一种高结合强度的SiO2/α-Al2O3陶瓷复合涂层及其低温制备方法与流程

一种高结合强度的sio2/
α
‑
al2o3陶瓷复合涂层及其低温制备方法
技术领域
1.本发明涉及阻氚涂层技术领域，尤其涉及一种高结合强度的sio2/α
‑
al2o3陶瓷复合涂层及其低温制备方法。


背景技术：

2.聚变反应堆实现的一个关键问题是防止氚在结构材料中的渗透，解决这一问题的普遍方法是在结构材料表面制备阻氚涂层。
3.陶瓷因强度高、耐高温且具有较低的氚渗透率等优势成为阻氚涂层材料的首选。陶瓷阻氚涂层可分为氧化物涂层、非氧化物涂层及其复合涂层。氧化物陶瓷涂层具有熔点高、化学性质稳定、制备工艺相对简单及阻氚性能良好等优点，主要包括cr2o3、y2o3、er2o3、al2o3、sio2等。其中sio2涂层具有高强度、高熔点、稳定的理化性质等优点，被广泛应用于金属基表面陶瓷涂层的基体材料。但sio2涂层仍存在一系列的问题，如采用溶胶
‑
凝胶法制备的sio2涂层成膜后表面容易产生孔洞和裂纹，严重影响涂层的结合强度。经过一系列研究，发现金属氧化物的掺杂可以有效改善硅基涂层的结合强度。例如：向sio2中加入al2o3、y2o3和er2o3等，可以增强分子间化学键结合强度，以及涂层与基体的咬合强度，能显著提高涂层与基体的结合强度。
4.陶瓷涂层的制备技术主要为基体表面涂层沉积技术，如磁控溅射、等离子喷涂、热浸镀铝、熔盐电镀、包埋渗以及金属有机分解法等。然而，磁控溅射对于管道内壁等异形部件内表面涂层制备具有严重的局限性；等离子喷涂技术制备的涂层存在裂纹和孔洞且制备温度较高，会对基体产生热影响；热浸镀铝和熔盐电镀技术使用范围较小仅限于制备铝化物涂层；包埋渗所用的活化剂氯化物中的氯离子会导致结构材料产生严重的应力腐蚀。此外，以上制备技术均具有工艺复杂、成本较高、生产技术要求高等缺点。
5.相对于上述制备技术，料浆法是一种低温制备陶瓷涂层的可靠方法，但由于传统的浆料刷涂和浸涂法很难控制涂层的均匀性和厚度，因而制备的陶瓷涂层往往存在组织不均匀和厚度较大等问题，从而影响涂层与基体之间的结合强度。


技术实现要素：

6.本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种高结合强度的sio2/α
‑
al2o3陶瓷复合涂层及其低温制备方法。
7.一种高结合强度的sio2/α
‑
al2o3陶瓷复合涂层的低温制备方法，包括如下步骤：
8.步骤1、将基体打磨，再超声清洗，干燥得到前处理基体；
9.步骤2、将α
‑
al2o3粉末和碱性硅溶胶、聚乙二醇混合，超声处理后采用磁力搅拌器搅拌均匀得到浆料；
10.步骤3、将浆料旋涂在前处理基体表面得到预处理陶瓷涂层基体；
11.步骤4、将预处理陶瓷涂层基体装入烧舟中并放入马弗炉内进行烧结，以0.5
‑
2℃/
分钟升温至500
‑
700℃，保温0.5
‑
1.5h，再以0.5
‑
2℃/分钟冷却至室温，得到sio2/α
‑
al2o3陶瓷复合涂层。
12.优选地，步骤3的具体操作如下：采用匀胶机将浆料旋涂在前处理基体表面，室温阴干后再次进行旋涂，旋涂次数为2
‑
4次。
13.优选地，步骤3中，匀胶机的转速为1000
‑
2000转/分钟，匀胶时间为10
‑
30秒。
14.优选地，步骤2中，碱性硅溶胶的质量分数为30
±
5％，α
‑
al2o3粉末质量为碱性硅溶胶质量的40
‑
60％。
15.优选地，步骤2中，聚乙二醇质量为α
‑
al2o3粉末质量的1
‑
3％。
16.优选地，步骤2中，α
‑
al2o3粉末的粒度为30
‑
200nm。
17.优选地，步骤2中，磁力搅拌器转速为500
‑
2000转/分钟，搅拌时间为5
‑
15小时。
18.优选地，步骤1中，采用316l不锈钢板作为基体，利用电火花线切割制备25mm
×
25mm
×
2mm的板状试样。
19.优选地，步骤1中，依次采用120#和240#金相砂纸打磨基体。
20.优选地，步骤1中，采用酒精进行超声清洗。
21.本发明采用料浆
‑
旋涂方法制备的316l不锈钢表面sio2/α
‑
al2o3陶瓷复合涂层具有较小的厚度和均匀的组织，没有明显的颗粒团聚、孔洞和裂纹等缺陷，显著提高了sio2/α
‑
al2o3陶瓷复合涂层与基体之间的结合强度。
22.一种高结合强度的sio2/α
‑
al2o3陶瓷复合涂层，采用上述高结合强度的sio2/α
‑
al2o3陶瓷复合涂层的低温制备方法制得。
23.本发明的有益效果体现在：
24.本发明采用料浆
‑
旋涂法在316l不锈钢表面制备sio2/α
‑
al2o3陶瓷复合涂层，实现低温下快速成膜。本发明采用聚乙二醇促进α
‑
al2o3粉末在浆料中分散均匀，而且可在后续烧结过程中有效抑制涂层的开裂，同时当烧结超过400℃聚乙二醇便发生分解，不会对涂层成分产生不利影响。本发明采用0.5
‑
2℃/分钟的较慢升温速率对涂层样品进行烧结固化，一方面可以防止升温过快导致应力不均匀，从而引起涂层的开裂和孔洞的产生；另一方面，由于低温烘干只能去除涂层中的自由水以及部分物理结合水，而化学结合水无法完全去除，但本发明通过烧结固化，使涂层中吸附的自由水以及物理、化学结合水能完全蒸发，从而使硅溶胶形成si
‑
o键，提高粘接性。
25.本发明所得sio2/α
‑
al2o3陶瓷复合涂层表面均匀致密，没有大颗粒团聚、孔洞和裂纹等缺陷，厚度约为15
‑
30μm，sio2/α
‑
al2o3陶瓷复合涂层与基体(316l不锈钢)的结合力高达70n，优于其他方法如刷涂、浸涂、烘干等方法制备的陶瓷涂层(涂层厚度为80
‑
120μm，结合力为30
‑
40n)，而且本发明的烧结温度仅为500
‑
700℃，远低于316l不锈钢基体的耐热温度(1200℃)，因此不会对其产生316l不锈钢基体性能影响。
附图说明
26.图1为本发明实施例2所得sio2/α
‑
al2o3陶瓷复合涂层的电镜扫描图；其中，图1(a)为所得sio2/α
‑
al2o3陶瓷复合涂层表面形貌，图1(b)为所得sio2/α
‑
al2o3陶瓷复合涂层截面形貌。
27.图2为本发明实施例2所得sio2/α
‑
al2o3陶瓷复合涂层的x射线衍射图。
28.图3为本发明实施例2所得sio2/α
‑
al2o3陶瓷复合涂层和对比例所得al2o3/sio2复合阻氚涂层的结合力曲线。
29.图4为本发明实施例2所得sio2/α
‑
al2o3陶瓷复合涂层的划痕电镜扫描图。
30.图5为本发明实施例2所得sio2/α
‑
al2o3陶瓷复合涂层与基体的的电化学氢渗透曲线。
具体实施方式
31.下面结合具体实施例对本发明作进一步解说。
32.实施例1
33.本实施例中高结合强度的sio2/α
‑
al2o3陶瓷复合涂层的制备方法，包括如下步骤：
34.步骤1：基体的前处理
35.采用316l不锈钢板作为基体，利用电火花线切割制备25mm
×
25mm
×
2mm的板状试样，随后依次用120#和240#金相砂纸打磨试样，再用酒精超声清洗、烘干后备用。
36.步骤2：浆料的制备
37.将纯度为99.99％的α
‑
al2o3粉末和质量分数为30％的碱性硅溶胶(jn
‑
30)分别称量后置于烧杯内，再加入聚乙二醇(peg)。然后将浆料在室温下超声，超声完成后采用磁力搅拌器将浆料搅拌均匀，磁力搅拌器转速为500转/分钟，搅拌时间为5h。
38.其中，α
‑
al2o3粉末粒度为30nm，α
‑
al2o3粉末的添加量为碱性硅溶胶质量的40％，peg的添加量为α
‑
al2o3粉末质量的1％。
39.步骤3：浆料的旋涂
40.利用匀胶机将步骤2获得的浆料旋涂在步骤1中处理好的316l不锈钢板上，匀胶机转速为1000转/分钟，匀胶时间为10秒，每次旋涂完后待涂层在室温下阴干再进行第2次旋涂。
41.步骤4：涂层的烧结固化
42.将步骤3获得的涂层样品装入烧舟中，再将烧舟放入马弗炉内进行烧结。将马弗炉以0.5℃/分钟升高到500℃保温1.5h，然后以0.5℃/分钟冷却至室温，即可得到sio2/α
‑
al2o3陶瓷复合涂层。
43.本实施例所得sio2/α
‑
al2o3陶瓷复合涂层表面均匀致密，涂层厚度约为23μm，划痕法测得涂层与基体的结合力高达55n，优于对比例。基体的稳态氢渗透电流密度值为涂层的243.3倍，基体的稳态氢渗透电流密度与充氢起始点的差值为涂层的160.6倍，与对比例差别不大。
44.实施例2
45.本实施例中高结合强度的sio2/α
‑
al2o3陶瓷复合涂层的制备方法，包括如下步骤：
46.步骤1：基体的前处理
47.采用316l不锈钢板作为基体，利用电火花线切割制备25mm
×
25mm
×
2mm的板状样品，随后依次用120#和240#金相砂纸打磨试样，再用酒精超声清洗、烘干后备用。
48.步骤2：浆料的制备
49.将纯度为99.99％的α
‑
al2o3粉末和质量分数为30％的碱性硅溶胶(jn
‑
30)分别称量后置于烧杯内，再加入聚乙二醇(peg)。然后将浆料在室温下超声，超声完成后采用磁力
搅拌器将浆料搅拌均匀，磁力搅拌器转速为1000转/分钟，搅拌时间为10h。
50.其中，α
‑
al2o3粉末平均粒度为100nm，α
‑
al2o3粉末的添加量为碱性硅溶胶质量的50％，peg的添加量为α
‑
al2o3粉末质量的2％。
51.步骤3：浆料的旋涂
52.利用匀胶机将步骤2获得的浆料旋涂在步骤1中处理好的316l不锈钢板上，匀胶机转速为1500转/分钟，匀胶时间为20秒，每次旋涂完后待涂层在室温下阴干再进行下次旋涂，一共旋涂3次。
53.步骤4：涂层的烧结固化
54.将步骤3获得的涂层样品装入烧舟中，再将烧舟放入马弗炉内进行烧结。先将马弗炉按1℃/分钟升高到600℃保温1h，然后将温度按1℃/分钟冷却至室温，随即得到sio2/α
‑
al2o3陶瓷复合涂层。
55.本实施例所得sio2/α
‑
al2o3陶瓷复合涂层表面均匀致密，涂层厚度约为20μm，划痕法测得涂层与基体的结合力高达70n，优于对比例。基体的稳态氢渗透电流密度值为涂层的244.1倍，基体的稳态氢渗透电流密度与充氢起始点的差值为涂层的162.5倍，与对比例差别不大。
56.将本实施例所得sio2/α
‑
al2o3陶瓷复合涂层进行电镜扫描，如图1所示。由图1(a)可以看出：本实施例所得sio2/α
‑
al2o3陶瓷复合涂层表面组织均匀，没有孔洞和裂纹等缺陷；由1(b)可以看出：涂层厚度较小，仅为20μm。
57.将本实施例所得sio2/α
‑
al2o3陶瓷复合涂层进行x射线衍射，如图2所示。由图2可知：该涂层由非晶态sio2和晶态α
‑
al2o3组成。
58.将本实施例所得sio2/α
‑
al2o3陶瓷复合涂层进行涂层与基体的结合力测试。采用划痕试验机在涂层表面进行划痕测试，加载力为0～150n，加载速度为100n/min，划痕长度为5
‑
10mm。当测试的声信号曲线图上出现第一个突变峰时，表明涂层在此载荷下开始剥落，该载荷则定义为涂层的结合强度，结果如图3所示。由图3可知：该涂层与基体的结合力高达70n。在上述结合力测试中，对涂层划痕形貌进行电镜扫描，如图4所示。如图4可知：沿划痕方向，划痕的宽度和深度逐渐增加。当载荷达到70n时，涂层开始脱落，声信号出现突变值。划痕轨迹周围的涂层损伤较小，表明本实施例所得sio2/α
‑
al2o3陶瓷复合涂层与基体之间的附着力较好。
59.将本实施例所得sio2/α
‑
al2o3陶瓷复合涂层和316l不锈钢基体进行电化学氢渗透测试，结果如图5所示。如图5可知：基体的稳态氢渗透电流密度值为涂层的244.1倍，基体的稳态氢渗透电流密度与充氢起始点的差值为涂层的162.5倍。
60.实施例3
61.本实施例中高结合强度的sio2/α
‑
al2o3陶瓷复合涂层的制备方法，包括如下步骤：
62.步骤1：基体的前处理
63.采用316l不锈钢板作为基体，利用电火花线切割制备25mm
×
25mm
×
2mm的板状试样，随后依次用120#和240#金相砂纸打磨试样，再用酒精超声清洗、烘干后备用。
64.步骤2：浆料的制备
65.将纯度为99.99％的α
‑
al2o3粉末和质量分数为30％的碱性硅溶胶(jn
‑
30)分别称量后置于烧杯内，再加入聚乙二醇(peg)。然后将浆料在室温下超声，超声完成后采用磁力
搅拌器将浆料搅拌均匀，磁力搅拌器转速为1500转/分钟，搅拌时间为15h。
66.其中，α
‑
al2o3粉末粒度为200nm，α
‑
al2o3粉末的添加量为碱性硅溶胶质量的60％，peg的添加量为α
‑
al2o3粉末质量的3％。
67.步骤3：浆料的旋涂成膜
68.利用匀胶机将步骤2获得的浆料旋涂在步骤1中处理好的316l不锈钢板上，匀胶机转速为2000转/分钟，匀胶时间为30秒，每次旋涂完后待涂层在室温下阴干再进行下次旋涂，共旋涂3次。
69.步骤4：涂层的烧结固化
70.将步骤3获得的涂层样品装入烧舟中，再将烧舟放入马弗炉内进行烧结。先将马弗炉按2℃/分钟升高到700℃保温0.5h，然后将温度按2℃/分钟冷却至室温，随即得到sio2/α
‑
al2o3陶瓷复合涂层。
71.本实施例所得sio2/α
‑
al2o3陶瓷复合涂层表面均匀致密，涂层厚度约为18μm，划痕法测得涂层与基体的结合力高达60n，优于对比例。基体的稳态氢渗透电流密度值为涂层的240.7倍，基体的稳态氢渗透电流密度与充氢起始点的差值为涂层的166.3倍，与对比例差别不大。
72.对比例
73.采用本技术人在前申请一种316l不锈钢管内壁al2o3/sio2复合阻氚涂层的制备方法(申请日为2020年12月23日，申请号为202011538343.5，公开号为cn 112657815 a，公开日为2021年04月16日)所得复合阻氚涂层做为对比例。
74.本对比例所得al2o3/sio2复合阻氚涂层的厚度约为80μm，结合力为30n。
75.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。