钉扎层：

[0080] 1）将步骤3制得的混合液置于超声电沉积装置中，以步骤2制备的带有多孔SiC内涂层的C/C复合材料为阴极，以石墨为阳极，进行电沉积，超声功率控制为100W，温度为30℃，沉积电压为70V，沉积电流为0.1A，沉积时间为3min；

[0081] 2）沉积结束后，将阴极的复合材料取下，用蒸馏水洗涤4次，在120℃干燥，即在带有多孔SiC内涂层的碳/碳复合材料上得到Y2SiO5晶须嵌入SiC孔隙的Y2SiO5晶须钉扎层；

[0082] 步骤5：采用水热电泳沉积法制备Y2SiO5晶须增韧Y2SiO5复合涂层： [0083] 1）取30g粒度为20~30μm的Y2SiO5粉体悬浮于400ml的异丙醇中，磁力搅拌30h，随后加入0.05g的碘，磁力搅拌30h，制备成悬浮液；

[0084] 2）以步骤4制得的带有Y2SiO5晶须嵌入SiC孔隙的Y2SiO5晶须钉扎层的C/C复合材料作为沉积基体，固定沉积基体于阴极，阳极选用石墨板，将悬浮液倒入水热电泳沉积反应釜中，控制填充比为70％，加热到140℃后保温，调整沉积电压为180V进行水热电泳沉积，沉积80min后停止通电，待试样冷却后取出，置于80℃的烘箱中干燥，得到带有Y2SiO5晶须增韧Y2SiO5复合涂层的C/C复合材料试样。