專利名稱：一種碳纖維增韌碳化硅基復(fù)合材料中溫1000～1400℃涂層的修補方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種碳纖維增韌碳化硅基復(fù)合材料中溫涂層的修補方法，涉及一種碳纖維增韌碳化硅基復(fù)合材料中溫涂層(1000-1400°c )在線修補方法。
背景技術(shù)：
連續(xù)碳纖維增韌碳化硅基復(fù)合材料具有類似金屬的斷裂行為，對裂紋不敏感，不會發(fā)生災(zāi)難性破壞。其耐高溫和低密度特性，使其成為發(fā)展先進航空發(fā)動機、火箭發(fā)動機和空天飛行器防熱結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵材料。在航空發(fā)動機應(yīng)用方面，如法國SNECMA公司生產(chǎn)的M88-2和M53-2發(fā)動機上的噴嘴和尾氣調(diào)節(jié)片采用了 C/SiC材料。在超高聲速飛行器上C/SiC材料主要用于大面積熱防護系統(tǒng)，比金屬TPS減重50 %，可減少發(fā)射準備程序，減少維護，提高使用壽命和降低成本。C/SiC材料用作超高聲速飛行器高溫大面積防熱系統(tǒng)，已經(jīng)在X系列空天飛行器上試飛成功，成為繼C/C之后的新一代防熱材料。 C/SiC復(fù)合材料在應(yīng)用中存在的一個主要問題就是高溫下抗氧化性能較差。這一方面是由于SiC基體與纖維之間的熱膨脹系數(shù)(CTE)不匹配，SiC基體上存在許多微小裂紋。在C/SiC復(fù)合材料的使用過程中，這些微小裂紋會成為氧氣腐蝕碳纖維的流動通道。另一方面，C/SiC復(fù)合材料的抗氧化性能差是由于材料的致密度較低。因此，必須發(fā)展C/SiC復(fù)合材料的保護體系以阻止氧通過裂紋和開氣孔向碳纖維的擴散?，F(xiàn)階段解決的主要方法是對C/SiC材料表面進行抗氧化涂層處理，涂層的主要工藝有CVD法、溶膠-凝膠法，聚合物裂解法等。這些方法所制備的涂層都能在一定程度上很好的保護基體。但是存在的問題是C/SiC復(fù)合材料在加工和裝備過程中會造成表面涂層有一定破壞，涂層的毀壞可能導致碳纖維暴露于燃氣環(huán)境下，碳纖維的氧化將造成構(gòu)件的失效，嚴重影響材料的正常使用。重新制備涂層不僅周期較長，而且耗資巨大，為了解決這一問題，研究涂層修補技術(shù)成為一個熱點。但是對于中溫(1000-140(TC)使用區(qū)域的涂層在線修補技術(shù)卻鮮有報道。目前的涂層制備技術(shù)較多，但均不能進行在線修補，比如CVD法，對制備涂層的設(shè)備要求較高，這就限制了其在線修補行為。本發(fā)明主要通過對涂層進行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，結(jié)合簡單的涂刷法工藝來實現(xiàn)C/SiC復(fù)合材料中溫涂層(1000-1400°c )的在線修補。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種C/SiC復(fù)合材料中溫涂層(1000-140(TC)在線修補的方法?！N碳纖維增韌碳化硅基復(fù)合材料中溫1000 1400°C涂層的修補方法，其特征在于修補步驟如下步驟I :將Si粉與有機硅烷粘合劑進行混合得到內(nèi)涂層的涂層漿料，然后將漿料刷涂于碳纖維增韌碳化硅基復(fù)合材料的受損涂層處，在40 120°C低溫下使其固化，獲得內(nèi)涂層；所述有機硅烷粘合劑Si粉的質(zhì)量比為I 3 4 7 ;步驟2 :采用熔點為1000°C 1400°C的氧化物與有機硅烷粘合劑進行混合，得到第一梯度玻璃涂層的漿料，然后將此漿料刷涂于步驟I制備完成的內(nèi)涂層上，在40 120°C低溫下使其固化，獲得第一梯度玻璃涂層；所述有機硅烷粘合劑氧化物的質(zhì)量比為I 3 4 7 ;步驟3 :采用軟化點為400°C 1000°C的低熔點玻璃粉與有機硅烷粘合劑進行混合，得到第二梯度玻璃涂層的漿料，將此漿料刷涂于第一梯度玻璃涂層上，在40 120°C低溫下使其固化，獲得第二梯度玻璃涂層；所述有機硅烷粘合劑低熔點玻璃粉的質(zhì)量比為I 3 4 7。所述步驟I、步驟2和步驟3中的固化采用紅外燈、紫外燈照射或者烘箱使其固化。
所述熔點為1000°C 1400°C的氧化物為鋇鍶鋁硅BSAS或碳酸鹽、硫酸鹽、鋇、鋁、鎵五個系列的氧化物。所述玻璃粉為鉍玻璃粉、鉛玻璃粉、釩玻璃粉、磷酸鹽玻璃粉或硼硅酸鹽玻璃粉。所述有機硅烷粘合劑為聚氮硅烷、聚硅氧烷、聚碳硅烷或聚硼氮硅烷。本發(fā)明一種碳纖維增韌碳化硅基復(fù)合材料中溫涂層(1000-140(TC)修補方法，基于合理的涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計，各層涂層相互配合，達到相應(yīng)溫度的使用要求。在涂層體系中內(nèi)層硅涂層主要是為了提高涂層與基體的結(jié)合力，梯度玻璃涂層主要是可以在相應(yīng)溫度下形成液相，一方面對基體的裂紋及孔洞進行封填，另一方面可進行涂層的自愈合。該技術(shù)可有效提高C/SiC復(fù)合材料部件的使用壽命，降低材料的使用成本。本發(fā)明的優(yōu)點在于(I)該方法制備工藝簡單，只需簡單的涂刷即可制備完成，無需復(fù)雜的熱處理工藝(2)該方法對制備設(shè)備要求低，基本無需精密的設(shè)備；(3)該方法制備周期短(4)該方法成本低(5)該方法提供了一種C/SiC復(fù)合材料中溫涂層(1000-140(TC)在線修補技術(shù)。
(6)該方法可根據(jù)不同的使用溫度(1000-1400°C)要求，進行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)調(diào)整以適應(yīng)修補需求。


圖I :實施例I涂層試樣在1300°C，空氣中氧化60分鐘后涂層表面SEM圖；圖2 :實施例I涂層試樣在1300°C，空氣中氧化60分鐘后涂層斷面SEM具體實施例方式現(xiàn)結(jié)合實施例、附圖對本發(fā)明作進一步描述實施例I :步驟I :對于待修補的碳纖維增韌碳化硅基復(fù)合材料采用清水進行超聲清洗30分鐘，然后置于100°c烘箱內(nèi)經(jīng)30分鐘烘干，待用；步驟2 :以硅粉添加100%的乙醇作為溶劑、添加20%的聚氮硅烷作為粘合劑，球磨約30min,得到混合均勻的衆(zhòng)料；步驟3 :將混合均勻的漿料刷涂于基材表面，120°C (現(xiàn)場可采用紅外燈照射)左右經(jīng)5-6小時使其固化，從而獲得內(nèi)涂層；內(nèi)涂層的目的是提高涂層與基體的粘結(jié)力。
步驟4 :以BSAS粉添加100%的乙醇作為溶劑、添加20%的聚氮硅烷作為粘合劑，球磨約30min,得到混合均勻的衆(zhòng)料；步驟5 :將混合均勻的漿料刷涂于步驟2、3制備的內(nèi)涂層上，120°C(現(xiàn)場可采用紅外燈照射)左右經(jīng)5-6小時使其完全固化，從而獲得第一梯度玻璃涂層；第一梯度玻璃涂層的目的是在1000°C 1400°C左右形成液相提高基體的抗氧化性能。步驟6 :以硼硅玻璃粉添加100%的乙醇作為溶劑、添加20%的聚氮硅烷作為粘合齊U，球磨約30min,得到混合均勻的衆(zhòng)料；步驟7 :將混合均勻的漿料刷涂于步驟4、5制備的第一梯度玻璃涂層上，120°C(現(xiàn)場可采用紅外燈照射)左右經(jīng)5-6小時使其完全固化，即可得到第二梯度玻璃涂層；第二梯度玻璃涂層的目的是在700-800°C形成液相，提高基體在相應(yīng)溫度的抗氧化性能。 對已制備的涂層試樣和無涂層試樣和進行氧化實驗，結(jié)果顯示在1300°C保溫60分鐘涂層試樣失重僅約3. 6%,而未加涂層的試樣失重為53. rI0A。結(jié)合涂層試樣的表面微觀形貌圖，可以看出涂層表面非常的光滑致密，但卻存在一些微裂紋，不過這些微裂紋在高溫下是可以自動愈合的；結(jié)合涂層斷面微觀形貌圖可以看出內(nèi)涂層與基體結(jié)合非常緊密，經(jīng)過氧化后第一和第二梯度玻璃涂層已經(jīng)熔為一層，即形成了外涂層。觀察外涂層，可以看出涂層非常致密，幾乎沒有缺陷。由此顯示了該方案對基體可起到很好的防氧化作用。實施例2 步驟I :對于待修補的碳纖維增韌碳化硅基復(fù)合材料采用清水進行超聲清洗30分鐘，然后置于100°c烘箱內(nèi)經(jīng)30分鐘烘干，待用；步驟2 :以硅粉添加100%的乙醇作為溶劑、添加20%的聚碳硅烷作為粘合劑，球磨約30min,得到混合均勻的衆(zhòng)料；步驟3 :將混合均勻的漿料刷涂于基材表面，80°C (現(xiàn)場可采用紅外燈照射)左右經(jīng)10-12小時使其固化，從而獲得內(nèi)涂層；內(nèi)涂層的目的是提高涂層與基體的粘結(jié)力。步驟4 :以BSAS粉添加100%的乙醇作為溶劑、添加20%的聚碳硅烷作為粘合劑，球磨約30min,得到混合均勻的衆(zhòng)料；步驟5 :將混合均勻的漿料刷涂于步驟2、3制備的內(nèi)涂層上，80°C (現(xiàn)場可采用紅外燈照射)左右經(jīng)10-12小時使其完全固化，從而獲得第一梯度玻璃涂層；第一梯度玻璃涂層的目的是在1000°C 1400°C左右形成液相提高基體的抗氧化性能。步驟6 :以硼硅玻璃粉添加100%的乙醇作為溶劑、添加20%的聚碳硅烷作為粘合齊U，球磨約30min,得到混合均勻的衆(zhòng)料；步驟7 :將混合均勻的漿料刷涂于步驟4、5制備的第一梯度玻璃涂層上，80°C (現(xiàn)場可采用紅外燈照射)左右經(jīng)10-12小時使其完全固化，即可得到第二梯度玻璃涂層；第二梯度玻璃涂層的目的是在700-800°C形成液相，提高基體在相應(yīng)溫度的抗氧化性能。對已制備的涂層試樣和無涂層試樣和進行氧化實驗，結(jié)果顯示在1300°C氧化60分鐘涂層試樣失重為4. 5%左右,而未加涂層的試樣失重為53. 7*%。實施例3 步驟I :對于待修補的碳纖維增韌碳化硅基復(fù)合材料采用清水進行超聲清洗30分鐘，然后置于100°c烘箱內(nèi)經(jīng)30分鐘烘干，待用；步驟2 :以硅粉添加100%的乙醇作為溶劑、添加20%的聚氮硅烷作為粘合劑，球磨約30min,得到混合均勻的衆(zhòng)料；步驟3 :將混合均勻的漿料刷涂于基材表面，120°C (現(xiàn)場可采用紅外燈照射)左右經(jīng)5-6小時使其固化，從而獲得內(nèi)涂層；內(nèi)涂層的目的是提高涂層與基體的粘結(jié)力。步驟4 :以BSAS粉添加100%的乙醇作為溶劑、添加20%的聚氮硅烷作為粘合劑，球磨約30min,得到混合均勻的衆(zhòng)料；步驟5 :將混合均勻的漿料刷涂于步驟2、3制備的內(nèi)涂層上，120°C(現(xiàn)場可采用紅外燈照射)左右經(jīng)5-6小時使其完全固化，從而獲得第一梯度玻璃涂層；第一梯度玻璃涂層的目的是在1000°C 1400°C左右形成液相提高基體的抗氧化性能。 步驟6 :以鉍玻璃粉添加100%的乙醇作為溶劑、添加20%的聚氮硅烷作為粘合齊U，球磨約30min,得到混合均勻的衆(zhòng)料；步驟7 :將混合均勻的漿料刷涂于步驟4、5制備的第一梯度玻璃涂層上，120°C(現(xiàn)場可采用紅外燈照射)左右經(jīng)5-6小時使其完全固化，即可得到第二梯度玻璃涂層；第二梯度玻璃涂層的目的是在700-800°C形成液相，提高基體在相應(yīng)溫度的抗氧化性能。對已制備的涂層試樣和無涂層試樣和進行氧化實驗，結(jié)果顯示在1300°C氧化60分鐘涂層試樣失重為4. 1%左右,而未加涂層的試樣失重為53. 7%。
權(quán)利要求
1.一種碳纖維增韌碳化硅基復(fù)合材料中溫1000 1400°C涂層的修補方法，其特征在于修補步驟如下 步驟I :將Si粉與有機硅烷粘合劑進行混合得到內(nèi)涂層的涂層漿料，然后將漿料刷涂于碳纖維增韌碳化硅基復(fù)合材料的受損涂層處，在40 120°C低溫下使其固化，獲得內(nèi)涂層；所述有機硅烷粘合劑Si粉的質(zhì)量比為I 3 4 7 ; 步驟2 :采用熔點為1000°C 1400°C的氧化物與有機硅烷粘合劑進行混合，得到第一梯度玻璃涂層的漿料，然后將此漿料刷涂于步驟I制備完成的內(nèi)涂層上，在40 120°C低溫下使其固化，獲得第一梯度玻璃涂層；所述有機硅烷粘合劑氧化物的質(zhì)量比為I 3 4 7 ; 步驟3 :采用軟化點為400°C 1000°C的低熔點玻璃粉與有機硅烷粘合劑進行混合，得到第二梯度玻璃涂層的漿料，將此漿料刷涂于第一梯度玻璃涂層上，在40 120°C低溫下使其固化，獲得第二梯度玻璃涂層；所述有機硅烷粘合劑低熔點玻璃粉的質(zhì)量比為I 3 4 7。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述碳纖維增韌碳化硅基復(fù)合材料中溫1000 1400°C涂層的修補方法，其特征在于所述步驟I、步驟2和步驟3中的固化采用紅外燈、紫外燈照射或者烘箱使其固化。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述碳纖維增韌碳化硅基復(fù)合材料中溫1000 1400°C涂層的修補方法，其特征在于所述熔點為1000°C 1400°C的氧化物為鋇鍶鋁硅BSAS或碳酸鹽、硫酸鹽、鋇、鋁、鎵五個系列的氧化物。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述碳纖維增韌碳化硅復(fù)合材料中溫1000 1400°C涂層的修補方法，其特征在于所述玻璃粉為鉍玻璃粉、鉛玻璃粉、釩玻璃粉、磷酸鹽玻璃粉或硼硅酸鹽玻璃粉。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述碳纖維增韌碳化硅基復(fù)合材料中溫1000 1400°C涂層的修補方法，其特征在于所述有機硅烷粘合劑為聚氮硅烷、聚硅氧烷、聚碳硅烷或聚硼氮硅烷。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種碳纖維增韌碳化硅基復(fù)合材料中溫1000～1400℃涂層的修補方法，該方法主要以硅粉、鋇鍶鋁硅(BSAS)、低熔點玻璃粉為原料，通過添加一定有機硅烷和溶劑，制備成均勻漿料涂覆于碳纖維增韌碳化硅基復(fù)合材料受損涂層的表面，經(jīng)低溫固化即可得到和基體結(jié)合良好且致密的涂層。該方法有效解決了碳纖維增韌碳化硅基復(fù)合材料涂層損傷在線修補問題。同時，本發(fā)明制備周期短，工藝簡單、可重復(fù)性好。制備的涂層體系經(jīng)驗證可有效提高復(fù)合材料在1000℃-1400℃溫度范圍內(nèi)的抗氧化性能。
文檔編號C04B41/89GK102746032SQ20121020825
公開日2012年10月24日 申請日期2012年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月25日
發(fā)明者張立同, 成來飛, 楊娟, 王一光 申請人:西北工業(yè)大學