专利名称：一种高温抗氧化炭基复合材料的制备方法
技术领域：
本发明属于复合材料的制备方法，具体地说涉及一种高温抗氧化炭基复合材料的制备方法。
炭材料具有优良的导电导热性，耐腐蚀性及高温稳定性，广泛地应用于高温领域作为结构和工程材料。但是，炭材料在400℃以上的氧化气氛中就开始发生氧化反应，使得其各项物理及力学性能迅速劣化。因此，对炭材料进行氧化防护处理是延长其工作寿命，提高其工作稳定性和可靠性的根本措施。
对炭材料进行涂层处理是解决炭材料高温(＞1000℃)氧化防护的主要方法。SiC涂层热稳定性高，与炭基体化学相容性好，热膨胀系数接近。CVD SiC涂层是目前应用于炭材料氧化防护的主要陶瓷涂层材料。但是这种涂层在使用中仍存在一定不足SiC涂层与炭基体存在着一明显的界面，CVD过程通常是在高温(＞1000℃)下进行的，沉积完成降至室温的过程中，由于涂层和炭基体间热膨胀系数的差异，界面处热应力的集中会引发微裂纹，微裂纹在热循环过程中逐渐扩展导致涂层与炭基体的剥离，甚至脱落，导致氧化防护失效；另一方面，CVD SiC涂层与基体间结结合力较弱，在外力冲击下易受到创伤。
为了克服SiC涂层的上述不足，邓景屹等(炭素，1995,(2):4)用CVD法在炭基体表面沉积梯度SiC涂层。但是，此工艺过程复杂，需要连续不断地改变气氛的组成，对于大型或复杂部件难以得到均一理想涂层。Gee等(Journal of Material Science,1991,26(4):1093)在SiC涂层上又涂覆了硼酸玻璃，硼酸玻璃在高温下具有较低的粘度和流动性，可以愈合SiC涂层中的微裂纹。但是硼酸玻璃在高温下(＞900℃)挥发度大，粘性低导致氧扩散系数大，因而涂层体系使用寿命有限。Piquero等(Carbon,1995,33(4):455)采用B4C内涂层加SiC外涂层体系进行氧化防护研究，由于涂层体系中仍然存在着陶瓷涂层间及陶瓷涂层与炭基体间热膨胀系数的失配，氧化防护效果不甚理想。
本发明的目的是提供一种高温抗氧化炭基复合材料的制备方法。
本发明的发明目的是这样实现的，首先制备B4C粒子弥散内部改性石墨基体材料。将焦粉、沥青粉、石墨粉和B4C粉按一定比例进行混合后在球磨机中混合球磨一定时间，以保证B4C粒子的均匀分散。混合粉末用热压工艺压制出B4C弥散改性石墨材料。然后将这种基体材料放置于高温真空电阻炉中，在真空条件下于1500-1600℃用SiO蒸气作为硅化蒸气源进行高温硅化处理。通过SiO蒸气在基体材料中的CVI(化学气相渗透)扩散在基体材料表面生成梯度SiC涂层，从而得到梯度SiC涂层/B4C内部改性石墨基体复合材料。SiC涂层的梯度分布一方面促进了SiC涂层与炭基体的化学结合，避免由于受外力撞击而使SiC涂层受到创伤；另一方面，可以使得涂层与炭基体间的热应力进行重新分布，而不是单单集中于一个明显的界面上，从而大大降低了微裂纹出现的可能性。基体中弥散的B4C粒子可以氧化转变成B2O3，填充SiC涂层中由于SiO蒸气的CVI扩散而产生的微孔，使复合材料实现自愈合抗氧化。所制备的复合材料具有抗热冲击和良好的高温(1300℃)抗氧化性能。
本发明的制备方法是将石墨基体材料的表面采用SiO蒸气的CVI扩散制备梯度SiC涂层，其特征在于石墨基体材料是由煅焦粉、沥青粉、石墨粉和B4C按一定比例混合，球磨，热压制得。
如上所述的石墨基体材料的表面采用SiO、CVI扩散制备梯度SiC涂层，是以SiO2和碳粉或硅粉为原料按SiO2∶C或Si=1∶1(重量比)，在真空条件下于1500-1600℃对石墨基材料硅化1小时。
如上所述的石墨基体材料是由煅焦粉、沥青粉、石墨粉和B4C按(20-40)∶(1-10)∶1∶(1-5)的比例(重量比)均匀混合后球磨0.5-2小时后，在20MPa压力下，2000-2300℃的温度条件热压得到石墨基体材料。
本发明与现有技术相比具有如下优点1．工艺过程相对简单，重复性好；2．采用化学气相渗透工艺实现SiC涂层的梯度分布，一方面促进了涂层与基体材料的化学结合；另一方面，避免了由于热应力的集中而导致微裂纹的出现；3．基体中弥散的B4C粒子可以氧化转变成B2O3，填充SiC涂层中由于SiO蒸气的化学气相扩散而产生的微孔，使复合材料实现自愈合抗氧化；4．复合材料具有良好的抗热冲击性和高温(1300℃)抗氧化性。
本发明的实施例如下实施例1将煅焦粉、沥青粉、石墨粉和B4C粉按下述比例35∶10∶1∶2(重量比)进行混合后在球磨机中混合球磨1小时，以保证B4C粒子的均匀分散。混合粉末用热压工艺(20MPa,2000-2300℃)压制出B4C粒子弥散内部改性石墨材料。然后将这种基体材料架于一石墨坩埚中，石墨坩埚底部装有石英粉和炭粉(摩尔比1∶1)的混合粉末。石墨坩埚放置于高温真空电阻炉中，在真空条件下于1500-1600℃用SiO蒸气(由反应产生)作为硅化蒸气源进行高温硅化处理。硅化1小时后，得到梯度SiC涂层/B4C粒子内部改性石墨基体复合材料。复合材料在1300℃,2L/min干燥空气中进行恒温氧化试验。氧化过程中的重量变化见
图1。
实施例2将煅焦粉、沥青粉、石墨粉和B4C粉按下述比例35∶10∶1∶2(重量比)进行混合球磨后制备基体材料，其余同实施例1。复合材料在1300℃，2L/min干燥空气中进行恒温氧化试验。氧化过程中的重量变化见图2。
实施例3将煅焦粉、沥青粉、石墨粉和B4C粉按下述比例40∶10∶1∶3(重量比)进行混合球磨后制备基体材料，其余同实施例1。复合材料在1300℃，2L/min干燥空气中进行恒温氧化试验。氧化过程中的重量变化见图3。
实施例4将煅焦粉、沥青粉、石墨粉和B4C粉按下述比例30∶1∶1∶2(重量比)进行混合球磨后制备基体材料，其余同实施例1。复合材料在1300℃，2L/min干燥空气中进行恒温氧化试验。氧化过程中的重量变化见图4。
实施例5将煅焦粉、沥青粉、石墨粉和B4C粉按下述比例30∶5∶1∶4(重量比)进行混合球磨后制备基体材料，其余同实施例1。制得的复合材料样品升温至1020℃，然后迅速掷于室温(20℃)水中。经历了10次热冲击(ΔT=1000℃)后，在1300℃,2L/min干燥空气中进行恒温氧化试验。氧化过程中的重量变化见图5。
实施例6产生SiO蒸气的原料由石英粉和Si粉组成(摩尔比1∶1)，其余同实施例1。制得的复合材料样品在1300℃,2L/min干燥空气中进行恒温氧化试验。氧化过程中的重量变化见图6。
权利要求
1．一种高温抗氧化炭基复合材料的制备方法是将石墨基体材料的表面采用SiO蒸气的CVI扩散制备梯度SiC涂层，其特征在于石墨基体材料是由煅焦粉、沥青粉、石墨粉和B4C按一定比例混合，球磨，热压制得。
2．根据权利要求1所述的一种高温抗氧化炭基复合材料的制备方法，其特征在于所述的石墨基体材料的表面采用SiO的CVI扩散制备梯度SiC涂层，是以SiO2和碳粉或硅粉为原料按SiO2∶C或Si=1∶1(重量比)，在真空条件下于1500-1600℃对石墨基体材料硅化1小时。
3．根据权利要求1所述的一种高温抗氧化炭基复合材料的制备方法，其特征在于所述的石墨基体材料是由煅焦粉、沥青粉、石墨粉和B4C按(20-40)∶(1-10)∶1∶(1-5)的比例(重量比)均匀混合后球磨0.5-2小时后，在20MPa压力下，2000-2300℃的温度条件热压得到石墨基体材料。
全文摘要
一种高温抗氧化炭基复合材料的制备方法,将煅焦粉、沥青粉、石墨粉和B
文档编号C04B41/50GK1235941SQ9810147
公开日1999年11月24日 申请日期1998年5月19日 优先权日1998年5月19日
发明者刘朗, 郭全贵, 翟更太, 宋进仁, 张碧江 申请人:中国科学院山西煤炭化学研究所