专利名称：一种炭材料表面高温抗氧化涂层的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种在炭材料表面制备高温抗氧化涂层的方法，属于炭材料保护领域。
背景技术：
碳材料具有优良的耐热性，化学稳定性和导电性，广泛地应用于高温领域作为结构和工程材料。但是，碳材料在400℃以上的氧化气氛中就开始发生氧化反应，使得其各项物理及力学性能迅速劣化，因此，对炭材料进行氧化防护处理是延长其工作寿命，提高其工作稳定性和可靠性的根本措施。
对炭材料进行涂层处理是解决炭材料高温(＞1200℃)氧化防护的一种主要方法。SiC涂层热稳定性高，与炭基体化学相容性好，热膨胀系数接近。是目前用于炭材料氧化防护的主要陶瓷涂层材料。目前制备SiC涂层主要方法有包埋法，化学气相沉积法，等离子喷涂法，化学气相渗透法等，但这几种方法制备的SiC涂层一般含有很多微孔隙和微裂纹，抗氧化能力不强。为了提高SiC涂层的抗氧化能力，人们又采取不同的方法来封填裂纹，例如反复用溶胶-凝胶封堵SiC涂层。Gee等(Journal of Material Science，1991，26(4)；1093)在SiC涂层上又涂覆了硼酸玻璃，硼酸玻璃在高温下具有较低的粘度和良好的流动性，可以愈合SiC涂层中的微裂纹。Piquero等(Carbon，1995，33(4)；455)采用B4C内涂层加SiC外涂层体系进行氧化防护研究。这样就使整个过程复杂化，降低了其经济效益。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种低成本、具有优良的抗氧化性、工艺简单的炭材料表面高温抗氧化涂层的制备方法本发明的目的是这样实现的按一定的比例把硅粉、硼粉、水、粘结剂混合配制成浆料，将浆料在球磨机中充分研磨，使其中各组分均匀分布。采用浸涂、喷涂或者刷涂法把此浆料包覆在预先清洗干净的炭材料表面，在100℃-150℃的环境中干燥10～16小时，得到干燥的包覆体。最后在真空电阻炉中，加热温度高于Si的熔点(1410℃)20～100℃，保温20～30min，由于炭材料内部存在大量的微孔隙，在毛细血管作用力下，料液Si向炭材料均匀渗透的同时与炭基体反应生成一定厚度的梯度SiC涂层，少量的硼均匀分布于梯度SiC涂层中。SiC涂层的梯度分布促进了涂层与基体材料的化学结合，避免了由于热应力的集中而导致涂层剥离。涂层中弥散的硼可以氧化转变成B2O3填充SiC涂层的微孔，使炭材料实现自愈合抗氧化。所制备的抗氧化涂层具有抗热冲击性和良好的高温(1300℃)抗氧化性能。
本发明的制备方法包括以下步骤(1).对炭材料表面进行清洗，去污，用蒸馏水超声清洗，然后放入干燥箱烘干；(2).把硅粉、硼粉、水、粘结剂按重量比为硅粉∶硼粉∶水∶粘结剂＝43.5～50.5∶3～10∶44.5～45∶1.0～2.5进行混合配制成浆料，将浆料在球磨机中充分研磨，使其各组分均匀分布，采用浸涂、喷涂或者刷涂法把此浆料包覆在清洗干净的炭材料表面，包覆浆料厚度为200μm～240μn，在100℃-150℃的环境中干燥10～16小时，得到干燥的包覆体；(3).将上述制得的包覆体放入真空电阻炉，首先以5～10℃/分钟的加热速度将炉子加热到400～500℃，保温10～20分钟，然后再以15～20℃/分钟的加热速度将炉子加热到1420℃～1500℃，保温20～30分钟.断电停止加热，待炉子冷却后取出样品，即可得到高温抗氧化陶瓷涂层。
上述所用的硅粉粒度为5～47μm，硼粉粒度为3～10μm；粘结剂为聚乙烯醇(PVA)、丙烯酰胺(AM)或者是聚乙烯醇缩甲醛(PVA)。
本发明的优点1.工艺过程相对简单，重复性好。
2.采用液体渗硅工艺实现SiC涂层的梯度分布，促进了涂层与基体材料的化学结合，避免了由于热应力的集中而导致涂层剥离。
3.涂层中弥散的硼可以氧化转变成B2O3填充SiC涂层的微孔，使炭材料实现自愈合抗氧化。
4.制备的抗氧化涂层具有抗热冲击性和良好的高温(1300℃)抗氧化性能。
具体实施例方式
实施例1把Si、B、H2O、聚乙烯醇按重量比为50.5∶3∶45∶1.5配制成浆料，在球磨机中充分研磨1小时，使浆料中各组分均匀分布。采用浸涂法把此浆料包覆在清洗干净的石墨材料表面，包覆浆料厚度为200μm。然后在100℃的烘箱中干燥16小时，得到干燥的包覆体。将干燥的包覆体放入石墨坩埚中，然后把坩埚放入真空电阻炉中，封炉，抽真空通电加热。以5℃/分钟的加热速度将炉子加热到400℃，保温20分钟，然后再以20℃/分钟的加热速度将炉子加热到1450℃，保温25分钟.断电停止加热，待炉子冷却后取出样品。在1300℃的空气中做抗氧化试验，未经涂层的石墨氧化1小时，重量损失为40％；经涂层处理后，氧化30小时后，重量损失为0.1％。
实施例2把Si、B、H2O、聚乙烯醇按重量比为45.5∶8∶45∶1.5配制成浆料，在球磨机中充分研磨1小时，使浆料中各组分均匀分布.采用刷涂法把此浆料包覆在清洗干净的石墨材料表面，包覆浆料厚度为230μm。然后在120℃的烘箱中干燥14小时，得到干燥的包覆体。将干燥的包覆体放入石墨坩埚中，然后把坩埚放入真空电阻炉中，封炉，抽真空通电加热.以8℃/分钟的加热速度将炉子加热到450℃，保温15分钟，然后再以15℃/分钟的加热速度将炉子加热到1500℃，保温20分钟.断电停止加热，待炉子冷却后取出样品。在1300℃的空气中做抗氧化试验，未经涂层的石墨氧化1小时，重量损失为40％；经涂层处理后，氧化30小时后，重量损失为0.06％。
实施例3把Si、B、H2O、丙烯酰胺，按重量比为43.5∶10∶45.5∶1.0配制成浆料，在球磨机中充分研磨1小时，使浆料中各组分均匀分布.采用喷涂法把此浆料包覆在清洗干净的炭/炭复合材料表面，包覆浆料厚度为240μm。然后在150℃的烘箱中干燥10小时，得到干燥的包覆体。将干燥的包覆体放入石墨坩埚中，然后把坩埚放入真空电阻炉中，封炉，抽真空通电加热.以10℃/分钟的加热速度将炉子加热到500℃，保温10分钟，然后再以18℃/分钟的加热速度将炉子加热到1440℃，保温30分钟.断电停止加热，待炉子冷却后取出样品。在1300℃的空气中做抗氧化试验，未经涂层的石墨氧化1小时，重量损失为40％；经涂层处理后，氧化30小时后，重量损失为0.04％。
实施例4把Si、B、H2O、聚乙烯醇缩甲醛，按重量比为48.5∶5∶44∶2.5配制成浆料，将浆料在球磨机中充分研磨1小时，使其中各组分均匀分布.其余同实施例1.对所制得的样品进行抗热冲击实验。实验时先将炉子温度升到1020℃，氧化30分钟后，将试样迅速投入室温20℃水中，经过10次热循环冲击试验，涂层完整，未见涂层开裂。试样重量损失率为0.8％。
权利要求
1.一种炭材料表面高温抗氧化涂层的制备方法，其特征在于包括如下步骤(1)对炭材料表面进行清洗，去污，用蒸馏水超声清洗，然后放入干燥箱烘干；(2)把硅粉、硼粉、水、粘结剂按重量比为硅粉∶硼粉∶水∶粘结剂＝43.5～50.5∶3～10∶44.5～45∶1.0～2.5进行混合配制成浆料，将浆料在球磨机中充分研磨，使其各组分均匀分布，采用浸涂、喷涂或者刷涂法把此浆料包覆在清洗干净的炭材料表面，包覆浆料厚度为200μm～240μm，在100℃-150℃的环境中干燥10～16小时，得到干燥的包覆体；(3)将上述制得的包覆体放入真空电阻炉，首先以5～10℃/分钟的加热速度将炉子加热到400～500℃，保温10～20分钟，然后再以15～20℃/分钟的加热速度将炉子加热到1420℃～1500℃，保温20～30分钟.断电停止加热，待炉子冷却后取出样品，即可得到高温抗氧化陶瓷涂层。
2.如权利要求1所述的一种炭材料表面高温抗氧化涂层的制备方法，其特征在于所述的硅粉粒度为5～47μm。
3.如权利要求1所述的一种炭材料表面高温抗氧化涂层的制备方法，其特征在于所述的硼粉粒度为3～10μm。
4.如权利要求1所述的一种炭材料表面高温抗氧化涂层的制备方法，其特征在于所述的粘结剂为聚乙烯醇、丙烯酰胺或者是聚乙烯醇缩甲醛。
全文摘要
一种炭材料表面高温抗氧化涂层的制备方法对炭材料表面进行清洗，烘干，把硅粉、硼粉、水、粘结剂按重量比为硅粉∶硼粉∶水∶粘结剂＝43.5～50.5∶3～10∶44.5～45∶1.0～2.5进行混合配制成浆料，采用浸涂、喷涂或者刷涂法把此浆料包覆在清洗干净的炭材料表面，包覆浆料厚度为200μm～240μm，干燥后放入真空电阻炉，将炉子加热到400～500℃，保温10～20分钟，然后再将炉子加热到1420℃～1500℃，保温20～30分钟.冷却得到高温抗氧化陶瓷涂层。本发明具有本发明工艺简单，效率高，可重复性好，大幅度降低炭材料的生产成本并且整个工艺过程易于放大，适合于工业化生产的优点。
文档编号C04B35/565GK1762904SQ200510012730
公开日2006年4月26日 申请日期2005年8月11日 优先权日2005年8月11日
发明者刘朗, 赵娟, 郭全贵 申请人:中国科学院山西煤炭化学研究所