專利名稱：一種陰極旋轉水熱電泳沉積制備硅酸釔涂層的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種硅酸釔涂層的制備方法，具體涉及一種陰極旋轉水熱 電泳沉積制備硅酸釔涂層的方法。
技術背景近年來碳/碳復合材料逐漸成為人們研究的熱點。由于碳/碳復合材料 熱膨脹系數(shù)低、密度低、耐燒蝕、耐腐蝕、摩擦系數(shù)穩(wěn)定、導熱導電性能 好和高強度、高模量等特點，特別是隨溫度升高力學性能不降反升的特性， 因此其被應用于航空、航天及民用工業(yè)領域。然而，它的許多上述性質只有在惰性氣氛下或者是低于450'C的條件下才能保持，氧化失重將使得碳/ 碳復合材料的力學性能明顯下降，從而限制了其作為高溫耐火材料在氧化 氣氛下的廣泛應用。因此，解決碳/碳復合材料高溫氧化防護問題是充分 利用其性能的前提?？寡趸繉颖徽J為是解決碳/碳復合材料高溫氧化防護問題的有效方 法，但是由于碳/碳復合材料的特殊物化特性，許多高溫陶瓷材料無法直 接作為高溫涂層使用，因此大多采用過渡層/外涂層(耐高溫陶瓷材料) 的復合涂層方法，在過渡層中，由于SiC與碳/碳復合材料具有良好的物理 化學相容性，所以被普遍采用。由于硅酸釔材料具有高熔點、低楊氏模量、 低熱膨脹系數(shù)、低高溫揮發(fā)率、低高溫氧氣滲透率和耐化學腐蝕等優(yōu)異的 物化性能，使其成為石墨、C/C及C/C-SiC復合材料和SiC結構陶瓷等高性 能材料高溫抗氧化涂層的理想外涂層材料之一。到目前為止，硅酸釔涂層的制備技術主要有熱等靜壓法、熔漿涂覆燒 結法、等離子噴涂法及原位形成法等。但由于以上方法均需要在高溫下才 能制備出比較理想的涂層。而較高的制備溫度可能對基體造成一定損傷， 因此低溫制備工藝的開發(fā)一直是研究者致力的方向之一。陰極旋轉水熱電 泳沉積法其特點首先是將電沉積技術和水熱技術結合，并利用超聲波在反 應體系中產生的局部高溫和高壓有效降低硅酸釔懸浮粒子的反應激活能， 使其在水熱電泳過程中反應更完全和充分。采用該法可避免采用傳統(tǒng)高溫 涂覆而弓f起的相變和脆裂，在一定程度上解決涂層制備過程中對基體的熱損傷；其次，沉積過程是非直線過程，可以在形狀復雜或表面多孔的基體 表面形成均勻的沉積層，并能精確控制涂層成分、厚度和孔隙率，使得簡 單高效制備多相復合涂層和梯度陶瓷涂層成為可能；再者，水熱電泳沉積 是帶電粒子的定向移動，不會因電解水溶劑時產生的大量氣體影響涂層與 基體的結合力。另外通過陰極高速旋轉，避免了傳統(tǒng)水熱法需多次涂覆才 能得到結構致密均勻的涂層的缺點，實現(xiàn)了在可控的條件下獲得致密的、 具有顯微裂紋的、不同厚度的硅酸釔涂層。此外，陰極旋轉水熱電泳沉積 法還具有操作簡單方便、成本低、沉積工藝易控制等特點。在采用電沉積法制備硅酸釔涂層的研究中，Chr. Argirusis， T. Damjanovic， M. Stojanovic， G. Borchardt (Chr. Argirusis, T. Damjanovic， M. Stojanovic， G. Borchardt. Current Research in Advanced Materials and Processes, 2005， pp. 451-456)等人用70 wt% Y2Si207和30wt%Y2Si05納米粉體在乙丙醇中充分分散后，在60V的沉積 電壓下沉積1-3分鐘，在C/C-Si-SiC復合材料上制備出厚度為15-30 u m 的硅酸釔復合外涂層。該涂層在150(TC的靜態(tài)空氣中對C/C起到長達100小時的保護。黃劍鋒(Huang Jian-Feng， Zeng Xie-Rong， Li He-Jun， Ceramics International, 2006 (32): 417-421. Huang Jlan-Feng， Zeng Xie-Rong， Li He-Jun， Journal of Material Science, 2004 (39): 7383-7385)等以梯度組分的硅酸釔納米粉體為噴涂原料，采用等離子噴 涂法在SiC內涂層表面制備的Y203 2Si(V Y203 1. 5Si02/ Y203 Si02梯度 復合涂層較好的發(fā)揮了不同組分硅酸釔材料的特性，在160(TC下氧化116h 后材料失重低于2%;在此涂層體系中Y203和Si02呈梯度分布，極大地緩解 了涂層內部的熱應力，外層的Y203 Si02 (Y2Si05)則起到熱障涂層的作用， 降低了內涂層的服役溫度，有利于提高涂層的抗氧化能力。黃劍鋒、鄧飛 等(黃劍鋒、鄧飛等， 一種梯度硅酸釔涂層的水熱電泳沉積方法 [P]. CN1904144.)成功的利用水熱電泳沉積法在碳/碳復合材料基體上 制備出了均勻、致密的硅酸釔梯度涂層。 發(fā)明內容本發(fā)明的目的在于提供一種工藝控制簡單，涂層均勻，能夠避免重復 操作的陰極旋轉水熱電泳沉積制備硅酸釔涂層的方法，本發(fā)明的制備方法 在相對較低的溫度下制備出與基體結合好、抗氧化性能高、結構致密、均 勻，涂層厚度可控的硅酸釔涂層。為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是1)首先，選用0. 05-5微米分析純的硅酸釔(Y2Si207)粉體、分析純 的異丙醇及碘為原材料，按照￥251207:異丙醇=2.5_5§: 150ml的比例配 制成懸浮液，在1000-2000r/min下機械攪拌8-12h后，按0. 5-1. 5g/L 的比例在懸浮液中引入碘攪拌8-12h后，置于超聲波中在100-500W的功 率下振蕩10-60min后備用；2) 其次，將上述懸浮液加入水熱電泳沉積反應釜中，以石墨電極為 陽極，以能夠旋轉的預先沉積了 50-100微米厚度SiC涂層的碳/碳復合材 料為陰極；3) 然后，待預先沉積了 50-100微米厚度SiC涂層的碳/碳復合材料 固定于陰極后，密封水熱電泳沉積反應釜，同時將水熱電泳沉積反應釜加 熱至100-30(TC，控制沉積電壓為50-300V，陰極轉速控制為20-100r/min， 沉積10-60min，水熱電泳沉積完成后停止加熱，待水熱釜冷卻至室溫后取出沉積有硅酸釔的碳/碳復合材料；4) 最后，用蒸餾水洗滌沉積有硅酸釔的碳/碳復合材料后置于60-100 'C的干燥箱中干燥獲得硅酸釔(Y2Si207)涂層涂覆的碳/碳復合材料。本發(fā)明采用陰極旋轉水熱電泳沉積法在碳/碳-碳化硅復合材料表面 制備硅酸釔抗氧化外涂層，利用硅酸釔粉體為原料，按照一定的粉料配比， 在一定的溫度和電壓下，不同的陰極旋轉速度可分別制備出結構致密的、 具有顯微裂紋的、不同厚度的硅酸釔涂層。這種方法的優(yōu)點是工藝控制簡 單，涂層均勻， 一定程度上避免重復操作，可用于表面復雜產品，而且在 低溫下可獲得結構可控且性能良好的硅酸釔涂層。


圖1是本發(fā)明實施例1制備的涂層斷面的掃描電鏡圖。
具體實施方式
實施例1:首先，選用5微米分析純的硅酸釔(Y2Si207)粉體、分析 純的異丙醇及碘為原材料，按照Y2Si207:異丙醇4.5g: 150ml的比例配 制成懸浮液，在1500r/min下機械攪拌8h后，按0. 5g/L的比例在懸浮液 中引入碘攪拌12h后，置于超聲波中在500W的功率下振蕩60min后備用；其次，將上述懸浮液加入水熱電泳沉積反應釜中，以石墨電極為陽極，以 能夠旋轉的預先沉積了 100微米厚度SiC涂層的碳/碳復合材料為陰極；然后，待預先沉積了 50-100微米厚度SiC涂層的碳/碳復合材料固定于陰 極后，密封水熱電泳沉積反應釜，同時將水熱電泳沉積反應釜加熱至220 。C，控制沉積電壓為300V，陰極轉速控制為20r/min，沉積60min，水熱 電泳沉積完成后停止加熱，待水熱釜冷卻至室溫后取出沉積有硅酸釔的碳 /碳復合材料；最后，用蒸餾水洗滌沉積有硅酸釔的碳/碳復合材料后置于 IO(TC的干燥箱中干燥獲得硅酸釔(Y2Si207)涂層涂覆的碳/碳復合材料。 獲得如圖1所示硅酸紀(Y2Si207)涂層涂覆的碳/碳復合材料。從圖1中可 以看出，硅酸釔外涂層厚約100微米，結構致密均勻，與內涂層結合良好。實施例2:首先，選用0. 05微米分析純的硅酸釔(Y2Si207)粉體、分 析純的異丙醇及碘為原材料，按照LSiA:異丙醇二5g: 150ml的比例配 制成懸浮液，在2000r/min下機械攪拌12h后，按1. 5g/L的比例在懸浮 液中引入碘攪拌lOh后，置于超聲波中在100W的功率下振蕩10min后備 用；其次，將上述懸浮液加入水熱電泳沉積反應釜中，以石墨電極為陽極， 以能夠旋轉的預先沉積了 50微米厚度SiC涂層的碳/碳復合材料為陰極； 然后，待預先沉積了 50-100微米厚度SiC涂層的碳/碳復合材料固定于陰 極后，密封水熱電泳沉積反應釜，同時將水熱電泳沉積反應釜加熱至100 °C，控制沉積電壓為50V，陰極轉速控制為100r/min，沉積10min，水熱 電泳沉積完成后停止加熱，待水熱釜冷卻至室溫后取出沉積有硅酸釔的碳 /碳復合材料；最后，用蒸餾水洗滌沉積有硅酸釔的碳/碳復合材料后置于 6(TC的干燥箱中干燥獲得硅酸釔(Y2Si207)涂層涂覆的碳/碳復合材料。實施例3:首先，選用0.5微米分析純的硅酸釔(Y2Si207)粉體、分析純的異丙醇及碘為原材料，按照Y2Si207:異丙醇=4§: 150ml的比例配 制成懸浮液，在1000r/min下機械攪拌10h后，按lg/L的比例在懸浮液 中引入碘攪拌8h后，置于超聲波中在300W的功率下振蕩30min后備用； 其次，將上述懸浮液加入水熱電泳沉積反應釜中，以石墨電極為陽極，以 能夠旋轉的預先沉積了 80微米厚度SiC涂層的碳/碳復合材料為陰極；然 后，待預先沉積了 50-100微米厚度SiC涂層的碳/碳復合材料固定于陰極 后，密封水熱電泳沉積反應釜，同時將水熱電泳沉積反應釜加熱至30(TC， 控制沉積電壓為200V，陰極轉速控制為60r/min，沉積40min，水熱電泳沉積完成后停止加熱，待水熱釜冷卻至室溫后取出沉積有硅酸釔的碳/碳 復合材料；最后，用蒸餾水洗滌沉積有硅酸釔的碳/碳復合材料后置于80 'C的干燥箱中干燥獲得硅酸釔(Y2SiA)涂層涂覆的碳/碳復合材料。本發(fā)明在相對較低的溫度下可制備出與基體結合好、抗氧化性能高、 涂層厚度可控的硅酸釔涂層，同時避免了傳統(tǒng)電泳沉積的重復操作所制備 的涂層能對碳/碳復合材料在高溫下進行有效保護，在160(TC的高溫下氧 化200小時后試樣的氧化失重小于0. 5%。
權利要求
1、一種陰極旋轉水熱電泳沉積制備硅酸釔涂層的方法，其特征在于1)首先，選用0.05-5微米分析純的硅酸釔(Y2Si2O7)粉體、分析純的異丙醇及碘為原材料，按照Y2Si2O7∶異丙醇＝2.5-5g∶150ml的比例配制成懸浮液，在1000-2000r/min下機械攪拌8-12h后，按0.5-1.5g/L的比例在懸浮液中引入碘攪拌8-12h后，置于超聲波中在100-500W的功率下振蕩10-60min后備用；2)其次，將上述懸浮液加入水熱電泳沉積反應釜中，以石墨電極為陽極，以能夠旋轉的預先沉積了50-100微米厚度SiC涂層的碳/碳復合材料為陰極；3)然后，待預先沉積了50-100微米厚度SiC涂層的碳/碳復合材料固定于陰極后，密封水熱電泳沉積反應釜，同時將水熱電泳沉積反應釜加熱至100-300℃，控制沉積電壓為50-300V，陰極轉速控制為20-100r/min，沉積10-60min，水熱電泳沉積完成后停止加熱，待水熱釜冷卻至室溫后取出沉積有硅酸釔的碳/碳復合材料；4)最后，用蒸餾水洗滌沉積有硅酸釔的碳/碳復合材料后置于60-100℃的干燥箱中干燥獲得硅酸釔(Y2Si2O7)涂層涂覆的碳/碳復合材料。
全文摘要
一種陰極旋轉水熱電泳沉積制備硅酸釔涂層的方法，采用陰極旋轉水熱電泳沉積法在碳/碳-碳化硅復合材料表面制備硅酸釔抗氧化外涂層，利用硅酸釔粉體為原料，按照一定的粉料配比，在一定的溫度和電壓下，不同的陰極旋轉速度可分別制備出結構致密的、具有顯微裂紋的、不同厚度的硅酸釔涂層。這種方法的優(yōu)點是工藝控制簡單，涂層均勻，一定程度上避免重復操作，可用于表面復雜產品，而且在低溫下可獲得結構可控且性能良好的硅酸釔涂層。
文檔編號C04B41/87GK101514473SQ20091002121
公開日2009年8月26日 申請日期2009年2月20日 優(yōu)先權日2009年2月20日
發(fā)明者靖 盧, 吳建鵬, 夏昌奎, 曹麗云, 強 楊, 殷立雄, 王雅琴, 黃劍鋒 申請人:陜西科技大學