CN108385054A - 一种导电网络构型涂层及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种导电网络构型涂层，该涂层材料成分为TiB2，由相互贯通或封闭孔洞组成的网络结构，气孔率10～30％可调。其中，<1μm的气孔比率为5％，1～15μm的气孔比率为70％，>15μm的气孔比率为25％，涂层的室温电导率＞1×105Ω‑1·m‑1。本发明的特点在于涂层由相互贯通或封闭的孔洞构成，在具备TiB2材料性质化学稳定性高、导电性好、耐腐蚀这些优点的同时，还具有比表面积大等特点，可应用于过滤净化、催化、生物分离、储能及纳米反应器等领域。

Description

一种导电网络构型涂层及制备方法
技术领域
本发明属于化学材料领域，具体涉及一种导电网络构型涂层及制备方法。
背景技术
多孔陶瓷材料也称为气孔功能陶瓷，是一种经高温烧成，在成形与烧结过程中于材料体内形成大量彼此相通或闭合气孔的新型陶瓷材料。由于多孔陶瓷材料具有多孔性、高的比表面积、高吸附容量、透气阻力小、化学性质稳定、再生性能好以及耐高温、高压、耐化学腐蚀、绿色环保等优点，近年来得到了迅速的发展，已被广泛应用于过滤、净化分离、催化剂载体、吸声、减震、保温材料、生物材料、传感器材料以及航空航天材料等领域。多孔陶瓷材料的常见制备方法有干压成型、等静压成型、注浆成型、凝胶注模成型等，成型过程中可加入造孔剂、发泡剂等提高材料孔隙率。
TiB2为六方晶系C32型结构的准金属化合物，具有可与金属比拟的良好导电性(10-5Ω·m)，较强的耐金属铝液和氟化盐熔体腐蚀性能和优良的耐磨性，是一种优异的导电陶瓷材料，可应用于环保、能源化工、冶金、过滤分离、尾气处理以及生物医学等领域。但是，TiB2的共价键特性使得其熔点高达2980℃。按传统的烧结方法制备多孔材料，其烧结温度将在2000℃以上。加入烧结助剂可以降低烧结温度，但是低熔点烧结助剂的存在对陶瓷材料的高温性能不利，阻碍了多孔陶瓷材料性能的提高。同时，有机造孔剂与泡沫剂等的大量使用，也会对环境造成了严重破坏。因此，开发新型、绿色环保的制备工艺，制备出结构可控的TiB2多孔陶瓷材料亟待解决。
发明内容
本发明的目的之一是针对现有技术中存在的缺陷或不足，提供一种导电网络构型涂层，该涂层材料成分为TiB2，由相互贯通或封闭孔洞组成的网络结构，气孔率为10～30％，其中<1μm的气孔比率约为5％，1～15μm的气孔比率约为70％，>15μm的气孔比率约为25％，涂层的室温电导率＞1×105Ω-1·m-1，可应用于过滤净化、催化、储能及纳米反应器。
本发明的另一目的是提供一种新型的、绿色环保的，结构(如气孔体积、类型及分布等)可控的制备方法。
本发明的目的可通过如下技术方案实现：
(1)将TiB2粉体置于去离子水中，依次加入助剂、粘结剂、分散稳定剂，机械球磨分散4～8小时，配置成稳定的浆料；
(2)将上一步获得的浆料通过高速离心喷雾造粒，获得团聚粉末；
(3)将基体除污清洗，然后以步骤(2)的团聚粉末为喂料，采用大气等离子喷涂技术，制备200～500mm厚度的涂层，喷涂参数为：等离子喷涂净功率为30～60kW，等离子气体中氩气为20～60slpm，氢气为10～30slpm，送粉载气量2～5L/min，喷涂距离100～200mm，喷涂过程中，基体材料的温度控制在100～150℃。
(4)将步骤(3)制备的涂层浸入60～80℃的网络构型溶液中反应0.5～2h，然后用去离子水清洗至中性，置于马弗炉600～800℃热处理1～4h，自然冷却至室温。
所述的TiB2粉体是由碳热还原法、金属热还原法、高温自蔓延法、熔盐电解法、溶胶-凝胶法合成的一种或几种的混合物，平均粒度为3～5μm。所述的助剂为硅酸钇、二氧化硅、氧化钇、氧化镧、硅酸镱的一种或几种的混合物。
所述的悬浮浆料的组分与质量比为：TiB2粉体20％～60％，助剂1％～10％，粘结剂0.1-20％，分散稳定剂0.1-10％，余量为去离子水。
所述的团聚粉末结构松散，粒径为15～40μm。
所述的网络构型溶液是氢氧化钠、氢氧化钾、高氯酸、硝酸、氢氟酸、醋酸、氟化铵、硫酸、盐酸的一种或几种的混合物，浓度为1～10wt％。
本发明的有益效果：
(1)提供一种新型的、绿色环保的，结构(如气孔体积、类型及分布等)可控的TiB2多孔陶瓷材料制备方法，避免按传统的烧结方法制备多孔材料所需的弊端，如高达2000℃的烧结温度，需加入烧结助剂，或大量使用有机造孔剂与泡沫剂，污染环境。
(2)本发明的特点在于涂层由相互贯通或封闭的孔洞构成，在具备TiB2材料性质(如化学稳定性高、导电性好、耐腐蚀等)优点的同时，还兼具比表面积大的特点。
附图说明
图1实施例1导电网络构型涂层断面SEM照片：(a)石墨基体；(b)TiB2涂层；
图2实施例2导电网络构型涂层断面SEM照片：(a)石墨基体；(b)TiB2涂层。
具体实施方式
实施例1
(1)将200g高温自蔓延法合成的TiB2粉体置于1000g去离子水中，依次加入10g氧化钇、20g乙二醇，5g单宁酸，机械球磨分散4小时，配置成稳定的浆料；
(2)将上一步获得的浆料通过高速离心喷雾造粒，获得团聚粉末；
(3)将石墨基体除污清洗，然后以步骤(2)的团聚粉末为喂料，采用大气等离子喷涂技术，制备250mm厚度的涂层，喷涂参数为：等离子喷涂净功率为35kW，等离子气体中氩气为40slpm，氢气为11slpm，送粉载气量4L/min，喷涂距离120mm，喷涂过程中，基体材料的温度控制在120℃。
(4)将步骤(3)制备的涂层浸入60℃的10％浓度的混合溶液(硝酸/氢氟酸的比例为1:1)反应2小时，然后用去离子水清洗至中性，置于马弗炉800℃热处理4h，自然冷却至室温。涂层的断面结构见说明书附图1，孔隙率为15％。
实施例2
(1)将200g高温自蔓延法合成的TiB2粉体置于1000g去离子水中，依次加入10g二氧化硅、20g丙三醇，5g阿拉伯明胶，机械球磨分散4小时，配置成稳定的浆料；
(2)将上一步获得的浆料通过高速离心喷雾造粒，获得团聚粉末；
(3)将石墨基体除污清洗，然后以步骤(2)的团聚粉末为喂料，采用大气等离子喷涂技术，制备200mm厚度的涂层，喷涂参数为：等离子喷涂净功率为35kW，等离子气体中氩气为40slpm，氢气为11slpm，送粉载气量4L/min，喷涂距离120mm，喷涂过程中，基体材料的温度控制在120℃。
(4)将步骤(3)制备的涂层浸入60℃的10％浓度的混合溶液(硝酸/氢氟酸的比例为1:1)反应1.5小时，然后去离子水清洗至中性，置于马弗炉800℃热处理4h，自然冷却至室温。涂层的断面显微结构见说明书附图2，孔隙率为23％。
实施例3
(1)将200g金属热还原法合成的TiB2粉体置于1000g去离子水中，依次加入10g氧化钇、20g聚乙烯基吡咯烷酮，5g单宁酸，机械球磨分散4小时，配置成稳定的浆料；
(2)将上一步获得的浆料通过高速离心喷雾造粒，获得团聚粉末；
(3)将石墨基体除污清洗，然后以步骤(2)的团聚粉末为喂料，采用大气等离子喷涂技术，制备250mm厚度的涂层，喷涂参数为：等离子喷涂净功率为35kW，等离子气体中氩气为40slpm，氢气为11slpm，送粉载气量4L/min，喷涂距离120mm，喷涂过程中，基体材料的温度控制在120℃。
(4)将步骤(3)制备的涂层浸入80℃的10％浓度的硝酸溶液中反应2小时，然后去离子水清洗至中性，置于马弗炉800℃热处理4h，自然冷却至室温。孔隙率为11.5％。
实施例4
(1)将200g高温自蔓延法合成的TiB2粉体置于1000g去离子水中，依次加入10g硅酸钇、20g乙二醇，5g单宁酸，机械球磨分散4小时，配置成稳定的浆料；
(2)将上一步获得的浆料通过高速离心喷雾造粒，获得团聚粉末；
(3)将石墨基体除污清洗，然后以步骤(2)的团聚粉末为喂料，采用大气等离子喷涂技术，制备250mm厚度的涂层，喷涂参数为：等离子喷涂净功率为35kW，等离子气体中氩气为40slpm，氢气为11slpm，送粉载气量4L/min，喷涂距离120mm，喷涂过程中，基体材料的温度控制在120℃。
(4)将步骤(3)制备的涂层浸入60℃的10％浓度的氢氧化钠溶液中反应2小时，然后去离子水清洗至中性，置于马弗炉800℃热处理4h，自然冷却至室温。孔隙率为17％。
应当指出，上述实施方式可以使本领域的技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方式限制本发明。因此，尽管本说明书对本发明已进行了详细说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或者等同替换；而一切不脱离本发明实质的技术方案及其改进，均应涵盖在本发明专利的保护范围当中。

Claims (7)

1.一种导电网络构型涂层，其特征在于：该涂层材料成分为TiB2，由相互贯通或封闭孔洞组成的网络结构，气孔率为10～30％，其中<1μm的气孔比率为5％，1～15μm的气孔比率为70％，>15μm的气孔比率为25％，涂层的室温电导率＞1×105Ω-1·m-1，可应用于过滤净化、催化、储能及纳米反应器。
2.一种如权利要求1所述的导电网络构型涂层制备方法，其特征在于：该方法步骤包括：
(1)将TiB2粉体置于去离子水中，依次加入助剂、粘结剂、分散稳定剂，机械球磨分散4～8小时，配置成稳定的浆料；
(2)将上一步获得的浆料通过高速离心喷雾造粒，获得团聚粉末；
(3)将基体除污清洗，然后以步骤(2)的团聚粉末为喂料，采用等离子喷涂技术，制备200～500mm厚度的涂层，喷涂参数为：等离子喷涂净功率为30～60kW，等离子气体中氩气为20～60slpm，氢气为10～30slpm，送粉载气量2～5L/min，喷涂距离100～200mm，喷涂过程中，基体材料的温度控制在100～150℃。
(4)将步骤(3)制备的涂层浸入60～80℃的网络构型溶液中反应0.5～2h，然后用去离子水清洗至中性，置于马弗炉600～800℃热处理1～4h，自然冷却至室温。
3.如权利要求2所述的步骤，其特征在于：所述的TiB2粉体是由碳热还原法、金属热还原法、高温自蔓延法、熔盐电解法、溶胶-凝胶法合成的一种或几种的混合物，平均粒度为3～5μm。
4.如权利要求2所述的步骤，其特征在于：所述的助剂为硅酸钇、二氧化硅、氧化钇、氧化镧、硅酸镱的一种或几种的混合物。
5.如权利要求2所述的步骤，其特征在于：所述的悬浮浆料的组分与质量比为：TiB2粉体20％～60％，助剂1％～10％，粘结剂0.1-20％，分散稳定剂0.1-10％，余量为去离子水。
6.如权利要求2所述的步骤，其特征在于：所述的团聚粉末结构松散，粒径为15～40μm。
7.如权利要求2所述的步骤，其特征在于：所述的网络构型溶液是氢氧化钠、氢氧化钾、高氯酸、硝酸、氢氟酸、醋酸、氟化铵、硫酸、盐酸的一种或几种的混合物，浓度为1～10wt％。
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