CN110981442B - 一种热喷涂用陶瓷复合材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热喷涂用陶瓷复合材料的制备方法，该方法通过粘结剂将二氧化钛粘结在三氧化二铝的外表面，形成以大颗粒三氧化二铝为核，以小颗粒二氧化钛为包覆层的陶瓷复合粉末材料，使用该种陶瓷复合粉末材料制备的涂层，不仅具有三氧化二铝的耐磨性能，而且由于在脆性三氧化二铝周围弥散着二氧化钛，可以起到应力缓冲的作用，使该涂层同时还具有良好的韧性，可显著提高涂层的使用寿命。

Description

一种热喷涂用陶瓷复合材料的制备方法

技术领域

本发明公开涉及陶瓷材料制备的技术领域，尤其涉及一种热喷涂用陶瓷复合材料的制备方法。

背景技术

由于三氧化二铝具有良好的化学稳定性、绝缘性以及耐磨性，是目前应用最为广泛、用量最大的陶瓷涂层材料之一。其中，三氧化二铝粉末的纯度、粒度、表面形貌、粉体结构等指标，对于制成的涂层性能有重要影响。

目前，电熔破碎工艺是制备热喷涂用三氧化二铝粉末的主要手段，该工艺通过将材料经过高温熔融、冷却的方式，使成分达到充分分散与固溶，制备的粉末材料具有化学成分均匀、晶相稳定、结构致密、粒度适中等优点，虽然形状不规则，但其良好的流动性能，能够满足涂层制备工艺的要求。使用上述工艺制备的三氧化二铝进行涂层喷涂后，涂层的硬度高，具有良好的耐磨性能，但三氧化二铝涂层较脆，韧性不足，在滑动摩擦过程中容易发生破损、剥落等现象，存在使用寿命短的问题。

因此，如何研发一种新的制备方法进行陶瓷涂层材料的制备，成为人们亟待解决的问题。

发明内容

鉴于此，本发明公开提供了一种热喷涂用陶瓷复合材料的制备方法，以至少解决采用以往方法制备的三氧化二铝，在进行涂层喷涂时，涂层在滑动摩擦过程中容易发生破损以及剥落等现象，存在使用寿命短的问题。

本发明提供的技术方案，具体为，一种热喷涂用陶瓷复合材料的制备方法，所述陶瓷复合材料由二氧化钛以及三氧化二铝通过粘结剂复合而成，所述制备方法包括如下步骤：

1)将二氧化钛进行分散处理后，备用；

2)将三氧化二铝与粘结剂进行搅拌混合，得处理后三氧化二铝粉料，备用；

3)将分散处理后的二氧化钛料浆加入到处理后的三氧化二铝粉料中，进行搅拌混合，直至粉料干燥、松散，得混料；

4)将所述混料装入托盘中，烘干后，冷却、筛分，得产物。

优选，所述粘结剂由酚醛树脂以及植物油，按如下步骤制备而成：

按重量比，将6～8份的酚醛树脂加入到2～4份的植物油中加热熬制，直至所述酚醛树脂完全融化并混合均匀后，冷却、凝结，制得改性酚醛树脂；

将所述改性酚醛树脂溶解于无水乙醇，配制成质量浓度为3～5％的溶液，得粘结剂。

进一步优选，所述植物油为梓油、亚麻油或桐油中的任意一种或多种。

进一步优选，步骤1)中二氧化钛的分散处理，具体如下：

按照1000g：(1000～1500)ml的比例向二氧化钛中加入无水乙醇，得混合物；

将所述混合物倒入陶瓷球磨罐中研磨2小时以上；

将研磨后二氧化钛倒入托盘中，并置于烘箱内，在温度为50～60℃条件下烘干后，冷却。

进一步优选，所述陶瓷球磨罐中的研磨介质为三氧化二铝球，且按重量比，二氧化钛：三氧化二铝球＝1：2。

进一步优选，三氧化二铝与粘结剂进行搅拌混合时，按照重量比，粘结剂的加入量为三氧化二铝的3～5％。

进一步优选，步骤2)中三氧化二铝与粘结剂的搅拌混合温度为50～60℃，搅拌混合时间大于等于2小时。

进一步优选，步骤3)中分散处理后的二氧化钛料浆与处理后的三氧化二铝粉料的重量比为(11～15)：(85～89)。

进一步优选，步骤3)中分散处理后的二氧化钛料浆与处理后的三氧化二铝粉料的搅拌混合温度为50～60℃，搅拌混合时间大于等于2小时。

进一步优选，步骤4)中所述混料装入托盘中的料层厚度为2～3mm，烘干温度为60～70℃，烘干时间大于等于4小时。

本发明提供的热喷涂用陶瓷复合材料的制备方法，该方法通过粘结剂将二氧化钛粘结在三氧化二铝的外表面，形成以大颗粒三氧化二铝为核，以小颗粒二氧化钛为包覆层的陶瓷复合粉末材料，使用该种陶瓷复合粉末材料制备的涂层，不仅具有三氧化二铝的耐磨性能，而且由于在脆性三氧化二铝周围弥散着二氧化钛，可以起到应力缓冲的作用，使该涂层同时还具有良好的韧性，可显著提高涂层的使用寿命。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明的公开。

具体实施方式

下面以具体的实施方案对本发明进行进一步的解释说明，但是并不用于限制本发明的保护范围。

以往三氧化二铝涂层虽然具有很好的耐磨性能，但由于三氧化二铝的涂层较脆，韧性不足，因此，发明人研发了一种以三氧化二铝为核，以二氧化钛为包覆层的新型陶瓷复合材料，该陶瓷复合材料的具体制备步骤如下：

1)将二氧化钛进行分散处理后，备用；

2)将三氧化二铝与粘结剂进行搅拌混合，得处理后三氧化二铝粉料，备用；

3)将分散处理后的二氧化钛料浆加入到处理后的三氧化二铝粉料中，进行搅拌混合，直至粉料干燥、松散，得混料；

4)将步骤3)的混料装入托盘中，烘干后，冷却、筛分，得产物。

上述的制备方法，主要是通过搅拌混合的形式在三氧化二铝的表面涂覆一层粘结剂，然后再通过搅拌混合的形式将分散处理后的二氧化钛包覆在三氧化二铝的表面，进而形成上述的以三氧化二铝为核，以二氧化钛为包覆层的新型陶瓷复合材料。当使用该陶瓷复合材料喷涂形成的涂层，不仅具有三氧化二铝的耐磨性能，而且由于在脆性三氧化二铝周围弥散着二氧化钛，可以起到应力缓冲的作用，使该涂层同时还具有良好的韧性，可显著提高涂层的使用寿命。

在实际的实验中发现：由于上述方法制备的陶瓷复合材料中使用了粘结剂，当在进行热喷涂过程中，陶瓷复合材料中的粘结剂会因为受热，出现高温软化的现象，造成材料的粘滞，流动性下降，虽然可以满足热喷涂的使用要求，但涂层性能的稳定会受到一定程度的影响。因此，作为技术方案的改进，本实施方案将上述陶瓷复合材料中的粘结剂进行了进一步改进，具体而言，该粘结剂是由酚醛树脂以及植物油，按如下步骤制备而成：

按重量比，将6～8份的酚醛树脂加入到2～4份的植物油中加热熬制，直至酚醛树脂完全融化并混合均匀后，冷却、凝结，制得改性酚醛树脂；

将所述改性酚醛树脂溶解于无水乙醇，配制成质量浓度为3～5％的溶液，得粘结剂。

其中，植物油可选用梓油、亚麻油或桐油中的任意一种。

通过上述粘结剂的改进，使得该陶瓷复合材料更适用于热喷涂使用，由于在热喷涂过程中，该材料粉末熔化效果好，提高了粉末的沉积效率和涂层结合强度，进一步提高使用寿命。

上述实施方案中，步骤1)中二氧化钛的分散处理主要目的在于，可使二氧化钛在三氧化二铝表面包覆的更加均匀，因此，二氧化二钛的分散方式实质上可以选用多种，只要可以实现上述目的即可，如下为本实施方案提供的一种具体的分散方式，作为参考，具体如下：

按照1000g：(1000～1500)ml的比例向二氧化钛中加入无水乙醇，得混合物；

将混合物倒入陶瓷球磨罐中研磨2小时以上；

将研磨后二氧化钛倒入托盘中，并置于烘箱内，在温度为50～60℃条件下烘干后，冷却。

由于包覆用二氧化钛粉体，粒度微细，很容易发生聚集，形成较粗的假颗粒，以无水乙醇为溶剂进行研磨，能够将假颗粒打散，并且在烘干过程中，由于无水乙醇表面张力小，不会产生水分蒸发所带来的毛细作用，进而得到分散且不团聚的粉体。

上述的分散方法中，陶瓷球磨罐中的研磨介质为三氧化二铝球，且按重量比，二氧化钛：三氧化二铝球＝1：2，由于分散后的二氧化钛是用于三氧化二铝的包覆，因此，本分散步骤中将研磨介质选用为三氧化二铝球，可防止其他杂质成分的引入，提高最终只得陶瓷复合材料的纯度。

考虑到陶瓷复合材料的纯度和性能，通常要求主要原料中，三氧化二铝的纯度≥99％，粒度为15～45μm；二氧化钛的纯度≥99％，粒度为1000目。

为了进一步确保上述陶瓷复合材料的性能，作为技术方案的改进，三氧化二铝与粘结剂进行搅拌混合时，按照重量比，粘结剂的加入量为三氧化二铝的3～5％，且搅拌混合温度为50～60℃，搅拌混合时间大于等于2小时。

为了确保二氧化钛和三氧化铝的配比适中以及陶瓷复合材料的性能稳定性，作为技术方案的改进，在上述实施方案中，步骤3)中分散处理后的二氧化钛料浆与处理后的三氧化二铝粉料的重量比为(11～15)：(85～89)的比例进行搅拌混合，且搅拌混合温度为50～60℃，搅拌混合时间大于等于2小时。

为了确保最终制得的陶瓷复合材料的干燥性，作为技术方案的改进将步骤4)中混料装入托盘中的料层厚度限定为2～3mm，烘干温度限定为60～70℃，且烘干时间大于等于4小时。

下面以具体的实施例对本发明进行更进一步的解释说明，但是并不用于限制本发明的保护范围。

实施例1

称取1000g二氧化钛，加入到陶瓷球磨罐中，按料：球＝1：2比例添加氧化铝球，用量筒量取1000ml无水乙醇倒入球磨罐中，密封后置于滚杠上进行研磨，研磨时间2小时，磨完后倒入不锈钢托盘中，将托盘置于烘箱中在50℃下烘干，然后冷却备用；

称取600g酚醛树脂、400g梓油，将酚醛树脂加入到梓油中加热，直至酚醛树脂完全融化于梓油中并达于均匀状态，冷却凝固后制得改性酚醛树脂；然后再将上述制得的改性酚醛树脂溶解于无水乙醇中，配制成浓度为4％的溶液，即制得所需的粘结剂，备用；

称取5000g三氧化二铝，加入到混合搅拌设备中，称取200克粘结剂，并倒入混合搅拌设备中，进行搅拌混合，混合时粉料温度保持在50℃，混合时间2小时；

称取882g经研磨烘干的二氧化钛，加入到经上述处理的三氧化二铝粉料中，在搅拌设备中进行搅拌、混合，直至粉料干燥、松散为止，混合时粉料温度保持在50℃，混合搅拌时间2小时；

将上述粉料装在不锈钢托盘中，料层厚度控制在2～3mm，放入烘箱，在60℃下进行烘干处理，烘干时间4小时；

烘干后自然冷却，按所需粒度进行筛分处理，即得所需粉末材料，该粉体材料的流动性好，可满足喷涂的工艺要求。

实施例2

称取1000g二氧化钛，加入到陶瓷球磨罐中，按料：球＝1：2比例添加氧化铝球，用量筒量取1400ml乙醇倒入球磨罐中，密封后置于滚杠上进行研磨，研磨时间3小时，磨完后倒入不锈钢托盘中，将托盘置于烘箱中在50℃下烘干，然后冷却备用；

称取650g酚醛树脂、350g亚麻油，将酚醛树脂加入到亚麻油中加热，直至酚醛树脂完全融化于亚麻油中达于均匀状态，冷却凝固后制得改性酚醛树脂；将上述制得的改性酚醛树脂溶解于无水乙醇，配制成浓度为5％的溶液，即制得所需的粘结剂，备用；

称取5000g三氧化二铝，加入到混合搅拌设备中，称取250克粘结剂，并倒入混合搅拌设备中，进行搅拌混合，混合时粉料温度保持在50℃，混合时间2小时；

称取650g经研磨烘干的二氧化钛，加入到经上述处理的三氧化二铝粉料中，在搅拌设备中进行搅拌、混合，直至粉料干燥、松散为止，混合时粉料温度保持在50℃，混合搅拌时间2小时；

将上述粉料装在不锈钢托盘中，料层厚度控制在2～3mm，放入烘箱，在60℃下进行烘干处理，烘干时间4小时；

烘干后自然冷却，按所需粒度进行筛分处理，即得所需粉末材料，该粉体材料的流动性好，可满足喷涂的工艺要求。

实施例3

称取1000g二氧化钛，加入到陶瓷球磨罐中，按料：球＝1：2比例添加氧化铝球，用量筒量取1500ml乙醇倒入球磨罐中，密封后置于滚杠上进行研磨，研磨时间3小时，磨完后倒入不锈钢托盘中，将托盘置于烘箱中在60℃下烘干，然后冷却备用；

称取800g酚醛树脂、200g桐油，将酚醛树脂加入到亚麻油中加热，直至酚醛树脂完全融化于亚麻油中达于均匀状态，冷却凝固后制得改性酚醛树脂；将上述制得的改性酚醛树脂溶解于无水乙醇，配制成浓度为3％的溶液，即制得所需的粘结剂，备用；

称取5000g三氧化二铝，加入到混合搅拌设备中，称取150克粘结剂，并倒入混合搅拌设备中，进行搅拌混合，混合时粉料温度保持在50℃，混合时间2小时；

称取650g经研磨烘干的二氧化钛，加入到经上述处理的三氧化二铝粉料中，在搅拌设备中进行搅拌、混合，直至粉料干燥、松散为止，混合时粉料温度保持在50℃，混合搅拌时间2小时；

将上述粉料装在不锈钢托盘中，料层厚度控制在2～3mm，放入烘箱，在50℃下进行烘干处理，烘干时间4小时；

烘干后自然冷却，按所需粒度进行筛分处理，即得所需粉末材料，该粉体材料的流动性好，可满足喷涂的工艺要求。

对比例1

称取1000g二氧化钛，加入到陶瓷球磨罐中，按料：球＝1：2比例添加氧化铝球，用量筒量取1500ml乙醇倒入球磨罐中，密封后置于滚杠上进行研磨，研磨时间3小时，磨完后倒入不锈钢托盘中，将托盘置于烘箱中在60℃下烘干，然后冷却备用；

称取200g硅橡胶、溶于2000ml无水乙醇中，充分搅拌达于均匀状态，配制成浓度为9％的溶液，即制得所需的粘结剂，备用；

称取5000g三氧化二铝，加入到混合搅拌设备中，称取550克粘结剂，并倒入混合搅拌设备中，进行搅拌混合，混合时粉料温度保持在50℃，混合时间2小时；

称取650g经研磨烘干的二氧化钛，加入到经上述处理的三氧化二铝粉料中，在搅拌设备中进行搅拌、混合，直至粉料干燥、松散为止，混合时粉料温度保持在50℃，混合搅拌时间2小时；

将上述粉料装在不锈钢托盘中，料层厚度控制在2～3mm，放入烘箱，在50℃下进行烘干处理，烘干时间4小时；

烘干后自然冷却，按所需粒度进行筛分处理，即得所需粉末材料。

采用本粘结剂制成的粉体，流动性极差，无法满足喷涂工艺要求，因此未进行喷涂试验。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述的内容，可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (7)

1.一种热喷涂用陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，所述陶瓷复合材料由二氧化钛以及三氧化二铝通过粘结剂复合而成，所述制备方法包括如下步骤：

1)将二氧化钛进行分散处理后，备用；

2)将三氧化二铝与粘结剂进行搅拌混合，得处理后三氧化二铝粉料，备用；

3)将分散处理后的二氧化钛料浆加入到处理后的三氧化二铝粉料中，进行搅拌混合，直至粉料干燥、松散，得混料；

4)将所述混料装入托盘中，烘干后，冷却、筛分，得产物；

所述粘结剂由酚醛树脂和植物油，按如下步骤制备而成：

按重量比，将6～8份的酚醛树脂加入到2～4份的植物油中加热熬制，直至所述酚醛树脂完全融化并混合均匀后，冷却、凝结，制得改性酚醛树脂；

将所述改性酚醛树脂溶解于无水乙醇，配制成质量浓度为3～5％的溶液，得粘结剂；

步骤1)中二氧化钛的分散处理，具体如下：

按照1000g：(1000～1500)ml的比例向二氧化钛中加入无水乙醇，得混合物；

将所述混合物倒入陶瓷球磨罐中研磨2小时以上；

将研磨后二氧化钛倒入托盘中，并置于烘箱内，在温度为50～60℃条件下烘干后，冷却；

步骤4)中所述混料装入托盘中的料层厚度为2～3mm，烘干温度为60～70℃，烘干时间大于等于4小时。

2.根据权利要求1所述的热喷涂用陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，所述植物油为梓油、亚麻油或桐油中的任意一种或多种。

3.根据权利要求1所述的热喷涂用陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，所述陶瓷球磨罐中的研磨介质为三氧化二铝球，且按重量比，二氧化钛：三氧化二铝球＝1：2。

4.根据权利要求1所述的热喷涂用陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，三氧化二铝与粘结剂进行搅拌混合时，按照重量比，粘结剂的加入量为三氧化二铝的3～5％。

5.根据权利要求4所述的热喷涂用陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，步骤2)中三氧化二铝与粘结剂的搅拌混合温度为50～60℃，搅拌混合时间大于等于2小时。

6.根据权利要求1所述的热喷涂用陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，步骤3)中分散处理后的二氧化钛料浆与处理后的三氧化二铝粉料的重量比为(11～15)：(85～89)。

7.根据权利要求1所述的热喷涂用陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，步骤3)中分散处理后的二氧化钛料浆与处理后的三氧化二铝粉料的搅拌混合温度为50～60℃，搅拌混合时间大于等于2小时。