一种碳纤维增韧碳化硅基复合材料中温1000～1400℃涂层的修补方法

摘要

本发明涉及一种碳纤维增韧碳化硅基复合材料中温1000～1400℃涂层的修补方法，该方法主要以硅粉、钡锶铝硅（BSAS）、低熔点玻璃粉为原料，通过添加一定有机硅烷和溶剂，制备成均匀浆料涂覆于碳纤维增韧碳化硅基复合材料受损涂层的表面，经低温固化即可得到和基体结合良好且致密的涂层。该方法有效解决了碳纤维增韧碳化硅基复合材料涂层损伤在线修补问题。同时，本发明制备周期短，工艺简单、可重复性好。制备的涂层体系经验证可有效提高复合材料在1000℃-1400℃温度范围内的抗氧化性能。

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳纤维增韧碳化硅基复合材料中温涂层的修补方法，涉及一种碳 纤维增韧碳化硅基复合材料中温涂层（1000-1400℃）在线修补方法。

背景技术

连续碳纤维增韧碳化硅基复合材料具有类似金属的断裂行为，对裂纹不敏感，不 会发生灾难性破坏。其耐高温和低密度特性，使其成为发展先进航空发动机、火箭发 动机和空天飞行器防热结构的关键材料。在航空发动机应用方面，如法国SNECMA 公司生产的M88-2和M53-2发动机上的喷嘴和尾气调节片采用了C/SiC材料。在超高 声速飞行器上C/SiC材料主要用于大面积热防护系统，比金属TPS减重50％，可减少 发射准备程序，减少维护，提高使用寿命和降低成本。C/SiC材料用作超高声速飞行器 高温大面积防热系统，已经在X系列空天飞行器上试飞成功，成为继C/C之后的新 一代防热材料。

C/SiC复合材料在应用中存在的一个主要问题就是高温下抗氧化性能较差。这一 方面是由于SiC基体与纤维之间的热膨胀系数（CTE）不匹配，SiC基体上存在许多 微小裂纹。在C/SiC复合材料的使用过程中，这些微小裂纹会成为氧气腐蚀碳纤维的 流动通道。另一方面，C/SiC复合材料的抗氧化性能差是由于材料的致密度较低。因 此，必须发展C/SiC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。

现阶段解决的主要方法是对C/SiC材料表面进行抗氧化涂层处理，涂层的主要工 艺有CVD法、溶胶-凝胶法，聚合物裂解法等。这些方法所制备的涂层都能在一定程 度上很好的保护基体。但是存在的问题是C/SiC复合材料在加工和装备过程中会造成 表面涂层有一定破坏，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。重新制备涂层不仅周期较长，而且耗 资巨大，为了解决这一问题，研究涂层修补技术成为一个热点。但是对于中温 （1000-1400℃）使用区域的涂层在线修补技术却鲜有报道。

目前的涂层制备技术较多，但均不能进行在线修补，比如CVD法，对制备涂层 的设备要求较高，这就限制了其在线修补行为。本发明主要通过对涂层进行合理的结 构设计，结合简单的涂刷法工艺来实现C/SiC复合材料中温涂层（1000-1400℃）的在 线修补。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种C/SiC复合材料中温涂层（1000-1400℃） 在线修补的方法。

一种碳纤维增韧碳化硅基复合材料中温1000～1400℃涂层的修补方法，其特征在 于修补步骤如下：

步骤1：将Si粉与有机硅烷粘合剂进行混合得到内涂层的涂层浆料，然后将浆料 刷涂于碳纤维增韧碳化硅基复合材料的受损涂层处，在40～120℃低温下使其固化， 获得内涂层；所述有机硅烷粘合剂︰Si粉的质量比为1～3∶4～7；

步骤2：采用熔点为1000℃～1400℃的氧化物与有机硅烷粘合剂进行混合，得 到第一梯度玻璃涂层的浆料，然后将此浆料刷涂于步骤1制备完成的内涂层上，在 40～120℃低温下使其固化，获得第一梯度玻璃涂层；所述有机硅烷粘合剂︰氧化物 的质量比为1～3∶4～7；

步骤3：采用软化点为400℃～1000℃的低熔点玻璃粉与有机硅烷粘合剂进行混合， 得到第二梯度玻璃涂层的浆料，将此浆料刷涂于第一梯度玻璃涂层上，在40～120℃低 温下使其固化，获得第二梯度玻璃涂层；所述有机硅烷粘合剂︰低熔点玻璃粉的质量 比为1～3∶4～7。

所述步骤1、步骤2和步骤3中的固化采用红外灯、紫外灯照射或者烘箱使其固 化。

所述熔点为1000℃～1400℃的氧化物为：钡锶铝硅BSAS或碳酸盐、硫酸盐、钡、 铝、镓五个系列的氧化物。

所述玻璃粉为：铋玻璃粉、铅玻璃粉、钒玻璃粉、磷酸盐玻璃粉或硼硅酸盐玻璃 粉。

所述有机硅烷粘合剂为：聚氮硅烷、聚硅氧烷、聚碳硅烷或聚硼氮硅烷。

本发明一种碳纤维增韧碳化硅基复合材料中温涂层（1000-1400℃）修补方法，基 于合理的涂层结构设计，各层涂层相互配合，达到相应温度的使用要求。在涂层体系 中内层硅涂层主要是为了提高涂层与基体的结合力，梯度玻璃涂层主要是可以在相应 温度下形成液相，一方面对基体的裂纹及孔洞进行封填，另一方面可进行涂层的自愈 合。该技术可有效提高C/SiC复合材料部件的使用寿命，降低材料的使用成本。

本发明的优点在于：

（1）该方法制备工艺简单，只需简单的涂刷即可制备完成，无需复杂的热处理工 艺：（2）该方法对制备设备要求低，基本无需精密的设备；（3）该方法制备周期短： （4）该方法成本低：（5）该方法提供了一种C/SiC复合材料中温涂层（1000-1400℃） 在线修补技术。（6）该方法可根据不同的使用温度（1000-1400℃）要求，进行相应的 结构调整以适应修补需求。

附图说明

图1：实施例1涂层试样在1300℃，空气中氧化60分钟后涂层表面SEM图；

图2：实施例1涂层试样在1300℃，空气中氧化60分钟后涂层断面SEM图；

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

实施例1：

步骤1：对于待修补的碳纤维增韧碳化硅基复合材料采用清水进行超声清洗30分 钟，然后置于100℃烘箱内经30分钟烘干，待用；

步骤2：以硅粉添加100％的乙醇作为溶剂、添加20％的聚氮硅烷作为粘合剂，球 磨约30min，得到混合均匀的浆料；

步骤3：将混合均匀的浆料刷涂于基材表面，120℃（现场可采用红外灯照射）左 右经5-6小时使其固化，从而获得内涂层；内涂层的目的是提高涂层与基体的粘结力。

步骤4：以BSAS粉添加100％的乙醇作为溶剂、添加20％的聚氮硅烷作为粘合剂， 球磨约30min，得到混合均匀的浆料；

步骤5：将混合均匀的浆料刷涂于步骤2、3制备的内涂层上，120℃（现场可采 用红外灯照射）左右经5-6小时使其完全固化，从而获得第一梯度玻璃涂层；第一梯 度玻璃涂层的目的是在1000℃～1400℃左右形成液相提高基体的抗氧化性能。

步骤6：以硼硅玻璃粉添加100％的乙醇作为溶剂、添加20％的聚氮硅烷作为粘合 剂，球磨约30min，得到混合均匀的浆料；

步骤7：将混合均匀的浆料刷涂于步骤4、5制备的第一梯度玻璃涂层上，120℃（现 场可采用红外灯照射）左右经5-6小时使其完全固化，即可得到第二梯度玻璃涂层； 第二梯度玻璃涂层的目的是在700-800℃形成液相，提高基体在相应温度的抗氧化性 能。

对已制备的涂层试样和无涂层试样和进行氧化实验，结果显示在1300℃保温60 分钟涂层试样失重仅约3．6％，而未加涂层的试样失重为53．7％。结合涂层试样的表面 微观形貌图，可以看出涂层表面非常的光滑致密，但却存在一些微裂纹，不过这些微 裂纹在高温下是可以自动愈合的；结合涂层断面微观形貌图可以看出内涂层与基体结 合非常紧密，经过氧化后第一和第二梯度玻璃涂层已经熔为一层，即形成了外涂层。 观察外涂层，可以看出涂层非常致密，几乎没有缺陷。由此显示了该方案对基体可起 到很好的防氧化作用。

实施例2：

步骤1：对于待修补的碳纤维增韧碳化硅基复合材料采用清水进行超声清洗30分 钟，然后置于100℃烘箱内经30分钟烘干，待用；

步骤2：以硅粉添加100％的乙醇作为溶剂、添加20％的聚碳硅烷作为粘合剂，球 磨约30min，得到混合均匀的浆料；

步骤3：将混合均匀的浆料刷涂于基材表面，80℃（现场可采用红外灯照射）左 右经10-12小时使其固化，从而获得内涂层；内涂层的目的是提高涂层与基体的粘结 力。

步骤4：以BSAS粉添加100％的乙醇作为溶剂、添加20％的聚碳硅烷作为粘合剂， 球磨约30min，得到混合均匀的浆料；

步骤5：将混合均匀的浆料刷涂于步骤2、3制备的内涂层上，80℃（现场可采用 红外灯照射）左右经10-12小时使其完全固化，从而获得第一梯度玻璃涂层；第一梯 度玻璃涂层的目的是在1000℃～1400℃左右形成液相提高基体的抗氧化性能。

步骤6：以硼硅玻璃粉添加100％的乙醇作为溶剂、添加20％的聚碳硅烷作为粘合 剂，球磨约30min，得到混合均匀的浆料；

步骤7：将混合均匀的浆料刷涂于步骤4、5制备的第一梯度玻璃涂层上，80℃（现 场可采用红外灯照射）左右经10-12小时使其完全固化，即可得到第二梯度玻璃涂层； 第二梯度玻璃涂层的目的是在700-800℃形成液相，提高基体在相应温度的抗氧化性 能。

对已制备的涂层试样和无涂层试样和进行氧化实验，结果显示在1300℃氧化60 分钟涂层试样失重为4．5％左右，而未加涂层的试样失重为53．7％。

实施例3：

步骤1：对于待修补的碳纤维增韧碳化硅基复合材料采用清水进行超声清洗30分 钟，然后置于100℃烘箱内经30分钟烘干，待用；

步骤2：以硅粉添加100％的乙醇作为溶剂、添加20％的聚氮硅烷作为粘合剂，球 磨约30min，得到混合均匀的浆料；

步骤3：将混合均匀的浆料刷涂于基材表面，120℃（现场可采用红外灯照射）左 右经5-6小时使其固化，从而获得内涂层；内涂层的目的是提高涂层与基体的粘结力。

步骤4：以BSAS粉添加100％的乙醇作为溶剂、添加20％的聚氮硅烷作为粘合剂， 球磨约30min，得到混合均匀的浆料；

步骤5：将混合均匀的浆料刷涂于步骤2、3制备的内涂层上，120℃（现场可采 用红外灯照射）左右经5-6小时使其完全固化，从而获得第一梯度玻璃涂层；第一梯 度玻璃涂层的目的是在1000℃～1400℃左右形成液相提高基体的抗氧化性能。

步骤6：以铋玻璃粉添加100％的乙醇作为溶剂、添加20％的聚氮硅烷作为粘合剂， 球磨约30min，得到混合均匀的浆料；

步骤7：将混合均匀的浆料刷涂于步骤4、5制备的第一梯度玻璃涂层上，120℃（现 场可采用红外灯照射）左右经5-6小时使其完全固化，即可得到第二梯度玻璃涂层； 第二梯度玻璃涂层的目的是在700-800℃形成液相，提高基体在相应温度的抗氧化性 能。

对已制备的涂层试样和无涂层试样和进行氧化实验，结果显示在1300℃氧化60 分钟涂层试样失重为4．1％左右，而未加涂层的试样失重为53．7％。