專利名稱：飛機剎車盤用c/c復合材料的防氧化保護涂層制備的新方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供一種飛機剎車盤用C/C復合材料的防氧化保護涂層制備的新方法，屬于碳/碳復合材料技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
碳纖維增強基的碳/碳(C/C)復合材料以其優(yōu)異的高溫機械性能使得它在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，例如熱防護罩、航天飛機的鼻翼、以及飛行器一些耐熱結(jié)構(gòu)部件，特別是在作為飛機剎車盤用的材料時具有極其獨特的優(yōu)點。在惰性氣體氣氛中，C/C復合材料在2000℃都能保持其力學性能，然而如果沒有任何防氧化保護，C/C復合材料甚至在400℃的溫度下都會發(fā)生嚴重的氧化。C/C復合材料的防氧化的途徑有兩種一種是在C/C基體內(nèi)添加防氧化添加劑以提高基體防氧化能力的方法；另外一種是在材料表面包覆一層涂層以隔絕材料與空氣的方法。在不影響基體力學性能的前提下，第二種方法是最佳的防氧化途徑。目前，較先進的涂層技術(shù)是將涂層制備成復合涂層，它一般包括氧遮擋層、功能活性層和粘結(jié)層。其中氧遮擋層是防氧化的有效層，功能活性層起著封填裂紋的作用，粘結(jié)層則是起著降低碳基體與外層涂層之間熱膨脹系數(shù)不匹配度的作用。
自從1934年以來，C/C復合材料防氧化研究已有了飛速的發(fā)展，防氧化方法在不斷地進步和完善，但是目前的防氧化涂層普遍存在制備成本較高、涂層結(jié)合強度不夠高、裂紋自愈能力不夠強、以及不可修復性的問題。特別是對飛機剎車盤用C/C復合材料來說，這些方面的問題更是有待解決。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明一種飛機剎車盤用C/C復合材料的防氧化保護涂層制備的新方法，其主要目的是提供一種制備成本較低、容易粘附、并且可修復的雙層防氧化涂層，該涂層非常均勻致密，并且結(jié)合強度較高，經(jīng)700℃恒溫氧化100小時(h)后，氧化失重率幾乎為零。
本發(fā)明一種飛機剎車盤用C/C復合材料的防氧化保護涂層制備的新方法，其技術(shù)方案分為以下幾部分C/C材料的制備，內(nèi)層涂層的制備，外層涂層的制備。方案的具體實施步驟如圖1所示。
(1)C/C材料的制備本發(fā)明所用的該材料是采用快速定向擴散化學氣相滲透(RDD CVI)技術(shù)所制備的新二維C/C復合材料，其密度為1.75g/cm3。C/C材料均制成規(guī)格為15×15×15mm3的形狀，并對其進行打磨倒角的表面處理。
(2)涂層的制備方法本發(fā)明中將涂層設(shè)計成雙層涂層，分兩步制備①內(nèi)層涂層為硼酸基涂層，先由硼酸(粉末狀)和無水乙醇(分析純)在60℃~80℃水浴加熱的條件下制成質(zhì)量分數(shù)為30％~40％無色的溶液，然后均勻涂覆在材料表面，最后在700~800℃高溫燒結(jié)制成內(nèi)層涂層。②外層涂層所用的原料為硼粉、石英粉、高溫樹脂、以及鋁粉和鐵粉，各成分的質(zhì)量百分數(shù)和其他參數(shù)如表1所示。用刷子將料漿均勻涂覆在已經(jīng)制備好內(nèi)層涂層的材料上，然后400~500℃左右燒結(jié)制成成品。制成好的材料用超聲波清洗機清洗。
表1外層涂料各材料的配比
注表中wt％表示質(zhì)量百分數(shù)本發(fā)明一種飛機剎車盤用C/C復合材料的防氧化保護涂層制備的新方法，其優(yōu)點是制備成本較低、容易粘附、并且可修復的雙層防氧化涂層，該涂層非常均勻致密，并且結(jié)合強度較高，經(jīng)700℃恒溫氧化100小時(h)后，氧化失重率幾乎為零。
(1)制備好涂層的材料在管式電阻爐內(nèi)分別進行600℃、700℃、800℃、900℃的恒溫靜態(tài)氧化實驗，其氧化失重曲線圖如圖2所示，涂層在700℃以下基本沒有氧化失重。另外由圖3所示的涂層在700℃下氧化100h前后的掃描電鏡(SEM)微觀形貌圖可知，氧化前涂層非常均勻致密，而氧化后涂層變得更為致密，涂層具有一定的自愈能力。而一般飛機剎車盤的使用溫度為600℃以下，因此該涂層能很好的滿足飛機剎車盤的使用要求。
(2)材料在700℃下進行循環(huán)40~60次的熱震實驗后，測得材料在這個熱循環(huán)后失重率為-0.11％，抗熱震性能非常好，能適應(yīng)飛機剎車盤使用過程中多次熱循環(huán)的要求。
(3)將材料放在超聲波清洗機上用清水清洗5h，干燥后用光學顯微鏡觀察無脫落的現(xiàn)象出現(xiàn)，涂層的結(jié)合強度較好，能抵抗飛機剎車盤使用過程中強氣流的沖擊。


圖1.技術(shù)方案的實施步驟圖2.材料的氧化失重曲線圖3a.材料在氧化前的掃描電鏡(SEM)微觀形貌3b.材料在700℃氧化100h后的掃描電鏡(SEM)微觀形貌4.內(nèi)層涂層制備的新溫控程序圖5.外層涂層制備的新溫控程序符號說明a.T為開氏溫度，單位為開爾文(K)；b.t為時間，單位為h；c.m/m0是氧化失重百分率，其中m是氧化后的剩余質(zhì)量，m0是材料的原始質(zhì)量。
具體實施例方式本發(fā)明一種飛機剎車盤用C/C復合材料的防氧化保護涂層制備的新方法，其工藝步驟如下(1)C/C材料的制備本發(fā)明所用的材料采用RDD CVI技術(shù)所制備的新二維C/C復合材料，其密度為1.75g/cm3。實驗所用材料的均制成規(guī)格為15×15×15mm3的形狀，然后用400粗砂的剛玉砂紙手動打磨，使其具有一定的粗糙度，并將其倒角，并用無水乙醇作為溶劑用超聲波清洗機清洗材料，然后再將材料放入干燥箱內(nèi)，在100℃的條件下恒溫干燥5小時(h)后取出，以備涂覆涂層。
(2)涂層的制備方法本發(fā)明將涂層設(shè)計成雙層涂層，分兩步制備①內(nèi)層涂層的制備方法用電子天平量取30~40g的硼酸(粉末狀)，并用量筒量取70~80ml體積的無水乙醇，以無水乙醇為溶劑，在60℃的水浴加熱條件下把硼酸溶解于無水乙醇中，用玻璃棒攪拌均勻，配置成30％~40％的無色溶液。
用刷子把已經(jīng)配好的內(nèi)層溶液均勻的涂覆在材料上，待其自然晾干，重復4~5遍，直至其表面有一層白色的粉末為最佳。
把涂好內(nèi)層的材料裝入燒舟內(nèi)，放入管式電阻爐中，按照如圖4所示的溫控程序給材料加熱。其間，當溫度高于300℃時，沖入氮氣以保護基體。
②外層涂層的制備方法按照表1所示的比例量取硼粉10~14g、石英粉25~31g、高溫樹脂45~55g、以及鋁粉5g和鐵粉5g，先將量少的鋁粉和鐵粉混入高溫樹脂里面，充分攪勻后再依次將硼粉、石英粉混入高溫樹脂中，充分攪勻。配好的外層涂料為黑色稠狀液體。
在已有內(nèi)層涂層的材料上用刷子把已經(jīng)配好的表層涂料均勻的涂覆在材料上，待其自然晾干5~6h，重復2~3遍。
把涂好內(nèi)層的材料裝入燒舟內(nèi)，放入管式電阻爐中，按照如圖5所示的溫控程序給材料加熱。其間，當溫度高于300℃時，充入氮氣以保護基體。
實施例一本發(fā)明一種復合防氧化涂層是按照下列過程制備的新方法a.C/C材料的制備將材料制成規(guī)格為15×15×15mm3的形狀，然后用400粗砂的剛玉砂紙手動打磨、倒角，并用無水乙醇作為溶劑用超聲波清洗機清洗材料，然后再將材料放入干燥箱內(nèi)，在100℃的條件下干燥5h后取出，以備涂覆涂層。
b.內(nèi)層涂層制備用硼酸(粉末狀)和無水乙醇在60℃的水浴加熱條件下配置成30％的無色溶液50克。然后用刷子把已經(jīng)配好的內(nèi)層溶液均勻的涂覆在材料上，待其自然晾干，重復5遍。
把涂好內(nèi)層的材料裝入燒舟內(nèi)，放入管式電阻爐中，按照如圖1所示的溫控程序給材料加熱。其間，當溫度高于300℃時，沖入氮氣以保護未成型的涂層。
c.外層涂層的制備外層涂層由下列各成分的質(zhì)量百分比的原料組成硼粉10％，石英粉25％，高溫樹脂55％，鋁粉5％，鐵粉5％。涂料總重為100g。將其充分攪勻配成黑色稠狀液體的外層涂料。
在已有內(nèi)層涂層的材料上用刷子把已經(jīng)配好的表層涂料均勻的涂覆在材料上，待其自然晾干5h，重復2遍。
把涂好內(nèi)層的材料裝入燒舟內(nèi)，放入管式電阻爐中，按照如圖2所示的溫控程序給材料加熱。其間，當溫度高于300℃時，沖入氮氣以保護基體。
實施例二本發(fā)明一種復合防氧化涂層是按照下列過程制備的新方法a.C/C材料的制備將材料制成規(guī)格為15×15×15mm3的形狀，然后用400粗砂的剛玉砂紙手動打磨、倒角，并用無水乙醇作為溶劑用超聲波清洗機清洗材料，然后再將材料放入干燥箱內(nèi)，在100℃的條件下干燥5h后取出，以備涂覆涂層。
b.內(nèi)層涂層制備用硼酸(粉末狀)和無水乙醇在70℃的水浴加熱條件下配置成35％的無色溶液50克。然后用刷子把已經(jīng)配好的內(nèi)層溶液均勻的涂覆在材料上，待其自然晾干，重復5遍。
把涂好內(nèi)層的材料裝入燒舟內(nèi)，放入管式電阻爐中，按照如圖1所示的溫控程序給材料加熱。其間，當溫度高于300℃時，沖入氮氣以保護未成型的涂層。
c.外層涂層的制備外層涂層由下列各成分的質(zhì)量百分比的原料組成硼粉12％，石英粉28％，高溫樹脂50％，鋁粉5％，鐵粉5％。涂料總重為100g。將其充分攪勻配成黑色稠狀液體的外層涂料。
在已有內(nèi)層涂層的材料上用刷子把已經(jīng)配好的表層涂料均勻的涂覆在材料上，待其自然晾干6h，重復2遍。
把涂好內(nèi)層的材料裝入燒舟內(nèi)，放入管式電阻爐中，按照如圖2所示的溫控程序給材料加熱。其間，當溫度高于300℃時，沖入氮氣以保護基體。
實施例三本發(fā)明一種復合防氧化涂層是按照下列過程制備的新方法a.C/C材料的制備將材料制成規(guī)格為15×15×15mm3的形狀，然后用400粗砂的剛玉砂紙手動打磨、倒角，并用無水乙醇作為溶劑用超聲波清洗機清洗材料，然后再將材料放入干燥箱內(nèi)，在100℃的條件下干燥5h后取出，以備涂覆涂層。
b.內(nèi)層涂層制備用硼酸(粉末狀)和無水乙醇在80℃的水浴加熱條件下配置成40％的無色溶液50克。然后用刷子把已經(jīng)配好的內(nèi)層溶液均勻的涂覆在材料上，待其自然晾干，重復6遍。
把涂好內(nèi)層的材料裝入燒舟內(nèi)，放入管式電阻爐中，按照如圖1所示的溫控程序給材料加熱。其間，當溫度高于300℃時，沖入氮氣以保護未成型的涂層。
c.外層涂層的制備外層涂層由下列各成分的質(zhì)量百分比的原料組成硼粉14％，石英粉31％，高溫樹脂45％，鋁粉5％，鐵粉5％。涂料總重為100g。將其充分攪勻配成黑色稠狀液體的外層涂料。
在已有內(nèi)層涂層的材料上用刷子把已經(jīng)配好的表層涂料均勻的涂覆在材料上，待其自然晾干5h，重復2遍。
把涂好內(nèi)層的材料裝入燒舟內(nèi)，放入管式電阻爐中，按照如圖2所示的溫控程序給材料加熱。其間，當溫度高于300℃時，沖入氮氣以保護基體。
權(quán)利要求
1.一種飛機剎車盤用C/C復合材料的防氧化保護涂層制備的新方法，其特征在于其制備方法的工藝步驟如下(1)C/C材料的制備本發(fā)明所用的該材料是采用快速定向擴散化學氣相滲透(RDD CVI)技術(shù)所制備的新二維C/C復合材料，其密度為1.75g/cm3；C/C材料均制成規(guī)格為15×15×15mm3的形狀，并對其進行打磨倒角的表面處理；(2)涂層的制備方法本發(fā)明中將涂層設(shè)計成雙層涂層，分兩步制備①內(nèi)層涂層為硼酸基涂層，先由硼酸(粉末狀)和無水乙醇(分析純)在60℃～80℃水浴加熱的條件下制成質(zhì)量分數(shù)為30％～40％無色的溶液，然后均勻涂覆在材料表面，最后在700～800℃高溫燒結(jié)制成內(nèi)層涂層；②外層涂層所用的原料為硼粉、石英粉、高溫樹脂、以及鋁粉和鐵粉，各成分的質(zhì)量百分數(shù)配比和其他參數(shù)如下列表1所示表1
用刷子將料漿均勻涂覆在已經(jīng)制備好內(nèi)層涂層的材料上，然后400～500℃左右燒結(jié)制成成品，制成好的材料用超聲波清洗機清洗。
全文摘要
一種飛機剎車盤用C/C復合材料的防氧化保護涂層制備的新方法，其制備方法如下(1)C/C材料的制備，采用快速定向擴散化學氣相滲透技術(shù)所制備的新二維C/C復合材料；(2)涂層的制備方法，將涂層設(shè)計成雙層涂層，分兩步完成，①內(nèi)層涂層為硼酸基涂層，先由硼酸和無水乙醇在60℃～80℃水浴加熱的條件下制成質(zhì)量百分數(shù)為30％～40％的溶液，然后均勻涂覆在材料表面，最后在700～800℃高溫燒結(jié)制成內(nèi)層涂層；②外層涂層所用的原料為硼粉10～14wt％、石英粉25～31wt％、高溫樹脂45～55wt％、以及鋁粉5wt％和鐵粉5wt％，將料漿均勻涂覆在已經(jīng)制好內(nèi)層涂層的材料上，然后在400～500℃左右燒結(jié)制成成品。制成好的材料用超聲波清洗機清洗。
文檔編號B05D7/24GK1948779SQ200610089618
公開日2007年4月18日 申請日期2006年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月6日
發(fā)明者羅瑞盈, 李軍, 林晨, 蔣娜 申請人:北京航空航天大學