CN108314468A - 纳米金属粉末增强的碳化硅/石墨复合陶瓷涂层及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了纳米金属粉末增强的碳化硅/石墨复合陶瓷涂层，它包括碳化硅微粉100份、纳米金属粉末2~8份、超细石墨粉末2~8份、粘接剂5~10份和分散剂1~3份；它还公开了制备方法，包括以下步骤：S1、研磨混合；S2、湿法球磨；S3、复合粉体；S4、涂层制备。本发明的有益效果是：绿色环保，喷涂工艺简单，所获得的复合陶瓷涂层，具有陶瓷材料的耐高温、耐磨和耐腐蚀等优点，同时兼具金属材料的强度和韧度。

Description

纳米金属粉末增强的碳化硅/石墨复合陶瓷涂层及其制备 方法

技术领域

本发明涉及陶瓷技术领域，特别是纳米金属粉末增强的碳化硅/石墨复合陶瓷涂层及其制备方法。

背景技术

碳化硅陶瓷涂层，具有耐高温、耐化学腐蚀、导热系数高、热膨胀系数低、介电及透波等优点，已被广泛地应用于宇航、国防、石油、化工、机械、冶金、交通和电力等诸多领域。20世纪90年代以来,碳化硅陶瓷涂层应用得到了持续高速的发展。在欧美发达国家，年增长率持续保持在12％以上,有的领域(如航空发动机碳化硅热障涂层)应用的年增长率高达20％。

但是，由于碳化硅属于具有较强共价键结合的稳定化合物，因此很难实现高温烧结环境下的材料致密性，使该材料出现脆性大、易产生裂纹和使用寿命短等缺点，限制了进一步的应用推广。所以，亟需开发具有微纳米微观致密结构的高强度、高韧性、耐高温、耐磨和耐腐蚀的碳化硅复合陶瓷涂层。

纳米金属粉末由于本身晶粒的细化，可使晶界数量大幅度增加。被引入陶瓷涂层后，可提高涂层与基体的界面结合强度、断裂韧性、耐蚀耐磨性和抗高温氧化性等。超细石墨粉体材料由于独特的“体积效应”和“表面效应”，使其具有化学活性高、磁性强、热传导好、对电磁波的异常吸收等特性，近年来已成为高分子化学、无机化学和材料科学等多学科交叉的前沿研究领域。引入陶瓷涂层后，将大幅度提高涂层的耐化学腐蚀性、抗疲劳性和介电透波性。

涂层热喷涂技术的优势在于对基材材质无特殊要求，具有涂层厚度可控、喷涂设备简单、喷涂沉积速率快和经济效益显著等优点。近年来，随着纳米粉体制备技术的重大突破，热喷涂纳米结构涂层技术，正成为热喷涂领域一个重要的发展方向。由于具有工艺简单、涂层材料和基体材料选择范围广、沉积效率高以及容易形成复合涂层等优点，该涂层技术具有很强的技术竞争力和广阔的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供获得具有微纳米结构的耐高温、耐磨和耐腐蚀的纳米金属粉末增强的碳化硅/石墨复合陶瓷涂层及其制备方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：纳米金属粉末增强的碳化硅/石墨复合陶瓷涂层，它包括碳化硅微粉100份、纳米金属粉末2～8份、超细石墨粉末2～8份、粘接剂5～10份和分散剂1～3份。

所述碳化硅微粉的D50直径为5～10微米，碳化硅微粉的纯度大于99.5％。

所述纳米金属粉末为纳米钨粉、纳米铁粉、纳米铝粉、纳米银粉和纳米锆粉中的任意或多种。

所述超细石墨粉末的D50直径为10～30微米，超细石墨粉末纯度大于99.5％。

所述粘接剂为羧甲基纤维素钠、钾水玻璃、羟乙基纤维素和木质素纤维中的或多种。

所述分散剂为硅烷偶联剂KH570、3～氨丙基三乙氧基硅烷、聚乙二醇、十八烷基三甲基氯化铵和十六烷基磺酸钠中的任意或多种。

所述纳米金属粉末增强的碳化硅/石墨复合陶瓷涂层的制备方法，它包括以下步骤：

S1、研磨混合：将碳化硅微粉、纳米金属粉末、超细石墨粉末、粘接剂在研钵中研磨混合均匀；

S2、湿法球磨：加入80～120％的去离子水和1～3％的分散剂，在行星球磨机内，按照1000～2000r/min的转速进行湿法球磨15～20h，获得均相悬浮液；

S3、复合粉体：将上述悬浮液烘干粉碎后，用80～200目筛子过筛，获得混合粉体；

S4、涂层制备：将上述粉体在1200～1600℃的高温下融化0.5～2.0h，形成熔融或半熔融状态的粒子流，以500～2000m/s的速度喷涂于金属基体表面，获得碳化硅/石墨复合陶瓷涂层。

本发明具有以下优点：(1)本发明是将碳化硅微粉、纳米金属粉末、超细石墨粉末和粘接剂，按照一定的比例进行湿法球磨分散，获得均匀悬浮液。此后采用纳米热喷涂技术，获得复合陶瓷涂层。(2)该方法使用的材料绿色环保，喷涂工艺简单，所获得的复合陶瓷涂层，具有陶瓷材料的耐高温、耐磨和耐腐蚀等优点，同时兼具金属材料的强度和韧度，是新型复合陶瓷涂层材料。

具体实施方式

下面对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：

实施例1

纳米金属粉末增强的碳化硅/石墨复合陶瓷涂层，它包括碳化硅微粉100份、纳米钨粉3份、超细石墨粉末3份、羧甲基纤维素钠6份和3～氨丙基三乙氧基硅烷2份。

其制备步骤如下：将碳化硅微粉、纳米钨粉、超细石墨粉末和羧甲基纤维素钠，按照重量份100:3:3:6的比例在研钵中研磨混合均匀；加入100％的去离子水和2％的分散剂，在行星球磨机内，按照1500r/min的转速进行湿法球磨18h，获得均相悬浮液；将上述悬浮液烘干粉碎后，用80目筛子过筛，获得混合粉体；将上述粉体在1500℃的高温下融化1.0h，形成熔融状态的粒子流，以1000m/s的速度喷涂于金属基体表面，获得碳化硅/石墨复合陶瓷涂层。本实施例获得的纳米金属粉末增强的碳化硅/石墨复合陶瓷涂层的性能评价结果见表1。

表1 涂层性能评价结果

实施例2

纳米金属粉末增强的碳化硅/石墨复合陶瓷涂层，各组分的重量份为：碳化硅微粉100份、纳米铁粉2份、超细石墨粉末3份、钾水玻璃8份和十八烷基三甲基氯化铵3份。

其制备步骤如下：将碳化硅微粉、纳米铁粉、超细石墨粉末和钾水玻璃，按照重量份100:2:3:8的比例在研钵中研磨混合均匀；加入120％的去离子水和3％的分散剂，在行星球磨机内，按照1800r/min的转速进行湿法球磨20h，获得均相悬浮液；将上述悬浮液烘干粉碎后，用200目筛子过筛，获得混合粉体；将上述粉体在1500℃的高温下融化1.5h，形成熔融状态的粒子流，以1200m/s的速度喷涂于金属基体表面，获得碳化硅/石墨复合陶瓷涂层。本实施例获得的纳米金属粉末增强的碳化硅/石墨复合陶瓷涂层的性能评价结果见表2。

表2 涂层性能评价结果

实施例3

纳米金属粉末增强的碳化硅/石墨复合陶瓷涂层，它包括碳化硅微粉100份、纳米铝粉3份、超细石墨粉末3份、羟乙基纤维素6份和聚乙二醇3份。

其制备步骤如下：将碳化硅微粉、纳米铝粉、超细石墨粉末和羟乙基纤维素，按照重量份100:3:3:6的比例在研钵中研磨混合均匀；加入100％的去离子水和3％的分散剂，在行星球磨机内，按照1500r/min的转速进行湿法球磨16h，获得均相悬浮液；将上述悬浮液烘干粉碎后，用100目筛子过筛，获得混合粉体；将上述粉体在1600℃的高温下融化2.0h，形成熔融状态的粒子流，以1800m/s的速度喷涂于金属基体表面，获得碳化硅/石墨复合陶瓷涂层。本实施例获得的纳米金属粉末增强的碳化硅/石墨复合陶瓷涂层的性能评价结果见表3。

表3 涂层性能评价结果

实施例4

纳米金属粉末增强的碳化硅/石墨复合陶瓷涂层，各组分的重量份为：碳化硅微粉100份、纳米钨粉1份、纳米锆粉2份、超细石墨粉末3份、羧甲基纤维素钠4份、木质纤维素4份和十六烷基磺酸钠3份。

其制备步骤如下：将碳化硅微粉、纳米钨粉、纳米锆粉、超细石墨粉末、羧甲基纤维素钠和木质纤维素，按照重量份100:1:2:3:4:4的比例在研钵中研磨混合均匀；加入碳化硅微粉重量100％的去离子水和3％的分散剂，在行星球磨机内，按照1800r/min的转速进行湿法球磨20h，获得均相悬浮液；将上述悬浮液烘干粉碎后，用100目筛子过筛，获得混合粉体；将上述粉体在1500℃的高温下融化1.5h，形成熔融状态的粒子流，以1500m/s的速度喷涂于金属基体表面，获得碳化硅/石墨复合陶瓷涂层。本实施例获得的纳米金属粉末增强的碳化硅/石墨复合陶瓷涂层的性能评价结果见表4。

表4 涂层性能评价结果

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及实施例内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.纳米金属粉末增强的碳化硅/石墨复合陶瓷涂层，其特征在于：它包括碳化硅微粉100份、纳米金属粉末2～8份、超细石墨粉末2～8份、粘接剂5～10份和分散剂1～3份。

2.根据权利要求1所述的纳米金属粉末增强的碳化硅/石墨复合陶瓷涂层，其特征在于：所述碳化硅微粉的D50直径为5～10微米，碳化硅微粉的纯度大于99.5％。

3.根据权利要求1所述的纳米金属粉末增强的碳化硅/石墨复合陶瓷涂层，其特征在于：所述纳米金属粉末为纳米钨粉、纳米铁粉、纳米铝粉、纳米银粉和纳米锆粉中的任意或多种。

4.根据权利要求1所述的纳米金属粉末增强的碳化硅/石墨复合陶瓷涂层，其特征在于：所述超细石墨粉末的D50直径为10～30微米，超细石墨粉末纯度大于99.5％。

5.根据权利要求1所述的纳米金属粉末增强的碳化硅/石墨复合陶瓷涂层，其特征在于：所述粘接剂为羧甲基纤维素钠、钾水玻璃、羟乙基纤维素和木质素纤维中的或多种。

6.根据权利要求1所述的纳米金属粉末增强的碳化硅/石墨复合陶瓷涂层，其特征在于：所述分散剂为硅烷偶联剂KH570、3～氨丙基三乙氧基硅烷、聚乙二醇、十八烷基三甲基氯化铵和十六烷基磺酸钠中的任意或多种。

7.根据权利要求1～6中任意一项所述纳米金属粉末增强的碳化硅/石墨复合陶瓷涂层的制备方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1、研磨混合：将碳化硅微粉、纳米金属粉末、超细石墨粉末、粘接剂在研钵中研磨混合均匀；

S2、湿法球磨：加入80～120％的去离子水和1～3％的分散剂，在行星球磨机内，按照1000～2000r/min的转速进行湿法球磨15～20h，获得均相悬浮液；

S3、复合粉体：将上述悬浮液烘干粉碎后，用80～200目筛子过筛，获得混合粉体；

S4、涂层制备：将上述粉体在1200～1600℃的高温下融化0.5～2.0h，形成熔融或半熔融状态的粒子流，以500～2000m/s的速度喷涂于金属基体表面，获得碳化硅/石墨复合陶瓷涂层。