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CN105623506A - 陶瓷基复合涂层及其制备方法 - Google Patents

陶瓷基复合涂层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种陶瓷基复合涂层，以含炔基树脂、聚硼硅氮烷和/或聚硅氮烷树脂、纳填料为主要原料，以适当的有机溶剂稀释，经过研磨和分散，涂覆或浸渍在C/C材料上，然后进行固化交联、高温裂解后，形成耐高温陶瓷基复合涂层，上述涂层因为前驱体中含有炔基，不但可以降低固化交联的温度，而且在高温裂解过程中可以形成更过自由碳，有助于形成难溶金属碳化物和SiC，碳化物的形成可以碳化物的形成可以增强该陶瓷基复合涂层与碳材料的界面结合能力，同时还能发挥硅碳氮或硅硼碳氮高温陶瓷和金属碳化物材料的双重抗高温优势，增加基材在高温、冲蚀等恶劣环境中的使用寿命，这种涂层可用于解决防热烧蚀材料表面抗氧化的问题。

Description

陶瓷基复合涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及功能材料技术领域，特别涉及一种陶瓷基复合涂层及其制备方法。
背景技术
近年来，随着航天技术的发展，空间力量已经成为21世纪实施国家安全与军事战略的主要依靠力量。航天飞行器再人大气过程中，由于强烈的气动加热，飞行器的头锥和机翼前缘的温度可高达1650℃，热防护系统是航天飞行器的4大关键技术之一。碳/碳(C/C)复合材料是碳纤维增强碳基体的复合材料,具有高强高模、比重轻、热膨胀系数小、高烧蚀热、低的烧蚀率、抗热冲击、超热环境下具有高强度、抗腐蚀、耐摩擦性能好、化学稳定性好等一系列优异性能，是一种新型的超高温复合材料。可耐受10000℃的驻点温度，在非氧化环境下可保持在2000℃以上。是再入环境中高性能的理想烧蚀材料。
C/C复合材料具有强烈的氧化敏感性，常温下不与氧作用，开始氧化温度为400℃，高于600℃会严重氧化，而且氧化速率随着温度升高迅速增大。抗氧化涂层是提高C/C复合材料的抗氧化性能最主要和最有效的手段。抗氧化涂层，其实就是把材料与外界环境中的氧气隔离开来，因此，必须发展C/C复合材料的保护体系以阻止氧通过裂纹和开气孔向碳纤维的扩散。
涂层的主要工艺有CVD法、溶胶凝胶法等。由于涂层与C/C复合材料热物理性能的差异，产生的热应力必然会引起涂层的开裂和脱落，涂层的毁坏可能导致碳纤维暴露于燃气环境下，碳纤维的氧化将造成构件的失效，严重影响材料的正常使用。
发明内容
基于此，有必要提供一种稳定性高的陶瓷基复合涂层。
此外，还提供一种陶瓷基复合涂层的制备方法。
一种陶瓷基复合涂层，包括如下质量分数的组份：
含炔基树脂：1％-99％；
聚硼硅氮烷树脂和/或聚硅氮烷树脂：1％-99％；
填料：1％-99％；
所述含炔基树脂、所述聚硼硅氮烷和/或聚硅氮烷树脂、所述填料的质量总和为100％。
在一些实施例中，所述炔基树脂包括芳基乙炔树脂、乙炔基封端的聚酰亚胺树脂、含硅芳炔树脂、端炔基聚砜树脂、端炔基苯并吡啶树脂、乙炔基苯并噁嗪树脂、炔丙基酚醛树脂中的至少一种。
在一些实施例中，所述聚硼硅氮烷是含有B元素的以-Si-N-为重复单元的聚合物,所述聚合物包括含硼氮六元环的聚硅硼氮烷及以-Si-N--B-N-Si-N-重复结构单元的聚硼硅氮烷,其中,R1、R2、R3、R4、R5为H、烃基、硅烃基、含杂原子烃基或卤素等，x、y、z为非0自然数。
在一些实施例中，所述聚硅氮烷是一种含-Si-N-重复单元的聚合物，其中R1、R2、R3为H、烃基、硅烃基、含杂原子烃基或卤素，x、y、z为非0自然数。
一些实施例中，所述填料为难熔金属Hf或Zr的氧化物、碳化物，包括HfO2、ZrO2、HfC、ZrC。
在一些实施例中，所述填料的粒径在50-500nm之间。
在一些实施例中，所述填料的粒径在100-300nm之间
本发明还提供了一种陶瓷基复合涂层的制备方法，包括下述步骤：
步骤S10：按质量比为(1％-99％)：(1％-99％)：(1％-99％)将含炔基树脂、聚硼硅氮烷和/或聚硅氮烷树脂、填料混合均匀，其中，所述含炔基树脂、所述聚硼硅氮烷和/或聚硅氮烷树脂、所述填料的质量总和为100％；
步骤S20：在上述混合物中添加有机溶剂稀释，经研磨、分散后，涂覆或浸渍在碳纤维上；
步骤S30：经步骤S20后得到的产物，于100℃-400℃进行固化交联，再在惰性气氛中，于900℃-1800℃进行高温裂解，形成耐高温的所述陶瓷基复合涂层。
在一些实施例中，所述溶剂为甲苯、二甲苯、正己烷、环己烷、正庚烷中的至少一种。
在一些实施例中，所述固化的温度为150℃-350℃，所述惰性气氛为N2或Ar，所述高温裂解的升温速度为5-10℃/min。
上述陶瓷基复合涂层，以含炔基树脂、聚硼硅氮烷和/或聚硅氮烷树脂、纳填料为主要前驱体，以适当的有机溶剂稀释，经过研磨和分散，涂覆或浸渍在C/C材料上，然后进行固化交联、高温裂解后，形成耐高温陶瓷基复合涂层，上述涂层因为前驱体中含有炔基，不但可以降低固化交联的温度，而且在高温裂解过程中可以形成更过自由碳，有助于形成难溶金属碳化物和SiC，碳化物的形成可以增强该陶瓷基复合涂层与碳材料的界面结合能力，同时还能发挥硅碳氮或硅硼碳氮高温陶瓷和金属碳化物材料的双重抗高温优势，增加基材在高温、冲蚀等恶劣环境中的使用寿命，这种涂层可用于解决防热烧蚀材料表面抗氧化的问题。
附图说明
图1为一实施方式的陶瓷基复合涂层的制备方法的步骤流程图。
具体实施方式
下面主要结合附图及具体实施例对陶瓷基复合涂层及其制备方法作进一步详细的说明。
本发明提供的陶瓷基复合涂层，包括如下质量分数的组份：
含炔基树脂：1％-99％；
聚硼硅氮烷树脂和/或聚硅氮烷树脂：1％-99％；
填料：1％-99％；
所述含炔基树脂、所述聚硼硅氮烷和/或聚硅氮烷树脂、所述填料的质量总和为100％。
可以了解，由于本发明采用了炔基树脂制备的耐高温陶瓷基复合涂层，含有的炔基不仅可以实现在更低温度下的固化交联，而且形成的涂层具有更好的柔韧性。
优选地，所述炔基树脂包括芳基乙炔树脂、乙炔基封端的聚酰亚胺树脂、含硅芳炔树脂、端炔基聚砜树脂、端炔基苯并吡啶树脂、乙炔基苯并噁嗪树脂、炔丙基酚醛树脂中的至少一种。
优选地，所述聚硼硅氮烷是含有B元素的以-Si-N-为重复单元的聚合物。
所述聚合物包括含硼氮六元环的聚硅硼氮烷及以-Si-N--B-N-Si-N-重复结构单元的聚硼硅氮烷,其中,R1、R2、R3、R4、R5为H、烃基、硅烃基、含杂原子烃基或卤素，x、y、z为非0自然数。
优选地，所述聚硅氮烷是一种含-Si-N-重复单元的聚合物,所述聚硅氮烷是一种含-Si-N-重复单元的聚合物，其中R1、R2、R3为H、烃基、硅烃基、含杂原子烃基或卤素,x、y、z为非0自然数。
优选地，所述填料为熔金属Hf或Zr的氧化物、碳化物，包括HfO2、ZrO2、HfC、ZrC。
优选地，所述填料的粒径在50-500nm之间，进一步地，所述填料的粒径在100-300nm之间。
如图1所示，一实施方式的陶瓷基复合涂层的制备方法，包括下述步骤：
步骤S10：按质量比为(1％-99％)：(1％-99％)：(1％-99％)将含炔基树脂、聚硼硅氮烷和/或聚硅氮烷树脂、填料混合均匀，其中，所述含炔基树脂、所述聚硼硅氮烷和/或聚硅氮烷树脂、所述填料的质量总和为100％；
步骤S20：在上述混合物中添加有机溶剂稀释，经研磨、分散后，涂覆或浸渍在碳纤维上；
优选地，所述溶剂为甲苯、二甲苯、正己烷、环己烷、正庚烷中的至少一种。
步骤S30：经步骤S20后得到的产物，于100℃-400℃进行固化交联，再在惰性气氛中，于900℃-1800℃进行高温裂解，形成耐高温的所述陶瓷基复合涂层。
实验证明，当炔基含量较大时，在不同温度下，可形成不同难熔金属化合物结构的涂层，在1200℃时，难溶金属化合物Hf或Zr主要以氧化物的形式存在；大于1400℃，慢慢形成金属碳化物、SiC和SiBCN或SiCN多相陶瓷基涂层,多相陶瓷更有利于提高涂层的耐温值。
优选地，所述固化的温度为150℃-350℃，所述惰性气氛为N2或Ar，所述高温裂解的升温速度为5-10℃/min。
上述陶瓷基复合涂层，以含炔基树脂、聚硼硅氮烷和/或聚硅氮烷树脂、纳填料为主要前驱体，以适当的有机溶剂稀释，经过研磨和分散，涂覆或浸渍在C/C材料上，然后进行固化交联、高温裂解后，形成耐高温陶瓷基复合涂层，上述涂层因为前驱体中含有炔基，不但可以降低固化交联的温度，而且在高温裂解过程中可以形成更过自由碳，有助于形成难溶金属碳化物和SiC的生成，碳化物的形成可以增强该陶瓷基复合涂层与碳材料的界面结合能力，同时还能发挥硅碳氮或硅硼碳氮高温陶瓷和金属碳化物-SiC复合材料的双重优势，增加基材在高温、冲蚀等恶劣环境中的使用寿命，这种涂层可用于提高防热烧蚀材料表面抗氧化的问题。
以下为具体实施例部分：
实施例1
聚硅氮烷12g(44％)加入一定量甲苯稀释，炔丙基酚醛树脂12g(44％)加入一定量甲苯稀释，混合均匀，然后加入事先研磨好150nm的ZrO2粉末3g(12％)，混合搅拌分散均匀，取一定量的碳纤维浸渍在混合液中，取出烘箱中150℃固化2h，于Ar气氛中，1300℃(升温速度为10℃/min)热解2h，XRD分析热解产物，发现产物中有SiBNC、ZrO2(t,m)和自由C生成。
实施例2
聚硅氮烷15g(75％)加入一定量二甲苯稀释，芳基乙炔树脂3g(15％)加入一定量甲苯稀释，混合均匀，然后加入事先研磨好200nm的ZrC粉末2g(10％)，混合搅拌分散均匀，取一定量的碳纤维浸渍在混合液中，取出烘箱中200℃固化1.5h，A于Ar气氛中，900℃(升温速度为5℃/min)热解2h，分析热解产物，除了ZrC之外，还有SiNC和自由C生成。
实施例3
聚硼硅氮烷3g(11％)加入一定量正己烷稀释，端炔基苯并吡啶树脂16g(59％)加入一定量甲苯稀释，混合均匀，然后加入事先研磨好250nm的氧化铪粉末8g(30％)，混合搅拌分散均匀，取一定量的碳纤维浸渍在混合液中，取出烘箱中250℃固化1h，Ar保护，1700℃(升温速度为8℃/min)摄氏度热解2h，分析热解产物，发现有HfC和少量SiBNC等耐高温相存在。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种陶瓷基复合涂层，其特征在于，包括如下质量分数的组份：
含炔基树脂：1％-99％；
聚硼硅氮烷树脂和/或聚硅氮烷树脂：1％-99％；
填料：1％-99％；
所述含炔基树脂、所述聚硼硅氮烷和/或聚硅氮烷树脂、所述填料的质量总和为100％。
2.根据权利要求1所述的陶瓷基复合涂层，其特征在于，所述炔基树脂包括芳基乙炔树脂、乙炔基封端的聚酰亚胺树脂、含硅芳炔树脂、端炔基聚砜树脂、端炔基苯并吡啶树脂、乙炔基苯并噁嗪树脂、炔丙基酚醛树脂中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的陶瓷基复合涂层，其特征在于，所述聚硼硅氮烷是含有B元素的以-Si-N-为重复单元的聚合物，所述聚合物包括含硼氮六元环的聚硅硼氮烷及以-Si-N--B-N-Si-N-重复结构单元的聚硼硅氮烷，其中，R1、R2、R3、R4、R5为H、烃基、硅烃基、含杂原子烃基或卤素；x、y、z为非0自然数
4.根据权利要求1所述的陶瓷基复合涂层，其特征在于，所述聚硅氮烷是一种含-Si-N-重复单元的聚合物，其中R1、R2、R3为H、烃基、硅烃基、含杂原子烃基或卤素；x、y、z为非0自然数
5.根据权利要求1所述的陶瓷基复合涂层，其特征在于，所述填料难熔金属Hf或Zr的氧化物、碳化物，包括HfO2、ZrO2、HfC、ZrC。
6.根据权利要求5所述的陶瓷基复合涂层，其特征在于，所述填料的粒径在50-500nm之间。
7.根据权利要求6所述的陶瓷基复合涂层，其特征在于，所述填料的粒径在100-300nm之间。
8.一种根据权利要求1所述的陶瓷基复合涂层的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：
步骤S10：按质量比为(1％-99％)：(1％-99％)：(1％-99％)将含炔基树脂、聚硼硅氮烷和/或聚硅氮烷树脂、填料混合均匀，其中，所述含炔基树脂、所述聚硼硅氮烷和/或聚硅氮烷树脂、所述填料的质量总和为100％；
步骤S20：在上述混合物中添加有机溶剂稀释，经研磨、分散后，涂覆或浸渍碳纤维上；
步骤S30：经步骤S20后得到的产物，于100℃-400℃进行固化交联，再在惰性气氛中，于900℃-1800℃进行高温裂解，形成耐高温的所述陶瓷基复合涂层。
9.根据权利要求8所述的陶瓷基复合涂层的制备方法，其特征在于，所述溶剂为甲苯、二甲苯、正己烷、环己烷、正庚烷中的至少一种。
10.根据权利要求8所述的陶瓷基复合涂层的制备方法，其特征在于，所述固化的温度为150℃-350℃，所述惰性气氛为N2或Ar，所述高温裂解的升温速度为5-10℃/min。
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