專利名稱：一種高溫抗氧化炭基復(fù)合材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于復(fù)合材料的制備方法，具體地說涉及一種高溫抗氧化炭基復(fù)合材料的制備方法。
炭材料具有優(yōu)良的導(dǎo)電導(dǎo)熱性，耐腐蝕性及高溫穩(wěn)定性，廣泛地應(yīng)用于高溫領(lǐng)域作為結(jié)構(gòu)和工程材料。但是，炭材料在400℃以上的氧化氣氛中就開始發(fā)生氧化反應(yīng)，使得其各項物理及力學(xué)性能迅速劣化。因此，對炭材料進(jìn)行氧化防護(hù)處理是延長其工作壽命，提高其工作穩(wěn)定性和可靠性的根本措施。
對炭材料進(jìn)行涂層處理是解決炭材料高溫(＞1000℃)氧化防護(hù)的主要方法。SiC涂層熱穩(wěn)定性高，與炭基體化學(xué)相容性好，熱膨脹系數(shù)接近。CVD SiC涂層是目前應(yīng)用于炭材料氧化防護(hù)的主要陶瓷涂層材料。但是這種涂層在使用中仍存在一定不足SiC涂層與炭基體存在著一明顯的界面，CVD過程通常是在高溫(＞1000℃)下進(jìn)行的，沉積完成降至室溫的過程中，由于涂層和炭基體間熱膨脹系數(shù)的差異，界面處熱應(yīng)力的集中會引發(fā)微裂紋，微裂紋在熱循環(huán)過程中逐漸擴(kuò)展導(dǎo)致涂層與炭基體的剝離，甚至脫落，導(dǎo)致氧化防護(hù)失效；另一方面，CVD SiC涂層與基體間結(jié)結(jié)合力較弱，在外力沖擊下易受到創(chuàng)傷。
為了克服SiC涂層的上述不足，鄧景屹等(炭素，1995,(2):4)用CVD法在炭基體表面沉積梯度SiC涂層。但是，此工藝過程復(fù)雜，需要連續(xù)不斷地改變氣氛的組成，對于大型或復(fù)雜部件難以得到均一理想涂層。Gee等(Journal of Material Science,1991,26(4):1093)在SiC涂層上又涂覆了硼酸玻璃，硼酸玻璃在高溫下具有較低的粘度和流動性，可以愈合SiC涂層中的微裂紋。但是硼酸玻璃在高溫下(＞900℃)揮發(fā)度大，粘性低導(dǎo)致氧擴(kuò)散系數(shù)大，因而涂層體系使用壽命有限。Piquero等(Carbon,1995,33(4):455)采用B4C內(nèi)涂層加SiC外涂層體系進(jìn)行氧化防護(hù)研究，由于涂層體系中仍然存在著陶瓷涂層間及陶瓷涂層與炭基體間熱膨脹系數(shù)的失配，氧化防護(hù)效果不甚理想。
本發(fā)明的目的是提供一種高溫抗氧化炭基復(fù)合材料的制備方法。
本發(fā)明的發(fā)明目的是這樣實現(xiàn)的，首先制備B4C粒子彌散內(nèi)部改性石墨基體材料。將焦粉、瀝青粉、石墨粉和B4C粉按一定比例進(jìn)行混合后在球磨機(jī)中混合球磨一定時間，以保證B4C粒子的均勻分散。混合粉末用熱壓工藝壓制出B4C彌散改性石墨材料。然后將這種基體材料放置于高溫真空電阻爐中，在真空條件下于1500-1600℃用SiO蒸氣作為硅化蒸氣源進(jìn)行高溫硅化處理。通過SiO蒸氣在基體材料中的CVI(化學(xué)氣相滲透)擴(kuò)散在基體材料表面生成梯度SiC涂層，從而得到梯度SiC涂層/B4C內(nèi)部改性石墨基體復(fù)合材料。SiC涂層的梯度分布一方面促進(jìn)了SiC涂層與炭基體的化學(xué)結(jié)合，避免由于受外力撞擊而使SiC涂層受到創(chuàng)傷；另一方面，可以使得涂層與炭基體間的熱應(yīng)力進(jìn)行重新分布，而不是單單集中于一個明顯的界面上，從而大大降低了微裂紋出現(xiàn)的可能性?；w中彌散的B4C粒子可以氧化轉(zhuǎn)變成B2O3，填充SiC涂層中由于SiO蒸氣的CVI擴(kuò)散而產(chǎn)生的微孔，使復(fù)合材料實現(xiàn)自愈合抗氧化。所制備的復(fù)合材料具有抗熱沖擊和良好的高溫(1300℃)抗氧化性能。
本發(fā)明的制備方法是將石墨基體材料的表面采用SiO蒸氣的CVI擴(kuò)散制備梯度SiC涂層，其特征在于石墨基體材料是由煅焦粉、瀝青粉、石墨粉和B4C按一定比例混合，球磨，熱壓制得。
如上所述的石墨基體材料的表面采用SiO、CVI擴(kuò)散制備梯度SiC涂層，是以SiO2和碳粉或硅粉為原料按SiO2∶C或Si=1∶1(重量比)，在真空條件下于1500-1600℃對石墨基材料硅化1小時。
如上所述的石墨基體材料是由煅焦粉、瀝青粉、石墨粉和B4C按(20-40)∶(1-10)∶1∶(1-5)的比例(重量比)均勻混合后球磨0.5-2小時后，在20MPa壓力下，2000-2300℃的溫度條件熱壓得到石墨基體材料。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)1．工藝過程相對簡單，重復(fù)性好；2．采用化學(xué)氣相滲透工藝實現(xiàn)SiC涂層的梯度分布，一方面促進(jìn)了涂層與基體材料的化學(xué)結(jié)合；另一方面，避免了由于熱應(yīng)力的集中而導(dǎo)致微裂紋的出現(xiàn)；3．基體中彌散的B4C粒子可以氧化轉(zhuǎn)變成B2O3，填充SiC涂層中由于SiO蒸氣的化學(xué)氣相擴(kuò)散而產(chǎn)生的微孔，使復(fù)合材料實現(xiàn)自愈合抗氧化；4．復(fù)合材料具有良好的抗熱沖擊性和高溫(1300℃)抗氧化性。
本發(fā)明的實施例如下實施例1將煅焦粉、瀝青粉、石墨粉和B4C粉按下述比例35∶10∶1∶2(重量比)進(jìn)行混合后在球磨機(jī)中混合球磨1小時，以保證B4C粒子的均勻分散?；旌戏勰┯脽釅汗に?20MPa,2000-2300℃)壓制出B4C粒子彌散內(nèi)部改性石墨材料。然后將這種基體材料架于一石墨坩堝中，石墨坩堝底部裝有石英粉和炭粉(摩爾比1∶1)的混合粉末。石墨坩堝放置于高溫真空電阻爐中，在真空條件下于1500-1600℃用SiO蒸氣(由反應(yīng)產(chǎn)生)作為硅化蒸氣源進(jìn)行高溫硅化處理。硅化1小時后，得到梯度SiC涂層/B4C粒子內(nèi)部改性石墨基體復(fù)合材料。復(fù)合材料在1300℃,2L/min干燥空氣中進(jìn)行恒溫氧化試驗。氧化過程中的重量變化見

圖1。
實施例2將煅焦粉、瀝青粉、石墨粉和B4C粉按下述比例35∶10∶1∶2(重量比)進(jìn)行混合球磨后制備基體材料，其余同實施例1。復(fù)合材料在1300℃，2L/min干燥空氣中進(jìn)行恒溫氧化試驗。氧化過程中的重量變化見圖2。
實施例3將煅焦粉、瀝青粉、石墨粉和B4C粉按下述比例40∶10∶1∶3(重量比)進(jìn)行混合球磨后制備基體材料，其余同實施例1。復(fù)合材料在1300℃，2L/min干燥空氣中進(jìn)行恒溫氧化試驗。氧化過程中的重量變化見圖3。
實施例4將煅焦粉、瀝青粉、石墨粉和B4C粉按下述比例30∶1∶1∶2(重量比)進(jìn)行混合球磨后制備基體材料，其余同實施例1。復(fù)合材料在1300℃，2L/min干燥空氣中進(jìn)行恒溫氧化試驗。氧化過程中的重量變化見圖4。
實施例5將煅焦粉、瀝青粉、石墨粉和B4C粉按下述比例30∶5∶1∶4(重量比)進(jìn)行混合球磨后制備基體材料，其余同實施例1。制得的復(fù)合材料樣品升溫至1020℃，然后迅速擲于室溫(20℃)水中。經(jīng)歷了10次熱沖擊(ΔT=1000℃)后，在1300℃,2L/min干燥空氣中進(jìn)行恒溫氧化試驗。氧化過程中的重量變化見圖5。
實施例6產(chǎn)生SiO蒸氣的原料由石英粉和Si粉組成(摩爾比1∶1)，其余同實施例1。制得的復(fù)合材料樣品在1300℃,2L/min干燥空氣中進(jìn)行恒溫氧化試驗。氧化過程中的重量變化見圖6。
權(quán)利要求
1．一種高溫抗氧化炭基復(fù)合材料的制備方法是將石墨基體材料的表面采用SiO蒸氣的CVI擴(kuò)散制備梯度SiC涂層，其特征在于石墨基體材料是由煅焦粉、瀝青粉、石墨粉和B4C按一定比例混合，球磨，熱壓制得。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高溫抗氧化炭基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述的石墨基體材料的表面采用SiO的CVI擴(kuò)散制備梯度SiC涂層，是以SiO2和碳粉或硅粉為原料按SiO2∶C或Si=1∶1(重量比)，在真空條件下于1500-1600℃對石墨基體材料硅化1小時。
3．根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高溫抗氧化炭基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述的石墨基體材料是由煅焦粉、瀝青粉、石墨粉和B4C按(20-40)∶(1-10)∶1∶(1-5)的比例(重量比)均勻混合后球磨0.5-2小時后，在20MPa壓力下，2000-2300℃的溫度條件熱壓得到石墨基體材料。
全文摘要
一種高溫抗氧化炭基復(fù)合材料的制備方法,將煅焦粉、瀝青粉、石墨粉和B
文檔編號C04B41/50GK1235941SQ9810147
公開日1999年11月24日 申請日期1998年5月19日 優(yōu)先權(quán)日1998年5月19日
發(fā)明者劉朗, 郭全貴, 翟更太, 宋進(jìn)仁, 張碧江 申請人:中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所