專利名稱：炭/炭復(fù)合材料防氧化劑及熱處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于炭/炭復(fù)合材料防氧化涂層技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種炭/炭復(fù)合材料防氧化劑及熱處理方法。
背景技術(shù)：
炭材料在航空、航天、能源、化工、機(jī)械等眾多領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。在非氧化性氣氛中可以使用到2000°C以上，但炭材料在大氣中450°C以上就產(chǎn)生明顯的氧化，并且隨溫度升高氧化速度急劇增加。炭/炭復(fù)合材料屬于炭材料，是以炭纖維增強(qiáng)基體炭的一類最先進(jìn)的高溫用復(fù)合材料，主要用于飛機(jī)剎車及固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，近幾年來(lái)，由于太陽(yáng)能的快速發(fā)展，炭/炭復(fù)合材料也被廣泛地用于硅材料制備設(shè)備中的熱場(chǎng)材料。雖然炭/炭復(fù)合材料密度低，高溫力學(xué)性能優(yōu)異(與石墨材料相比，韌性有極大的改善)，但仍然有抗氧化性能較差的弱點(diǎn)。幾十年來(lái)，人們對(duì)炭/炭復(fù)合材料進(jìn)行了大量的研究，開發(fā)了許多防氧化技術(shù)，其中防氧化涂層技術(shù)是最主要的方法之一。磷酸鹽為主的防氧化涂層(專利U. S. Pat. No. 4，837，073)施工簡(jiǎn)單，可以有效地應(yīng)用于800°C以下。700°C下耐氧化時(shí)間10小時(shí)左右。隨著炭/炭復(fù)合材料剎車盤使用壽命的增加，該專利的防氧化效果仍需進(jìn)一步提高。中國(guó)專利公開號(hào)CN1544536A中介紹了一種以磷酸鹽為主的炭/炭復(fù)合材料防氧化涂層，其中硅10% -15%，硼10% -15%，磷酸鹽60% -70%，氧化鋁5% -10%，雖然該配方比較簡(jiǎn)單，但低溫及高溫防氧化效果不是太理想。另一類研究較多的是SiC涂層，經(jīng)常采用化學(xué)氣相沉積(CVD)法。在高溫下，由于 SiC與A反應(yīng)形成致密的SW2薄膜，因而有很好的防護(hù)效果。但這類高溫涂層由于膨脹系數(shù)與炭/炭復(fù)合材料膨脹系數(shù)的差異導(dǎo)致低溫下產(chǎn)生裂紋，因而不適合長(zhǎng)期應(yīng)用于中低溫環(huán)境，不適合用于飛機(jī)炭-炭復(fù)合材料剎車盤。為了改善防氧化涂層的性能，許多專利采用復(fù)合涂層的方式進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的氧化防護(hù)，通常底層以磷酸鹽為主，外層為含硼硅酸鹽，這樣耐溫有所提高，時(shí)間也得到延長(zhǎng)。但該類工藝處理周期長(zhǎng)。這類涂層中，許多原料有毒性，對(duì)施工人員及環(huán)境有不利影響。中國(guó)專利公開號(hào)CN1415669A中介紹了一種有預(yù)浸液(硼酸、磷酸及蒸餾水)和涂料(900#高溫粘結(jié)劑及SiC、硼與硼化物、硅粉、三氧化鋁粉、蒸餾水)的復(fù)合防氧化涂層， 其中硼酸需要在加熱狀態(tài)下溶解，或者在酒精中溶解，粘結(jié)劑及稀釋劑通常有毒性。中國(guó)專利公開號(hào)CN100410212C，一種炭/炭復(fù)合材料防氧化涂層，也是一種復(fù)合涂層，主要成分為 Al (OH)3, Zn3(PO4)2 · 4H20, Na2B4O7 · IOH2O, SiO2, B等，經(jīng)過兩次處理后得到的炭/炭復(fù)合材料防氧化涂層，有較好的抗氧化效果，環(huán)保性好。這類復(fù)合涂層需要涂刷兩次，熱處理兩次， 生產(chǎn)周期長(zhǎng)，提高了生產(chǎn)成本
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種生產(chǎn)周期短、生產(chǎn)成本低，并且低溫及高溫防氧化效果好，無(wú)毒的炭/炭復(fù)合材料防氧化劑及熱處理方法。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是，防氧化劑涂料按重量百分比為:25-35%SiO2,15-25% TiO2,8-20% SiC, 10-20% B4C, 5-15% NaAlO2, 5-15% Al (OH)3,1-3%十六烷基三甲基氯化銨組成，其中Al(OH)3以 7mL/g的比例溶解于H3PO4中，NaAW2以4mL/g的比例溶解于水中，十六烷基三甲基氯化銨以5mL/g的比例溶解于水中，將Si02、TiO2, SiC、B4C粉末加入溶有Al (OH)3的磷酸溶液中，為便于涂刷，加水稀釋，水與磷酸溶液的體積比為20-100 100，攪拌均勻，然后加入 NaAlO2溶液充分?jǐn)嚢?，最后加入十六烷基三甲基氯化銨水溶液，充分?jǐn)嚢枋蛊渚鶆蚧旌?；將表面涂有防氧化劑涂料的?炭復(fù)合材料放入真空或保護(hù)氣氛中，加熱處理，處理溫度為 5500C _800°C，保溫時(shí)間1-4小時(shí)。涂料成分按重量百分比為30%SiO2,18% TiO2,15% SiC, 15% B4C, 10% NaAlO2, 10 % Al (OH) 3，2 %十六烷基三甲基氯化銨組成，其中Al (OH) 3以7mL/g的比例溶解于H3PO4 中，NaAW2以4mL/g的比例溶解于水中，十六烷基三甲基氯化銨以5mL/g的比例溶解于水中，將SiO2、TiO2、SiC、B4C粉末加入溶有Al (OH) 3的磷酸溶液中，為便于涂刷，加入5mL水稀釋，攪拌均勻，然后加入NaAW2溶液充分?jǐn)嚢?，最后加入十六烷基三甲基氯化銨水溶液，充分?jǐn)嚢枋蛊渚鶆蚧旌希辉谔?炭復(fù)合材料表層涂刷防氧化劑涂料后，在氮?dú)獗Ｗo(hù)氣氛中，加熱處理，處理溫度為700°C，保溫時(shí)間2小時(shí)。本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)和有益效果，本發(fā)明采用的NaAW2水溶液呈堿性與磷酸溶液在室溫下發(fā)生反應(yīng)；在熱處理?xiàng)l件下，防氧化劑中的混合組分進(jìn)一步反應(yīng)。十六烷基三甲基氯化銨為陽(yáng)離子表面活性劑，可以在涂刷過程中增加涂料在炭/炭復(fù)合材料表面的潤(rùn)濕性， 不易產(chǎn)生漏涂。本發(fā)明涂層僅需一次涂刷，一次熱處理，700°C大氣中可耐氧化30小時(shí)。該防氧化劑配方無(wú)毒，環(huán)保，節(jié)省能源及人力資源，而且防氧化性能優(yōu)異，不僅保證了材料的環(huán)保性，也縮短了生產(chǎn)周期，降低了生產(chǎn)成本。
具體實(shí)施例方式防氧化劑涂料按重量百分比為:25-35%SiO2,15-25% TiO2,8-20% SiC, 10-20% B4C, 5-15% NaAlO2, 5-15% Al (OH)3,1-3%十六烷基三甲基氯化銨組成，其中Al(OH)3以 7mL/g的比例溶解于H3PO4中，NaAW2以4mL/g的比例溶解于水中，十六烷基三甲基氯化銨以 5mL/g的比例溶解于水中，將Si02、Ti02、SiC、B4C粉末加入溶有Al (OH) 3的磷酸溶液中，為便于涂刷，加水稀釋，水與磷酸的體積比為20-100 100，攪拌均勻，然后加入NaAlO2溶液充分?jǐn)嚢瑁詈蠹尤胧榛谆然@水溶液，充分?jǐn)嚢枋蛊渚鶆蚧旌?；將表面涂有防氧化劑涂料的?炭復(fù)合材料放入真空或保護(hù)氣氛中，加熱處理，處理溫度為550°C -800°C, 保溫時(shí)間1-4小時(shí)。實(shí)施例一配制防氧化劑的過程如下(1)將3g Al (OH) 3在加熱情況下溶解在21mL H3PO4中。(2)在(1)配制的溶液中加入8g SiO2,4g B4C, 4g SiC，5g TiO2,并加入5mL水，經(jīng)攪拌混合均勻。(3)將3g NaAlO2溶解在12mL水中，然后加入O)中的混合液中，充分?jǐn)嚢杈鶆颉?br> (4)將0. 5g十六烷基三甲基氯化銨溶解于2. 5mL水中，加入(3)中的混合液中經(jīng)攪拌均勻即可。將配制好的防氧化劑涂刷在炭/炭復(fù)合材料樣品(IOmmX IOmmX 15mm)的表面。在氮?dú)獗Ｗo(hù)的情況下，加熱至700°C，保溫2小時(shí)。經(jīng)防氧化處理的炭/炭復(fù)合材料樣品冷卻至室溫稱重后，在700°C馬弗爐中，大氣情況下，測(cè)試30小時(shí)，氧化失重結(jié)果為0. 3%。實(shí)施例二配制防氧化劑的過程如下(1)將1. 5g Al (OH) 3在加熱情況下溶解在10. 5mL H3PO4中。(2)在(1)配制的溶液中加入 6g SiO2, 3. 5g B4C, 5g SiC，6g TiO2,并加入 IOmL水， 經(jīng)攪拌混合均勻。(3)將1. 5g NaAlO2溶解在6mL水中，然后加入(2)中的混合液中，充分?jǐn)嚢杈鶆颉?4)將0.25g十六烷基三甲基氯化銨溶解于1.25mL水中，加入(3)中的混合液中經(jīng)攪拌均勻即可。將配制好的防氧化劑涂刷在炭/炭復(fù)合材料樣品(IOmmX IOmmX 15mm)的表面。在氮?dú)獗Ｗo(hù)的情況下，加熱至550°C，保溫4小時(shí)。經(jīng)防氧化處理的炭/炭復(fù)合材料樣品冷卻至室溫稱重后，在700°C馬弗爐中，大氣情況下，測(cè)試30小時(shí)，氧化失重結(jié)果為1. 0%。實(shí)施例三配制防氧化劑的過程如下(1)將6g Al (OH) 3在加熱情況下溶解在42mL H3PO4中。(2)在(1)配制的溶液中加入 12g SiO2,6g B4C, 5g SiC，7g TiO2,并加入 IOmL 水，
經(jīng)攪拌混合均勻。(3)將6g NaAlO2溶解在24mL水中，然后加入O)中的混合液中，充分?jǐn)嚢杈鶆颉?4)將Ig十六烷基三甲基氯化銨溶解于5mL水中，加入(3)中的混合液中經(jīng)攪拌均勻即可。將配制好的防氧化劑涂刷在炭/炭復(fù)合材料樣品(IOmmX IOmmX 15mm)的表面。在氮?dú)獗Ｗo(hù)的情況下，加熱至800°C，保溫1小時(shí)。經(jīng)防氧化處理的炭/炭復(fù)合材料樣品冷卻至室溫稱重后，在700°C馬弗爐中，大氣情況下，測(cè)試30小時(shí)，氧化失重結(jié)果為0. 8%。
權(quán)利要求
1.炭/炭復(fù)合材料防氧化劑及熱處理方法，其特征在于防氧化劑涂料按重量百分比為:25-35 % SiO2,15-25 % TiO2,8-20 % SiC, 10-20 % B4C, 5-15 % NaAlO2, 5-15 % Al (OH) 3， 1-3%十六烷基三甲基氯化銨組成，其中Al(OH)3以7mL/g的比例溶解于H3PO4中，NaAW2 以4mL/g的比例溶解于水中，十六烷基三甲基氯化銨以5mL/g的比例溶解于水中，將Si02、 Ti02、SiC、B4C粉末加入溶有Al (OH) 3的磷酸溶液中，再加水稀釋，水與磷酸溶液的體積比為 20-100 100，攪拌均勻，然后加入NaAlO2溶液充分?jǐn)嚢瑁詈蠹尤胧榛谆然@水溶液，充分?jǐn)嚢枋蛊渚鶆蚧旌?；將表面涂有防氧化劑涂料的?炭復(fù)合材料放入真空或保護(hù)氣氛中，加熱處理，處理溫度為550°C _800°C，保溫時(shí)間1-4小時(shí)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的炭/炭復(fù)合材料防氧化劑及熱處理方法，其特征在于涂料成分按重量百分比為30% SiO2,18% TiO2,15% SiC, 15% B4C, 10% NaAlO2,10% Al(OH)3, 2%十六烷基三甲基氯化銨組成，其中Al(OH)3以7mL/g的比例溶解于H3PO4中，NaAW2以 4mL/g的比例溶解于水中，十六烷基三甲基氯化銨以5mL/g的比例溶解于水中，將Si02、 TiO2, SiC、B4C粉末加入溶有Al (OH)3的磷酸溶液中，加入5mL水稀釋，攪拌均勻，然后加入 NaAlO2溶液充分?jǐn)嚢瑁詈蠹尤胧榛谆然@水溶液，充分?jǐn)嚢枋蛊渚鶆蚧旌? 在炭/炭復(fù)合材料表層涂刷防氧化劑涂料后，在氮?dú)獗Ｗo(hù)氣氛中，加熱處理，處理溫度為 700°C，保溫時(shí)間2小時(shí)。
全文摘要
本發(fā)明屬于炭/炭復(fù)合材料防氧化涂層技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種炭/炭復(fù)合材料防氧化劑及處理方法。本發(fā)明防氧化劑由(重量百分比)25-35％SiO2，15-25％TiO2，8-20％SiC，10-20％B4C，5-15％NaAlO2，5-15％Al(OH)3(Al(OH)3以7mL/g的比例溶解于H3PO4中)，1-3％十六烷基三甲基氯化銨組成，將上述防氧化劑涂刷在炭/炭復(fù)合材料表面，經(jīng)550℃-800℃保護(hù)氣氛加熱處理后，防氧化涂層與炭/炭復(fù)合材料基體結(jié)合牢固，防氧化效果好，尤其適合于飛機(jī)炭/炭復(fù)合材料剎車盤非摩擦表面的防氧化處理。
文檔編號(hào)C09D7/12GK102492318SQ201110362339
公開日2012年6月13日 申請(qǐng)日期2011年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月15日
發(fā)明者吳鳳秋, 張保法 申請(qǐng)人:北京百慕航材高科技股份有限公司