CN104310978B - 一种耐高温陶瓷粉涂层材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种耐高温陶瓷粉涂层材料及其制备方法，涉及材料技术领域，涂层材料由以下质量份数的各个组分构成：（1）碳化硅15‑30份；（2）纳米氧化镍3‑9份和纳米氧化镁6‑12份；（3）纳米Al2O3，15‑23份；（4）Ta2O5，2.5‑4份；（5）二氧化硅，25‑45份；（6）氧化钛，4.5‑7.5份；（7）纳米二氧化钍，5‑15份。一种耐高温陶瓷粉涂层材料的制备方法，制备步骤如下：（1）称量；（2）研磨；（3）煅烧；（4）冷却。本发明耐高温陶瓷粉涂层材料及其制备方法，提供的陶瓷纳米涂层材料具有良好的强度和韧性，以及优异的耐高温和耐磨性能，同时具有一定的耐腐性能。
Description
技术领域
本发明属于材料技术领域，特别涉及一种具有优良耐高温和耐磨性能的耐高温陶瓷粉涂层材料及其制备方法。
背景技术
陶瓷粉涂层材料，是近年来得以受到广泛关注的陶瓷材料，传统的陶瓷材料具有较大的脆性，不利用陶瓷材料的进一步加工，也导致陶瓷材料在诸多领域的性能性略显不足。纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径，纳米耐高温陶瓷粉涂层材料是一种通过化学反应而形成耐高温陶瓷涂层的材料。利用纳米技术开发的纳米陶瓷材料是利用纳米粉体对现有陶瓷进行改性，通过往陶瓷中加入或生成纳米级颗粒、晶须、晶片纤维等，使晶粒、晶界以及他们之间的结合都达到纳米水平，使材料的强度、韧性和超塑性大幅度提高。它克服了工程陶瓷的许多不足，并对材料的力学、电学、热学、磁光学等性能产生重要影响。
申请号为201310467089.8的专利文献“在金属基体陶瓷涂层上制备纳米改性非晶陶瓷涂层的方法”，公开了一种纳米陶瓷涂层的制备方法，步骤是：将纳米Y-ZrO2粉与由1.0～15.0％B2O3、1.0～10.0％Al2O3、7.0～10.0％CaO、1.0～3.0％MgO、4.5～6.5％K2O、8.0～10.0％Na2O和其余为SiO2组成的非晶陶瓷混合粉在球磨机中进行湿混20分钟，再经干燥得到纳米晶陶瓷+非晶陶瓷混合粉，后与水按质量比为1:1～5:3的比例调成料浆，采用喷浆法或涂覆料浆法将该料浆喷刷到工件的金属基体陶瓷涂层的表面上，最后进行烧结形成纳米Y-ZrO2改性的非晶陶瓷涂层。
该陶瓷涂层材料，通孔率较低，具有一定的耐酸耐老化性能，但是在材料的耐高温和强度上表现不足，不能弥补陶瓷材料的脆性。
申请号为201010604317.8的专利文献“非晶纳米晶陶瓷材料、陶瓷涂层及其制备方法”，公开了一种纳米陶瓷材料涂层，制备方法为将非晶纳米晶陶瓷材料加工成粉末状后以热喷涂设备加热熔化，而后将熔融的粉末粒子直接喷射到水中进行急速冷却，形成具有完全非晶结构的颗粒；将上述非晶颗粒采用热喷涂工艺喷涂到基体上，形成具有非晶结构的陶瓷涂层；通过热处理对非晶结构的陶瓷涂层进行晶化，从而得到在非晶基体中均匀分布纳米晶结构的陶瓷涂层，所述热处理的温度为900-1300℃；所述非晶纳米晶陶瓷材料包含如下组分：氧化铝Al2O320-75wt％，氧化锆10-40wt％，稀土氧化物10-60wt％，所述稀土氧化物为氧化钇、氧化镧、氧化钆、氧化铈、氧化镝、氧化钕、氧化铕中的任意一种或两种以上的组合。
上述技术方案公开的陶瓷材料涂层为一种非晶纳米陶瓷材料，具有较好的耐磨和耐腐性能，同时陶瓷材料的韧度得以提升，但强度稍显不足，且耐高温性能表现一般。
发明内容
本发明解决的技术问题：针对现有技术的不足，克服现有技术的缺陷，本发明提供一种耐高温陶瓷粉涂层材料及其制备方法。
本发明的技术方案：一种耐高温陶瓷粉涂层材料，由以下质量份数的各个组分构成：
(1)碳化硅，15-30份；
(2)纳米氧化镍3-9份和纳米氧化镁6-12份；
(3)纳米Al2O3，15-23份；
(4)Ta2O5，2.5-4份；
(5)二氧化硅，25-45份；
(6)氧化钛，4.5-7.5份；
(7)纳米二氧化钍，5-15份。
作为优选，纳米Al2O3的晶型为β-Al2O3或γ-Al2O3。
作为优选，纳米氧化镍和纳米氧化镁的质量之比为0.25-1:1。
一种耐高温陶瓷粉涂层材料的制备方法，制备步骤如下：
(1)称量：准确称取各个组分；
(2)研磨：将各个组分混合在一起，搅拌均匀之后，放入研磨机进行研磨；
(3)煅烧：将步骤(3)得到的混合物放入模具，进行高温煅烧；
(4)冷却：煅烧结束之后，待冷却至室温，取出，研磨分散后，过筛，即得到耐高温陶瓷粉涂层材料。
作为优选，将步骤(3)中高温煅烧的温度为1200℃-1600℃。
作为优选，将步骤(3)中高温煅烧的压力为5-8GPa。
作为优选，将步骤(3)中高温煅烧的时间为1-3h。
作为优选，步骤(4)中混合物冷却至室温，取出进行破碎处理，然后过筛，筛孔的尺寸为100-200目，过筛次数为3次，即得到耐高温陶瓷粉涂层材料粉体材料。
有益效果：本发明提供的耐高温陶瓷粉涂层材料及其制备方法，是利用纳米材料技术，是对现有陶瓷进行改性，通过往陶瓷材料中加入纳米级颗粒，使晶粒、晶界以及他们之间的结合都达到纳米水平，使材料的强度、韧性和超塑性大幅度提高。在材料的选择上，以二氧化硅和碳化硅为基料，加入纳米金属氧化物，其中Ta2O5和纳米二氧化钍，不仅具有提高材料强度的性能，且能够显著提高材料的高温耐受性，纳米级氧化镍、氧化镁和氧化钛的选择和配比，是优化涂层的稳定性能，使得涂层材料具有一定的耐腐性。因此，本发明耐高温陶瓷粉涂层材料及其制备方法提供的陶瓷纳米涂层材料具有良好的强度和韧性，以及优异的耐高温和耐磨性能，同时具有一定的耐腐性能，可作为陶瓷的涂层材料，或作为陶瓷或其它高强度材料的添加剂。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
实施例1：
一种耐高温陶瓷粉涂层材料，由以下质量份数的各个组分构成：
(1)碳化硅15份；(2)纳米氧化镍3份和纳米氧化镁6份；(3)纳米γ-Al2O3，15份；(4)Ta2O5，2.5份；(5)二氧化硅，25份；(6)氧化钛，4.5份；(7)纳米二氧化钍，5份。
其中，纳米氧化镍和纳米氧化镁的质量之比为1:2。
根据本发明提供的耐高温陶瓷粉涂层材料的制备方法制备上述耐高温陶瓷粉涂层材料，制备步骤如下：
(1)称量：准确称取各个组分；
(2)研磨：将各个组分混合在一起，搅拌均匀之后，放入研磨机进行研磨；
(3)煅烧：将步骤(3)得到的混合物放入模具，进行高温煅烧，温度为1300℃，压力为5GPa，时间1h；
(4)冷却：煅烧结束之后，待冷却至室温，取出，即得到耐高温陶瓷粉涂层材料。
实施例2：
一种耐高温陶瓷粉涂层材料，由以下质量份数的各个组分构成：
(1)碳化硅，30份；(2)纳米氧化镍9份和纳米氧化镁12份；(3)纳米γ-Al2O3，23份；(4)Ta2O5，4份；(5)二氧化硅，45份；(6)氧化钛，7.5份；(7)纳米二氧化钍，15份。
其中，纳米氧化镍和纳米氧化镁的质量之比为3:4。
根据本发明提供的耐高温陶瓷粉涂层材料的制备方法制备上述耐高温陶瓷粉涂层材料，制备步骤如下：
(1)称量：准确称取各个组分；
(2)研磨：将各个组分混合在一起，搅拌均匀之后，放入研磨机进行研磨；
(3)煅烧：将步骤(3)得到的混合物放入模具，进行高温煅烧，温度为1550℃，压力为8GPa，时间2.5h；
(4)冷却：煅烧结束之后，待冷却至室温，取出，即得到耐高温陶瓷粉涂层材料。
实施例3：
一种耐高温陶瓷粉涂层材料，由以下质量份数的各个组分构成：
(1)碳化硅，22份；(2)纳米氧化镍6份和纳米氧化镁9份；(3)纳米γ-Al2O3，18份；(4)Ta2O5，3.5份；(5)二氧化硅，35份；(6)氧化钛，5.5份；(7)纳米二氧化钍，10份。
其中，纳米氧化镍和纳米氧化镁的质量之比为2:3。
根据本发明提供的耐高温陶瓷粉涂层材料的制备方法制备上述耐高温陶瓷粉涂层材料，制备步骤如下：
(1)称量：准确称取各个组分；
(2)研磨：将各个组分混合在一起，搅拌均匀之后，放入研磨机进行研磨；
(3)煅烧：将步骤(3)得到的混合物放入模具，进行高温煅烧，温度为1450℃，压力为6GPa，时间2h；
(4)冷却：煅烧结束之后，待冷却至室温，取出，即得到耐高温陶瓷粉涂层材料。
实施例4：
一种耐高温陶瓷粉涂层材料，由以下质量份数的各个组分构成：
(1)碳化硅，24份；(2)纳米氧化镍7份和纳米氧化镁7份；(3)纳米β-Al2O3，21份；(4)Ta2O5，3.3份；(5)二氧化硅，38份；(6)氧化钛，6.5份；(7)纳米二氧化钍，11份。
其中，纳米氧化镍和纳米氧化镁的质量之比为1:1。
根据本发明提供的耐高温陶瓷粉涂层材料的制备方法制备上述耐高温陶瓷粉涂层材料，制备步骤如下：
(1)称量：准确称取各个组分；
(2)研磨：将各个组分混合在一起，搅拌均匀之后，放入研磨机进行研磨；
(3)煅烧：将步骤(3)得到的混合物放入模具，进行高温煅烧，温度为1400℃，压力为6GPa，时间2h；
(4)冷却：煅烧结束之后，待冷却至室温，取出，即得到耐高温陶瓷粉涂层材料。
实施例5：
一种耐高温陶瓷粉涂层材料，由以下质量份数的各个组分构成：
(1)碳化硅，28份；(2)纳米氧化镍6份和纳米氧化镁12份；(3)纳米β-Al2O3，19份；(4)Ta2O5，3.8份；(5)二氧化硅，40份；(6)氧化钛，7份；(7)纳米二氧化钍，12份。
其中，纳米氧化镍和纳米氧化镁的质量之比为1:2。
根据本发明提供的耐高温陶瓷粉涂层材料的制备方法制备上述耐高温陶瓷粉涂层材料，制备步骤如下：
(1)称量：准确称取各个组分；
(2)研磨：将各个组分混合在一起，搅拌均匀之后，放入研磨机进行研磨；
(3)煅烧：将步骤(3)得到的混合物放入模具，进行高温煅烧，温度为1450℃，压力为7GPa，时间2.5h；
(4)冷却：煅烧结束之后，待冷却至室温，取出，即得到耐高温陶瓷粉涂层材料。
申请号为201310467089.8的专利文献“在金属基体陶瓷涂层上制备纳米改性非晶陶瓷涂层的方法”公开的技术方案制备纳米改性非晶陶瓷涂层，为对照组；将上述实施例和对照组进行材料性能的测试。
(1)陶瓷涂层材料进行硬度、强度和韧性
对实施例和对照组的陶瓷涂层材料进行硬度、强度和韧性的性能测试，结果如表1所示：
表1陶瓷涂层材料硬度、强度和韧性性能测定
由表可知，在硬度性能上，实施例1-5均高于对照组，表现优异，其中实施例3硬度最佳；在强度性能上，实施例1-5均高于对照组，差异不显著，实施例3性能最优；在断裂韧性性能上，实施例1-5均高于对照组，且差距较大，其中实施例3的性能最好。
实施例3的综合性能最佳，实施例4和实施例5的性能却表现一般，这和氧化铝的晶型有关。
(2)耐高温性能和耐腐蚀性能
将实施例1-5和对照组的涂层材料进行耐高温和耐腐蚀性能测试，结果如表2所示：
表2陶瓷涂层材料耐高温和耐腐蚀性能测定
由上表可知，实施例1-5和对照组的耐酸耐碱性都较好；实施例1-5的高温耐受性优于对照组，且较为优异。
综上可知，本发明提供的耐高温陶瓷粉涂层材料具有较高的硬度、强度和韧性，且具有优良的耐高温和耐腐蚀性能。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (8)
1.一种耐高温陶瓷粉涂层材料，其特征在于，由以下质量份数的各个组分构成：
（1）碳化硅，15-30份；
（2）纳米氧化镍3-9份和纳米氧化镁6-12份；
（3）纳米Al2O3，15-23份；
（4）Ta2O5，2.5-4份；
（5）二氧化硅，25-45份；
（6）氧化钛，4.5-7.5份；
（7）纳米二氧化钍，5-15份。
2.根据权利要求1所述的耐高温陶瓷粉涂层材料，其特征在于：纳米Al2O3的晶型为β-Al2O3或γ-Al2O3。
3.根据权利要求1所述的耐高温陶瓷粉涂层材料，其特征在于：纳米氧化镍和纳米氧化镁的质量之比为0.25-1:1。
4.一种根据权利要求1-3任一项所述的耐高温陶瓷粉涂层材料的制备方法，其特征在于，制备步骤如下：
（1）称量：准确称取各个组分；
（2）研磨：将各个组分混合在一起，搅拌均匀之后，放入研磨机进行研磨；
（3）煅烧：将步骤（2）得到的混合物放入模具，进行高温煅烧；
（4）冷却：煅烧结束之后，待冷却至室温，取出，即得到耐高温陶瓷粉涂层材料。
5.根据权利要求4所述的耐高温陶瓷粉涂层材料的制备方法，其特征在于：步骤（3）中高温煅烧的温度为1200℃-1600℃。
6.根据权利要求4所述的耐高温陶瓷粉涂层材料的制备方法，其特征在于：步骤（3）中高温煅烧的压力为5-8GPa。
7.根据权利要求4所述的耐高温陶瓷粉涂层材料的制备方法，其特征在于：步骤（3）中高温煅烧的时间为1-3h。
8.根据权利要求4所述的耐高温陶瓷粉涂层材料的制备方法，其特征在于：步骤（4）中混合物冷却至室温，取出进行破碎处理，然后过筛，筛孔的尺寸为100-200目，过筛次数为3次，即得到耐高温陶瓷粉涂层材料粉体材料。
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