CN107759251A - 一种多孔陶瓷表面高韧性陶瓷涂层的制备方法 - Google Patents

一种多孔陶瓷表面高韧性陶瓷涂层的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多孔陶瓷表面高韧性陶瓷涂层的制备方法，该方法特征是通过原位生成纳米线与反应熔渗相结合的方法，在多孔陶瓷表面制备纳米线增韧的陶瓷涂层。即：首先，采用涂刷法在多孔陶瓷表层制备一层非晶纳米Si3N4粉体。之后，采用CVD法在多孔陶瓷表面原位生成一层陶瓷纳米线。最后，通过反应熔渗，使低共熔温度的陶瓷粉体熔融形成液相渗入到陶瓷纳米线层中，制备出纳米线增韧的陶瓷涂层。这种制备方法不仅能够解决了纳米线不易在涂层中均匀分散的难题，提高了涂层的韧性，而且强化了涂层与基体之间的界面结合。该方法制备的陶瓷涂层较为致密，并具有较高的断裂韧性，提高多孔陶瓷的硬度、强度、抗热冲击能力等性能。

Description

一种多孔陶瓷表面高韧性陶瓷涂层的制备方法
技术领域
本发明属于陶瓷涂层的制备方法技术领域，具体涉及一种在多孔陶瓷基体表面制备高韧性陶瓷涂层的方法。
背景技术
多孔陶瓷具有密度低、良好的综合力学性能、优异的高温稳定性、低的介电常数和介电损耗、良好的隔热性能、可加工等优异的性能，是一种良好的结构功能一体化材料，可以作为隔热材料、透波材料等。但多孔陶瓷的表面和内部均是多孔结构，且孔道多为连通，因此在使用过程中存在几个问题：（1）多孔陶瓷易吸附环境中的水汽，降低了材料的介电性能和隔热性能。（2）多孔结构降低了材料的机械性能。一方面，气孔的存在使材料负载面积减少，减弱了材料的负载能力；另一方面，气孔在材料中相当于缺陷，容易引起应力集中和裂纹萌生，从而导致材料的机械性能降低。因此，多孔陶瓷在某些领域中的应用受到了很大的限制。
针对多孔陶瓷在实际使用时存在的问题，需要在多孔陶瓷表面制备一层致密陶瓷涂层，来隔离环境中的水汽，提高多孔陶瓷的机械性能。目前，现有的涂层材料及其制备方法主要包括以下几个方面：（1）耐热有机树脂涂层。Goto等人通过喷雾法或溶液浸渍法在多孔陶瓷表面涂覆一层耐热有机树脂，如聚醚石风、聚苯醚、聚醚酰亚胺或有机硅树脂等。有机树脂涂层能有效地封住多孔陶瓷表面气孔，隔离了环境中的水汽。但是，有机树脂的使用温度较低，耐热温度一般不能超过300℃。（2）化学气相沉积（CVD）制备 Si3N4涂层。美国波音公司的Koetje、以色列的Barta等人采用CVD法在多孔氮化物陶瓷表面制备出致密Si3N4涂层。该涂层具有较高的机械强度、良好的耐雨蚀和耐砂蚀能力。在国内，一些研究人员也采用CVD法在多孔氮化物陶瓷表面制备出Si3N4涂层，所制备的涂层结构均匀且致密，不仅起到较好的防潮作用，而且明显地提高了多孔氮化物陶瓷的力学性能。但是，由CVD制备的Si3N4涂层通常是非晶Si3N4相，涂层的韧性和高温稳定性较差，导致涂层的抗热冲击能力较差。（3）无压烧结制备玻璃质涂层。无压烧结制备玻璃质涂层具有工艺简单、操作灵活、适合复杂形状的基体、涂层组织结构可调性强等特点。目前，制备的玻璃质涂层包括：Li2O-Al2O3-SiO2、α-Si3N4/CaO-B2O3-SiO2、α-Si3N4/Li2O-Al2O3-SiO2、α-Si3N4/Y2O3-Al2O3-SiO2等，结果表明：玻璃质涂层非常致密，能够封住多孔陶瓷表面的气孔，并且具有很好的硬度，但是涂层的韧性较差，导致涂层的抗热冲击能力较差。因此，如何提高涂层的强度、硬度、韧性等力学性能是一种重要的问题。
纳米线由于具有强度高、韧性高、可弯折等优异的力学性能得到研究人员高度重视。近几年来，大量文献报道：为了改善材料的韧性和抗热冲击能力，将纳米线与陶瓷或玻璃材料进行复合，制备出一维纳米材料增韧的复合材料，如：Si3N4NW/C/SiC、SiCNW/Li2O-Al2O3-SiO2、SiCW/SiC/玻璃、CNT/Al2O3、CNT/Si3N4等。结果表明：与陶瓷或玻璃材料相比，该复合材料的强度、断裂韧性和抗热冲击能力均得到极大提高。由此可知，将陶瓷纳米线引入到多孔陶瓷表面涂层中，必然会极大改善涂层的强度、韧性、抗热冲击能力等性能。
如果将陶瓷粉体与纳米线直接混合，之后采用料浆法和高温烧结制备纳米线增韧的陶瓷涂层时，会出现两个问题：1）涂层中纳米线的含量受到限制。由于纳米线的表观密度较小，大量的纳米线很难与陶瓷粉体均匀混合。因此，采用此方法制备涂层时，涂层中纳米线的含量势必会受到很大的限制。2）纳米线很难均匀分散在涂层中。纳米线的比表面积较大，很容易产生团聚，使得纳米线不能均匀分散在涂层中，导致涂层的整体性能降低。
发明内容
发明目的
为了克服上述现有技术存在的缺点，本发明提出一种多孔陶瓷表面高韧性陶瓷涂层的制备方法。采用该方法制备的陶瓷涂层不仅能够控制涂层中纳米线的含量，而且能够使纳米线均匀地分散在涂层中，从而提高涂层的强度和断裂韧性。
技术方案
一种多孔陶瓷表面高韧性陶瓷涂层的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1，基体处理：选取多孔陶瓷为基体，使用砂纸研磨至基体表面光滑平整，然后将研磨后的多孔陶瓷基体放入无水乙醇中超声清洗10～50min，清洗大于等于两次后将基体放入烘箱，在70～80℃下烘干10～12h；
步骤2，在多孔陶瓷表层制备非晶纳米Si3N4粉体层：首先，将非晶纳米Si3N4粉体和蒸馏水混合，其固含量为15wt%，经过超声振荡10～50min，之后利用离心机对料浆进行分离处理2～10min，取上层悬浮液作为使用的非晶纳米Si3N4料浆；然后，将非晶纳米Si3N4悬浮液反复涂刷在多孔陶瓷的表面，悬浮液会渗入多孔陶瓷的表层中，再经过50～100℃干燥3～10h，制得非晶纳米Si3N4粉体层；
步骤3，在多孔陶瓷表面制备陶瓷纳米线层：首先，将硅烷溶胶涂覆在多孔陶瓷表面，经过50～120℃干燥处理2～8h，形成一层硅烷凝胶；然后，在气氛保护情况下，1400～1500℃烧结2～15h，在多孔陶瓷表面制备出陶瓷纳米线层；
步骤4，在陶瓷纳米线层表面制备低共熔温度陶瓷粉体层：首先，将低共熔温度的陶瓷粉体和无水乙醇混合，其固含量为30wt%，以氮化硅球为磨球，将陶瓷原料粉体和无水乙醇的混合物以及氮化硅磨球置于球磨罐中球磨8～12h，制备成陶瓷料浆，再经过50～100℃干燥5～10h，得到陶瓷粉体混合物，然后，采用包埋法将陶瓷粉体混合物包覆在陶瓷纳米线层表面，由步骤2～4，从而在多孔陶瓷表面形成三层结构，即：非晶纳米Si3N4粉体层、陶瓷纳米线层以及陶瓷粉体层；
步骤5，将上述制得的素坯在气氛保护情况下，1500～1600℃烧结1～4h，气压为0.1～0.25MPa，在多孔陶瓷表面制备出纳米线增韧的高韧性陶瓷涂层。
步骤1所述多孔陶瓷基体的气孔率为30～60%，气孔孔径为0.5～5μm。
步骤2所述非晶纳米Si3N4粉体的粒径10～50nm，离心机转速为4000r/min。
步骤3所述陶瓷纳米线层是由纳米线组成，其中纳米线分别为Si3N4纳米线或SiC纳米线，烧结气氛分别为N2或Ar。
步骤4所述低共熔温度的陶瓷原料粉体分别为α-Si3N4/Y-Si-Al-O-N或Si/C/Al2O3或α-Si3N4/B-Si-Al-O，其质量百分比分别为：α-Si3N4/Y-Si-Al-O-N=（0～4）:（6～10）或Si/C/Al2O3=（6～8）:（1～2.5）:（1～1.5）或α-Si3N4/B-Si-Al-O=（0～5）:（5～10）。
步骤5所述烧结，具体过程为：1000℃以下升温速率为10℃/min，1000℃以上升温和降温速率均为2℃/min，1000～500℃降温速率为2℃/min，500℃以下随炉冷却至常温，烧结气氛分别为N2或Ar。
步骤4所述氮化硅磨球尺寸为2～20mm。
步骤1所述砂纸研磨为使用800目和1000目的砂纸逐次研磨至基体表面光滑平整。
优点及效果：
和现有方法相比，本发明具有如下优点：
1）原位生成的陶瓷纳米线不仅能均匀地分散在涂层中，使涂层的微观结构更加均匀，解决了纳米线不易在涂层中均匀分散的难题，而且可以通过控制CVD工艺来调控涂层中纳米线的含量；使涂层具有较好的韧性，进而提高了涂层的韧性、强度、抗热冲击能力等性能；
2）少量液相穿过涂层渗入到多孔陶瓷表层，与非晶纳米Si3N4粉体反应形成过渡层，在基体与涂层之间的界面形成钉扎和连结效应，强化了涂层与基体之间的界面结合；
3）在多孔陶瓷基体表层的非晶纳米Si3N4粉体层能够起到阻挡层的作用，阻止液相向多孔陶瓷内部的严重浸渗，从而减小对多孔陶瓷性能的影响。
附图说明
图1为本发明制备涂层的原理示意图；
图2为Si3N4NW/α-Si3N4/Y-Si-Al-O-N涂层截面的微观形貌；
图3为SiCNW/Si/SiC涂层截面的微观形貌；
图4为Si3N4NW/α-Si3N4/B-Si-Al-O-N涂层截面的微观形貌。
附图标记说明：1.多孔陶瓷；2.非晶纳米Si3N4粉体层；3.陶瓷纳米线层；4.低共熔温度陶瓷粉体层；5.高韧性陶瓷涂层；6.过渡层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
如图1所示，发明制备涂层的原理：采用原位生成纳米线与反应熔渗相结合的方法，在多孔陶瓷表面制备出致密、界面结合良好、高韧性的纳米线增韧陶瓷涂层。第一步，通过研磨、超声清洗、干燥制备多孔陶瓷1；第二步，采用料浆涂刷法在多孔陶瓷1表层制备一层非晶纳米Si3N4粉体层2；第三步，采用CVD法在多孔陶瓷1表面原位生成一层陶瓷纳米线层3；第四步，采用包埋法在纳米线层3表面沉积一层低共熔温度的陶瓷粉体层4；第五步，采用反应熔渗法制备出在多孔陶瓷表面具有微观双层结构的涂层，即：纳米线增韧的高韧性陶瓷涂层5和过渡层6。在高温烧结过程中，低共熔温度的陶瓷粉体混合物会熔融形成液相。在毛细管力作用下，液相渗入陶瓷纳米线层中，形成纳米线增韧的陶瓷涂层。同时，少量液相会穿过涂层渗入到多孔陶瓷基体表层，与非晶纳米Si3N4粉体反应，在涂层与多孔基体之间形成过渡层。涂层的作用主要是隔离水汽，强化基体，过渡层的作用主要是强化涂层与基体之间的界面结合。
低共熔温度的陶瓷原料粉为现有技术制备的氧化物玻璃粉和陶瓷粉的混合物。
实施例1：
本实施例是在多孔氮化硅陶瓷表面制备Si3N4NW/α-Si3N4/Y-Si-Al-O-N陶瓷涂层，包括以下步骤：
步骤1，基体处理：首先选用气孔率为60%，孔径为1μm的多孔氮化硅为基体，然后选用目数为800目和1000目的砂纸逐次对多孔氮化硅陶瓷基体进行细磨；将细磨后的多孔氮化硅陶瓷基体放入无水乙醇中进行超声清洗30min；将清洗过两次以上的多孔氮化硅陶瓷基体放入烘箱中烘干12h，烘干温度为80℃。
步骤2，在多孔氮化硅陶瓷表层制备非晶纳米Si3N4粉体层：首先，将粒径10～50nm的非晶纳米Si3N4粉体和蒸馏水混合，其固含量为15wt%，经过超声振荡30min，之后利用离心机对料浆进行分离处理5min，离心机转速为4000r/min，取上层悬浮液作为使用的纳米Si3N4料浆；然后，将纳米Si3N4悬浮液反复涂刷在多孔陶瓷的表面，悬浮液会渗入多孔陶瓷的表层中，再经过80℃干燥5h，制得非晶纳米Si3N4粉体层。
步骤3，在多孔氮化硅陶瓷表面制备Si3N4纳米线层：首先，将硅烷溶胶涂覆在多孔氮化硅陶瓷表面，经过100℃干燥处理6h，形成一层硅烷凝胶；然后，在N2气氛下，1500℃烧结10h，在多孔氮化硅陶瓷表面制备出Si3N4纳米线层。
步骤4，在Si3N4纳米线层表面制备α-Si3N4/Y-Si-Al-O-N陶瓷粉体层：首先，将α-Si3N4粉和Y-Si-Al-O-N玻璃粉加入到无水乙醇中，其中α-Si3N4/Y-Si-Al-O-N质量百分比为1:2，固含量为30wt%。然后，将陶瓷原料粉体和无水乙醇的混合物以及氮化硅磨球置于球磨罐中球磨12h，制备成陶瓷料浆，所述氮化硅磨球尺寸为2～20mm。再经过80℃干燥8h，得到α-Si3N4/Y-Si-Al-O-N陶瓷粉体混合物。最后，采用包埋法将α-Si3N4/Y-Si-Al-O-N陶瓷粉体混合物包覆在Si3N4纳米线层表面。这样就在多孔氮化硅陶瓷表面形成了三层结构，即：非晶纳米Si3N4粉体层、Si3N4纳米线层以及α-Si3N4/Y-Si-Al-O-N陶瓷粉体层。
步骤5，在多孔氮化硅陶瓷表面制备高韧性Si3N4NW/α-Si3N4/Y-Si-Al-O-N涂层：将上述制得的素坯在1600℃下进行烧结，烧结时间为1h，烧结气氛为N2，气压为0.15MPa，制备出高韧性的Si3N4NW/α-Si3N4/Y-Si-Al-O-N陶瓷涂层。炉温在1000℃以下升温速率为10℃/min，1000℃以上升温和降温速率均为2℃/min，1000～500℃降温速率为2℃/min，500℃以下随炉冷却至常温，烧结气氛为N2。该条件的升温和降温没有裂纹产生，涂层力学性能好。
经过实验，本实施例步骤4在同样实验条件下α-Si3N4/Y-Si-Al-O-N质量百分比为（0～4）:（6～10），同样可以实现发明目的。
图2为本实施例制备的Si3N4NW/α-Si3N4/Y-Si-Al-O-N陶瓷涂层的截面微观形貌。可以看出涂层较为致密，涂层的厚度约为100μm。同时，涂层与多孔陶瓷之间界面不清晰，液相向多孔基体中渗入，说明在涂层与多孔陶瓷之间形成了过渡层，强化了涂层与多孔陶瓷的界面结合。经测定制备出Si3N4NW/α-Si3N4/Y-Si-Al-O-N涂层后，多孔氮化硅陶瓷吸水率下降了80%，硬度、断裂韧性、抗热冲击能力均得到明显提高。
实施例2：
本实施例是在多孔氮化硅陶瓷表面制备Si3N4NW/α-Si3N4/Y-Si-Al-O-N陶瓷涂层，包括以下步骤：
步骤1，基体处理：首先选用气孔率为30%，孔径为0.5μm的多孔氮化硅为基体，然后选用目数为800目和1000目的砂纸逐次对多孔氮化硅陶瓷基体进行细磨；将细磨后的多孔氮化硅陶瓷基体放入无水乙醇中进行超声清洗10min；将清洗过两次以上的多孔氮化硅陶瓷基体放入烘箱中烘干12h，烘干温度为70℃。
步骤2，在多孔氮化硅陶瓷表层制备非晶纳米Si3N4粉体层：首先，将粒径10～50nm的非晶纳米Si3N4粉体和蒸馏水混合，其固含量为15wt%，经过超声振荡10min，之后利用离心机对料浆进行分离处理2min，离心机转速为4000r/min，取上层悬浮液作为使用的纳米Si3N4料浆；然后，将纳米Si3N4悬浮液反复涂刷在多孔陶瓷的表面，悬浮液会渗入多孔陶瓷的表层中，再经过50℃干燥10h，制得非晶纳米Si3N4粉体层。
步骤3，在多孔氮化硅陶瓷表面制备Si3N4纳米线层：首先，将硅烷溶胶涂覆在多孔氮化硅陶瓷表面，经过50℃干燥处理8h，形成一层硅烷凝胶；然后，在Ar气氛下，1400℃烧结2h，在多孔氮化硅陶瓷表面制备出Si3N4纳米线层。
步骤4，在Si3N4纳米线层表面制备α-Si3N4/Y-Si-Al-O-N陶瓷粉体层：首先，将α-Si3N4粉和Y-Si-Al-O-N玻璃粉加入到无水乙醇中，其中α-Si3N4/Y-Si-Al-O-N质量百分比为1:2，固含量为30wt%。然后，将陶瓷原料粉体和无水乙醇的混合物以及氮化硅磨球置于球磨罐中球磨8h，制备成陶瓷料浆，所述氮化硅磨球尺寸为2～20mm。再经过50℃干燥10h，得到α-Si3N4/Y-Si-Al-O-N陶瓷粉体混合物。最后，采用包埋法将α-Si3N4/Y-Si-Al-O-N陶瓷粉体混合物包覆在Si3N4纳米线层表面。这样就在多孔氮化硅陶瓷表面形成了三层结构，即：非晶纳米Si3N4粉体层、Si3N4纳米线层以及α-Si3N4/Y-Si-Al-O-N陶瓷粉体层。
步骤5，在多孔氮化硅陶瓷表面制备高韧性Si3N4NW/α-Si3N4/Y-Si-Al-O-N涂层：将上述制得的素坯在1500℃下进行烧结，烧结时间为4h，烧结气氛为Ar，气压为0.1MPa，制备出高韧性的Si3N4NW/α-Si3N4/Y-Si-Al-O-N陶瓷涂层。炉温在1000℃以下升温速率为10℃/min，1000℃以上升温和降温速率均为2℃/min，1000～500℃降温速率为2℃/min，500℃以下随炉冷却至常温，烧结气氛为Ar。该条件的升温和降温没有裂纹产生，涂层力学性能好。
经过实验，本实施例步骤4在同样实验条件下α-Si3N4/Y-Si-Al-O-N质量百分比为（0～4）:（6～10），同样可以实现发明目的。
本实施例制备的Si3N4NW/α-Si3N4/Y-Si-Al-O-N陶瓷涂层较为致密，涂层的厚度约为80μm。同时，液相向多孔基体中渗入，在涂层与多孔陶瓷之间形成了过渡层，强化了涂层与多孔陶瓷的界面结合。经测定制备出Si3N4NW/α-Si3N4/Y-Si-Al-O-N涂层后，多孔氮化硅陶瓷吸水率下降了75%，硬度、断裂韧性、抗热冲击能力均得到明显提高。
实施例3：
本实施例是在多孔氮化硅陶瓷表面制备Si3N4NW/α-Si3N4/Y-Si-Al-O-N陶瓷涂层，包括以下步骤：
步骤1，基体处理：首先选用气孔率为60%，孔径为5μm的多孔氮化硅为基体，然后选用目数为800目和1000目的砂纸逐次对多孔氮化硅陶瓷基体进行细磨；将细磨后的多孔氮化硅陶瓷基体放入无水乙醇中进行超声清洗50min；将清洗过两次以上的多孔氮化硅陶瓷基体放入烘箱中烘干10h，烘干温度为80℃。
步骤2，在多孔氮化硅陶瓷表层制备非晶纳米Si3N4粉体层：首先，将粒径10～50nm的非晶纳米Si3N4粉体和蒸馏水混合，其固含量为15wt%，经过超声振荡50min，之后利用离心机对料浆进行分离处理10min，离心机转速为4000r/min，取上层悬浮液作为使用的纳米Si3N4料浆；然后，将纳米Si3N4悬浮液反复涂刷在多孔陶瓷的表面，悬浮液会渗入多孔陶瓷的表层中，再经过100℃干燥3h，制得非晶纳米Si3N4粉体层。
步骤3，在多孔氮化硅陶瓷表面制备Si3N4纳米线层：首先，将硅烷溶胶涂覆在多孔氮化硅陶瓷表面，经过120℃干燥处理2h，形成一层硅烷凝胶；然后，在N2气氛下，1500℃烧结15h，在多孔氮化硅陶瓷表面制备出Si3N4纳米线层。
步骤4，在Si3N4纳米线层表面制备α-Si3N4/Y-Si-Al-O-N陶瓷粉体层：首先，将α-Si3N4粉和Y-Si-Al-O-N玻璃粉加入到无水乙醇中，其中α-Si3N4/Y-Si-Al-O-N质量百分比为1:2，固含量为30wt%。然后，将陶瓷原料粉体和无水乙醇的混合物以及氮化硅磨球置于球磨罐中球磨12h，制备成陶瓷料浆。所述氮化硅磨球尺寸为2～20mm。再经过100℃干燥5h，得到α-Si3N4/Y-Si-Al-O-N陶瓷粉体混合物。最后，采用包埋法将α-Si3N4/Y-Si-Al-O-N陶瓷粉体混合物包覆在Si3N4纳米线层表面。这样就在多孔氮化硅陶瓷表面形成了三层结构，即：非晶纳米Si3N4粉体层、Si3N4纳米线层以及α-Si3N4/Y-Si-Al-O-N陶瓷粉体层。
步骤5，在多孔氮化硅陶瓷表面制备高韧性Si3N4NW/α-Si3N4/Y-Si-Al-O-N涂层：将上述制得的素坯在1600℃下进行烧结，烧结时间为1h，烧结气氛为N2，气压为0.25MPa，制备出高韧性的Si3N4NW/α-Si3N4/Y-Si-Al-O-N陶瓷涂层。炉温在1000℃以下升温速率为10℃/min，1000℃以上升温和降温速率均为2℃/min，1000～500℃降温速率为2℃/min，500℃以下随炉冷却至常温，烧结气氛为N2。该条件的升温和降温没有裂纹产生，涂层力学性能好。
经过实验，本实施例步骤4在同样实验条件下α-Si3N4/Y-Si-Al-O-N质量百分比为（0～4）:（6～10），同样可以实现发明目的。
本实施例制备的Si3N4NW/α-Si3N4/Y-Si-Al-O-N陶瓷涂层较为致密，涂层的厚度约为110μm。同时，液相向多孔基体中渗入，在涂层与多孔陶瓷之间形成了过渡层，强化了涂层与多孔陶瓷的界面结合。经测定制备出Si3N4NW/α-Si3N4/Y-Si-Al-O-N涂层后，多孔氮化硅陶瓷吸水率下降了78%，硬度、断裂韧性、抗热冲击能力均得到明显提高。
实施例4：
本实施例是在多孔氮化硅陶瓷表面制备SiCNW/Si/SiC陶瓷涂层，包括以下步骤：
步骤1，基体处理：首先选用气孔率为60%，孔径为1μm的多孔氮化硅为基体，然后选用目数为800目和1000目的砂纸逐次对多孔氮化硅陶瓷基体进行细磨；将细磨后的多孔氮化硅陶瓷基体放入无水乙醇中进行超声清洗30min；将清洗过两次以上的多孔氮化硅陶瓷基体放入烘箱中烘干12h，烘干温度为80℃。
步骤2，在多孔氮化硅陶瓷表层制备非晶纳米Si3N4粉体层：首先，将粒径10～50nm的非晶纳米Si3N4粉体和蒸馏水混合，其固含量为15wt%，经过超声振荡30min，之后利用离心机对料浆进行分离处理5min，离心机转速为4000r/min，取上层悬浮液作为使用的纳米Si3N4料浆；然后，将纳米Si3N4悬浮液反复涂刷在多孔氮化硅陶瓷的表面，悬浮液会渗入多孔氮化硅陶瓷的表层中，再经过80℃干燥5h，制得非晶纳米Si3N4粉体层。
步骤3，在多孔氮化硅陶瓷表面制备SiC纳米线层：首先，将硅烷溶胶涂覆在多孔氮化硅陶瓷表面，经过100℃干燥处理6h，形成一层硅烷凝胶；然后，在Ar气氛下，1400℃烧结10h，在多孔氮化硅陶瓷表面制备出SiC纳米线层。
步骤4，在SiC纳米线层表面制备Si/C/Al2O3陶瓷粉体层：首先，将Si粉、石墨粉、Al2O3粉加入到无水乙醇中，其中Si/C/Al2O3质量百分比为7:2:1，固含量为30%。然后，将陶瓷原料粉体和无水乙醇的混合物以及氮化硅磨球置于球磨罐中球磨12h，制备成陶瓷料浆。所述氮化硅磨球尺寸为2～20mm。再经过80℃干燥10h，得到Si/C/Al2O3陶瓷粉体混合物。最后，采用包埋法将Si/C/Al2O3陶瓷粉体混合物包覆在SiC纳米线层表面，这样就在多孔氮化硅陶瓷形成三层结构，即：非晶纳米Si3N4粉体层、SiC纳米线层以及Si/C/Al2O3陶瓷粉体层。
步骤5，在多孔氮化硅陶瓷表面制备高韧性SiCNW/ Si/SiC涂层：将上述制得的素坯在1500℃下进行烧结，烧结时间为1h，烧结气氛为Ar，气压为0.15MPa，制备出高韧性的SiCNW/Si/SiC陶瓷涂层。炉温在1000℃以下升温速率为10℃/min，1000℃以上升温和降温速率均为2℃/min，1000～500℃降温速率为2℃/min，500℃以下随炉冷却至常温，烧结气氛为N2。该条件的升温和降温没有裂纹产生，涂层力学性能好。
经过实验，本实施例步骤4在同样实验条件下Si/C/Al2O3质量百分比为（6～8）:（1～2.5）:（1～1.5），同样可以实现发明目的，Al2O3起到烧结助剂的作用。
图3为本实施例制备的SiCNW/ Si/SiC陶瓷涂层的截面微观形貌。可以看出涂层较为致密，并且出现液相向多孔基体中渗入的迹象，说明在涂层与多孔陶瓷之间形成了过渡层，强化了涂层与多孔陶瓷的界面结合，涂层的厚度约为80μm。经测定制备出SiCNW/ Si/SiC陶瓷涂层后，多孔氮化硅陶瓷吸水率下降了88%，强度、断裂韧性、抗热冲击能力均得到提高。
实施例5：
本实施例是在多孔Sialon陶瓷表面制备Si3N4NW/α-Si3N4/B-Si-Al-O-N陶瓷涂层，包括以下步骤：
步骤1：基体处理：首先选用气孔率为30%，孔径为2μm的多孔Sialon陶瓷为基体，然后选用目数为800目和1000目的砂纸逐次对多孔Sialon陶瓷基体进行细磨；将细磨后的多孔Sialon陶瓷基体放入无水乙醇中进行超声清洗30min；将清洗过两次以上的多孔Sialon陶瓷放入烘箱中烘干10h，烘干温度为70℃。
步骤2，在多孔Sialon陶瓷表层制备非晶纳米Si3N4粉体层：首先，将粒径10～50nm的非晶纳米Si3N4粉体和蒸馏水混合，其固含量为15wt%，经过超声振荡30min，之后利用离心机对料浆进行分离处理5min，离心机转速为4000r/min，取上层悬浮液作为使用的纳米Si3N4料浆；然后，将纳米Si3N4悬浮液反复涂刷在多孔Sialon陶瓷的表面，悬浮液会渗入多孔Sialon陶瓷的表层中，再经过80℃干燥5h，制得非晶纳米Si3N4粉体层。
步骤3，在多孔Sialon陶瓷表面制备Si3N4纳米线层：首先，将硅烷溶胶涂覆在多孔Sialon陶瓷表面，经过100℃干燥处理6h，形成一层硅烷凝胶；然后，在N2气氛下，1500℃烧结10h，在多孔Sialon陶瓷表面制备出Si3N4纳米线层。
步骤4，在Si3N4纳米线层表面制备α-Si3N4/B-Si-Al-O粉体层：首先，将α-Si3N4粉和B-Si-Al-O玻璃粉加入到无水乙醇中，其中α-Si3N4/B-Si-Al-O质量百分比为1:2，固含量为30wt%。然后，将陶瓷原料粉末和无水乙醇的混合物以及氮化硅磨球置于球磨罐中球磨12h，制备成陶瓷料浆。所述氮化硅磨球尺寸为2～20mm。再经过80℃干燥10h，得到α-Si3N4/B-Si-Al-O陶瓷粉体混合物。最后，采用包埋法将α-Si3N4/B-Si-Al-O陶瓷粉体包覆在Si3N4陶瓷纳米线层表面，从而在多孔Sialon陶瓷表面形成三层结构，即：非晶纳米Si3N4粉体层、Si3N4纳米线层以及α-Si3N4/B-Si-Al-O陶瓷粉体层；
步骤5，在多孔Sialon陶瓷表面制备高韧性Si3N4NW/α-Si3N4/B-Si-Al-O-N涂层：将上述制得的素坯在1500℃下进行烧结，烧结时间为1h，烧结气氛为N2，气压为0.15MPa，制备出高韧性的Si3N4NW/α-Si3N4/B-Si-Al-O-N陶瓷涂层。炉温在1000℃以下升温速率为10℃/min，1000℃以上升温和降温速率均为2℃/min，1000～500℃降温速率为2℃/min，500℃以下随炉冷却至常温，烧结气氛为N2。该条件的升温和降温没有裂纹产生，涂层力学性能好。
经过实验，本实施例步骤4在同样实验条件下α-Si3N4/B-Si-Al-O质量百分比为（0～5）:（5～10），同样可以实现发明目的。
图4为本实施例制备的Si3N4NW/α-Si3N4/B-Si-Al-O-N陶瓷涂层的截面微观形貌。可以看出涂层较为致密，涂层的厚度约为50μm。同时，涂层与多孔陶瓷之间界面不清晰，液相向多孔基体中渗入，说明在涂层与多孔陶瓷之间形成了过渡层，强化了涂层与多孔陶瓷的界面结合。经测定制备出Si3N4NW/α-Si3N4/B-Si-Al-O-N陶瓷涂层后，多孔Sialon陶瓷吸水率下降了75%，强度、断裂韧性、抗热冲击能力均得到极大提高。

Claims (8)

1.一种多孔陶瓷表面高韧性陶瓷涂层的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1，基体处理：选取多孔陶瓷为基体，使用砂纸研磨至基体表面光滑平整，然后将研磨后的多孔陶瓷基体放入无水乙醇中超声清洗10～50min，清洗大于等于两次后将基体放入烘箱，在70～80℃下烘干10～12h；
步骤2，在多孔陶瓷表层制备非晶纳米Si3N4粉体层：首先，将非晶纳米Si3N4粉体和蒸馏水混合，其固含量为15wt%，经过超声振荡10～50min，之后利用离心机对料浆进行分离处理2～10min，取上层悬浮液作为使用的非晶纳米Si3N4料浆；然后，将非晶纳米Si3N4悬浮液反复涂刷在多孔陶瓷的表面，悬浮液会渗入多孔陶瓷的表层中，再经过50～100℃干燥3～10h，制得非晶纳米Si3N4粉体层；
步骤3，在多孔陶瓷表面制备陶瓷纳米线层：首先，将硅烷溶胶涂覆在多孔陶瓷表面，经过50～120℃干燥处理2～8h，形成一层硅烷凝胶；然后，在气氛保护情况下，1400～1500℃烧结2～15h，在多孔陶瓷表面制备出陶瓷纳米线层；
步骤4，在陶瓷纳米线层表面制备低共熔温度陶瓷粉体层：首先，将低共熔温度的陶瓷粉体和无水乙醇混合，其固含量为30wt%，以氮化硅球为磨球，将陶瓷原料粉体和无水乙醇的混合物以及氮化硅磨球置于球磨罐中球磨8～12h，制备成陶瓷料浆，再经过50～100℃干燥5～10h，得到陶瓷粉体混合物，然后，采用包埋法将陶瓷粉体混合物包覆在陶瓷纳米线层表面，由步骤2～4，从而在多孔陶瓷表面形成三层结构，即：非晶纳米Si3N4粉体层、陶瓷纳米线层以及陶瓷粉体层；
步骤5，将上述制得的素坯在气氛保护情况下，1500～1600℃烧结1～4h，气压为0.1～0.25MPa，在多孔陶瓷表面制备出纳米线增韧的高韧性陶瓷涂层。
2.根据权利要求1所述的多孔陶瓷表面高韧性陶瓷涂层的制备方法，其特征在于：步骤1所述多孔陶瓷基体的气孔率为30～60%，气孔孔径为0.5～5μm。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤2所述非晶纳米Si3N4粉体的粒径10～50nm，离心机转速为4000r/min。
4.根据权利要求1所述的多孔陶瓷表面高韧性陶瓷涂层的制备方法，其特征在于：步骤3所述陶瓷纳米线层是由纳米线组成，其中纳米线分别为Si3N4纳米线或SiC纳米线，烧结气氛分别为N2或Ar。
5. 根据权利要求1所述的多孔陶瓷表面高韧性陶瓷涂层的制备方法，其特征在于：步骤4所述低共熔温度的陶瓷原料粉体分别为α-Si3N4/Y-Si-Al-O-N或Si/C/Al2O3或α-Si3N4/B-Si-Al-O，其质量百分比分别为：α-Si3N4/Y-Si-Al-O-N=（0～4）:（6～10）或 Si/C/Al2O3=（6～8）:（1～2.5）:（1～1.5）或α-Si3N4/B-Si-Al-O=（0～5）:（5～10）。
6.根据权利要求1所述的多孔陶瓷表面高韧性陶瓷涂层的制备方法，其特征在于：步骤5所述烧结，具体过程为：1000℃以下升温速率为10℃/min，1000℃以上升温和降温速率均为2℃/min，1000～500℃降温速率为2℃/min，500℃以下随炉冷却至常温，烧结气氛分别为N2或Ar。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤4所述氮化硅磨球尺寸为2～20mm。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤1所述砂纸研磨为使用800目和1000目的砂纸逐次研磨至基体表面光滑平整。
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