一种碳碳复合材料表面抗氧化涂层及涂覆方法与流程

本发明涉及碳纤维生产，具体为一种碳碳复合材料表面抗氧化涂层及涂覆方法。

背景技术：

1、碳纤维是一种含碳量超过92%的材料，具有较高的导热系数、比强度和弹性值，同时具备较低的弹性模量、热膨胀系数和密度。此外，碳纤维还是一种可加工性良好且在高温结构领域广泛应用的材料。特别是作为高科技复合材料增强材料时，对于这种具有可加工性质的碳纤维更感兴趣。在工业领域中，由于其出色的抗热震性能，在各个领域都得到了广泛应用。例如，在超高温结构方面，它可以被用作飞机摩擦材料航天器鼻锥以及核反应堆耐热材料等；而在火箭喷管等需要在极短时间内吸收大量热量的场景下也发挥着重要作用。

2、然而尽管碳纤维具有优异的工程性能，但当暴露于500℃或更高温度的空气中时，碳纤维表面会与氧气发生氧化反应，并产生co或co2等气体，这种腐蚀现象导致物质侵蚀，因此纯碳纤维不适合用于某些特定工程领域。当碳纤维在1000℃下进行空气热处理时，会在其表面形成孔隙结构，引起材料的烧蚀，并且在超高温度下暴露的碳纤维可能发生消融现象。因此，在高温的有氧环境中需要保留碳纤维的表面结构及固有性能。

3、为了在高温环境下使用碳纤维，必须将其与氧气隔离以防止氧化。因此，要提高碳纤维的耐热性和抗烧蚀性，这对碳/碳复合材料的制备至关重要。一般而言，有两种方法可以防止碳纤维被氧化并提高其耐热性和抗烧蚀性。一种方法是向碳纤维添加氧化抑制剂，另一种方法是在碳纤维表面涂覆抗氧层。前者能够在约1000°c的高温下有效抑制氧化作用，但缺点是在1000℃以上的极高温度下效果显著下降。因此，避免碳纤维在1000℃以上的高温环境中发生氧化需要采取涂覆抗氧层等措施。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种碳碳复合材料表面抗氧化涂层及涂覆方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种碳碳复合材料表面抗氧化涂层，复合材料表面抗氧化涂层包括：聚合物树脂和陶瓷材料，先将聚合物树脂溶解于溶剂中，形成聚合物树脂溶液，再将聚合物树脂溶液中分散陶瓷粉末，得到混合溶液，聚合物树脂通常具有与多种基材的亲和性，可以与基材表面形成良好的物理或化学结合。这种亲和性可以提高粘接界面的接触面积，增加粘接强度，聚合物树脂由长链分子组成，具有一定的延展性混合溶液中所引入的聚合物树脂包括：聚丙烯腈、聚酰亚胺、聚苯并咪唑以及聚乙烯醇，聚合物树脂优选聚丙烯腈，包括100%纯均聚物和含有5-15 wt%共聚物的改性丙烯酸酯，且溶解聚合物树脂的溶剂选自四氢呋喃、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、吡啶、喹啉和水，并且与聚合物树脂的质量比保持在10%-20%之间，聚合物树脂可以通过交联反应形成三维网络结构，使其具有较高的强度和耐久性，这种交联结构可以增强粘接界面的稳定性，防止粘接面的剪切和剥离，提高粘接强度和耐久性。

3、优选的，所述混合溶液中所加入的陶瓷材料为碳化硅，碳化硅具备高熔点、韧性良好和抗氧化、抗烧蚀性特性。

4、优选的，所述陶瓷材料与聚合物树脂的重量比在1:0.5-1:2之间，当重量比为1:1时，陶瓷粉末均匀地覆盖在碳纤维表面上，通过添加聚丙烯腈从而增加陶瓷对碳纤维的附着力，并且通过适配好的比例添加碳化硅使陶瓷粉末能够均匀地覆盖在碳纤维表面上。

5、优选的，所述碳碳复合材料表面抗氧化涂层的涂覆方法步骤为：

6、s1、表面处理：首先，通过化学方法对碳纤维表面进行处理，去除表面污染物和杂质，并增加表面粗糙度；

7、s2、涂覆过程：将涂覆配方均匀地涂覆在碳纤维表面上，确保涂覆层的厚度均匀一致；

8、s3、固化处理：将涂覆的碳/碳复合材料放入高温炉中进行固化处理；

9、s4、涂层稳定处理：当涂层固化处理完毕后，对完成涂层固化后的碳以及碳复合材料进行涂层稳定性处理，完成制造。

10、优选的，所述s1对碳纤维表面进行处理包括以下具体步骤：

11、s1.1、清洗，准备盆、清洗剂、软毛刷，将清洗剂倒入盆中，并放入水进行混合搅拌，待搅拌完毕后，将碳纤维放入盆中浸泡；

12、s1.2、待碳纤维浸泡完毕后，使用软毛刷对碳纤维进行刷洗，去除表面的灰尘、油污和其他污染物，避免使用含有酸性或碱性成分的清洁剂，清洗还分为酸洗和碱洗，同时酸洗与碱洗过程中也需要注意温度和时间的控制，避免对碳纤维造成损害；

13、s1.3、当碳纤维清洗完毕后，选择高温处理干燥设备，通过高温去除碳纤维表面的高分子杂质。

14、优选的，所述高温处理时，通过高温处理干燥设备去除碳纤维表面的高分子杂质，观察碳纤维情况调节温度，确保碳纤维表面高分子杂质去除时不会因为高温导致碳纤维损坏，在完成上述处理后，可以对碳纤维表面进行表面修饰，例如使用化学方法进行功能化改性，或者使用物理方法进行表面改性。这些方法可以增加碳纤维表面的活性，改善其与其他材料的粘接性能。

15、优选的，所述s2对碳纤维涂层涂覆包括以下具体步骤：

16、s2.1、采用刷涂、滚涂或浸渍涂布机的方法将高分子树脂与陶瓷材料混合溶液涂覆在碳纤维的表面上，选用刷涂的方式，在碳纤维表面涂覆10次；其中涂覆方法详细包括：刷涂法、喷涂法、浸涂法和滚涂法，在涂覆过程中，需要注意在涂覆过程中，需要注意以下几点，控制涂布的厚度和均匀性，避免出现涂布不均匀或者过厚的情况，注意涂布层与碳纤维基材料之间的附着力，确保涂布层能够牢固地附着在基材表面，根据抗氧化保护层材料的特性，控制涂布过程中的温度和湿度，以保证涂布层的质量和性能

17、s2.2、观察碳纤维表面涂层情况，确保涂层均匀的涂覆在碳纤维表面每一处部位，均匀涂覆后确保涂层与碳纤维充分贴合。混合溶液在碳纤维表面涂覆次数过少，则很难实现均匀涂覆，相反，如果混合溶液涂覆次数过多，陶瓷粉末会聚集，难以在碳纤维表面分布均匀，碳纤维表面的涂层厚度和颗粒大小可能会根据涂层时间、聚合物树脂和陶瓷粉末的浓度变化或热处理温度各种因素而变化。

18、优选的，所述s3对碳纤维表面涂层进行固化处理包括以下具体步骤：

19、s3.1、在完成碳纤维的涂层涂覆工艺后，使用加热设备，在200-300℃的空气中进行第一次热处理，持续时间为30-60分钟，以增加聚合物树脂的热稳定性，其中固化处理还包括光固化和化学固化，根据不同环境以及涂膜性质来选取不同固化处理；

20、s3.2、当第一次热处理完毕后，紧接着在氩气的气氛下，将加热设备温度调至1000-1400℃进行第二次热处理，持续时间同样为30-60分钟，经过两次热处理后，完成碳/碳复合材料的制造。

21、优选的，所述固化处理时，观察碳纤维表面涂层固化情况，严格控温度、时间和压力参数，以保证固化效果，在固化过程中，要避免涂覆层受到外界物理力的影响，定期检查固化处理的效果，确保涂覆层固化完全。

22、优选的，所述s4对碳纤维表面涂层进行稳定处理包括以下具体步骤：经过固化处理后，对涂覆层进行表面打磨、抛光处理，以进一步提高表面质量和光洁度，可以采用粗磨纸或者砂轮进行初步磨削，再使用细磨纸或者砂纸进行细致的磨削，使涂覆层表面更加平整和光滑，使用抛光剂和抛光布进行抛光，使涂覆层表面获得更好的光泽和光滑度，在完成打磨抛光后，要对涂覆层表面进行彻底的清洁，以去除残留的磨粉和抛光剂。可以使用清洁剂和清水进行清洗，然后用干净的软布擦拭干燥。

23、与现有技术相比，本发明提供了一种碳碳复合材料表面抗氧化涂层及涂覆方法，具备以下有益效果：

24、1、该碳碳复合材料表面抗氧化涂层及涂覆方法，采用多种预处理方法对碳复合材料进行表面处理，从而增加后续涂覆层与碳复合材料的附着力，保证了涂覆层与碳复合材料的稳定性。

25、2、该碳碳复合材料表面抗氧化涂层及涂覆方法，通过添加聚合物树脂以及碳化硅从而使陶瓷粉末能够均匀地覆盖在碳纤维表面上，并且提高陶瓷粉末与碳纤维的粘接强度，增加其耐用性。

26、3、该碳碳复合材料表面抗氧化涂层及涂覆方法，多种涂刷方式以及多次涂覆次数，使涂覆层能够更好的与碳纤维表面粘合，使陶瓷粉末能够均匀的分布在碳纤维表面。