纳米复合陶瓷材料及其应用

1.本发明涉及复合材料及应用，具体涉及一种纳米复合陶瓷材料及其应用。


背景技术：

2.钢筋混凝土结构由于强度高和造价低等特点而广泛应用于各项工程建设，其服役性能直接影响基础工程的寿命，而高温、高湿、高盐、浪溅冲刷等严酷环境下钢筋的锈蚀是导致混凝土结构耐久性下降和服役年限缩短的重要原因。因此，在增强混凝土基体抗渗透能力的基础上，提升钢筋耐蚀性能是保障严酷环境下混凝土结构耐久性和安全性的有效措施。现有改善措施主要包括混凝土表面涂覆涂层、钢筋覆膜、阴极保护及添加阻锈剂等。其中，使用涂层涂覆钢筋是最经济有效的方法，它可以在侵蚀性离子和钢筋之间建立物理屏障，起到阻隔侵蚀介质的作用。但由于侵蚀介质与外界环境作用的复杂性，常用钢筋涂层技术如环氧涂层钢筋、镀锌钢筋等，存在涂层易老化、表面易损伤及长效性差等问题，无法形成钢筋混凝土结构的长效防护。因此，研发一种强粘结、高耐蚀、易施工的新型钢筋防腐蚀涂层技术，是严酷环境中钢筋混凝土实现长寿命的关键之路。
3.目前，国内外学者深入研究发现陶瓷可作为一种新型的钢筋保护涂层材料使用，其中氧化铝陶瓷涂层因其高硬耐磨、耐高温、耐腐蚀、化学性能稳定等特点而被广泛应用。但氧化铝陶瓷材料自身质脆且熔点高，在高温磨损过程中易产生裂纹且裂纹易扩展，这严重缩短了氧化铝陶瓷涂层的使用寿命。


技术实现要素：

4.发明目的：本发明的目的是提供一种纳米复合陶瓷材料及在保护涂层中的应用，解决氧化铝陶瓷材料自身质脆且熔点高作为建筑材料涂层易产生裂纹且裂纹易扩展的问题。
5.本发明的另一目的是提供一种钢筋，解决钢筋在严酷环境下，结构耐久性下降服役年限缩短的问题。
6.技术方案：本发明所述的纳米复合陶瓷材料，其原料以重量份计包括：
7.纳米氧化铝77～87份，纳米氧化钛11～13份，纳米氧化锆0～12份，纳米氧化铈ceo
2 0～12份。
8.优选的是，所述纳米氧化铝为al2o3。
9.所述纳米氧化钛为tio2。
10.所述纳米氧化锆为zro2。
11.所述纳米氧化铈为ceo2。
12.本发明所述的纳米复合陶瓷材料在建筑材料保护涂层中的应用。
13.本发明所述的钢筋，其包括基体与覆于基体上的涂层，其中涂层由权利要求1-5任一项的纳米复合陶瓷材料形成。
14.优选的是，还包括在基体和涂层之间的粘结层。
15.所述基体表面喷砂，喷砂等级为sa2.5级。
16.所述粘结层为nial合金粉末制成，其中ni含量≥90％，杂质含量＜1.0％，粒度为 45-90μm。
17.技术原理：
18.在al2o3中添加tio2有助于提高涂层的熔化程度，添加ceo2粒子，可以净化晶界，减少孔隙率和涂层中未熔化的纳米粒子，添加zro2可以起到相变韧化作用，促进晶界形成，增强晶界强度，从而改善涂层性能等，这些均匀分散的原料以合适的配比添加在 al2o3中有利于提高涂层致密度，降低孔隙率，减少裂纹扩展，从而提高涂层性能。
19.有益效果：本发明优化原料成分及比例，制备强粘结高致密长寿命的新型纳米复合陶瓷材料，该材料应用于钢筋保护涂层，能够很大程度上提高侵蚀环境下钢筋混凝土的耐久性，从而增加了工程服役寿命，降低了工程建设成本。
附图说明
20.图1为陶瓷涂层钢筋耐蚀性能的测试结果图。
具体实施方式
21.下面结合实施例和附图对本发明进行进一步说明。
22.实施例1
23.一种等离子喷涂纳米复合陶瓷涂层钢筋，钢筋基体上依次涂有中间粘结层、纳米复合陶瓷涂层。
24.其中，钢筋基体为q235钢，表面喷砂等级为sa2.5级。
25.中间粘结层为nial合金粉末，其中ni含量≥90％，杂质含量＜1.0％，粒度为45-90μm。
26.本纳米复合陶瓷涂层为纳米氧化铝基陶瓷涂层，其原料以重量份计包括：纳米氧化铝al2o3粉末87份，纳米氧化钛tio2粉末13份。
27.实施例2
28.一种等离子喷涂纳米复合陶瓷涂层钢筋，钢筋基体上依次涂有中间粘结层、纳米复合陶瓷涂层。
29.其中，钢筋基体为q235钢，表面喷砂等级为sa2.5级。
30.中间粘结层为nial合金粉末，其中ni含量≥90％，杂质含量＜1.0％，粒度为45-90μm。纳米复合陶瓷涂层为纳米氧化铝基陶瓷涂层，其原料以重量份计包括：纳米氧化铝al2o3粉末77份，纳米氧化钛tio2粉末11份，纳米氧化锆zro
2 12份。
31.实施例3
32.一种等离子喷涂纳米复合陶瓷涂层钢筋，钢筋基体上依次涂有中间粘结层、纳米复合陶瓷涂层。
33.其中，钢筋基体为q235钢，表面喷砂等级为sa2.5级。
34.中间粘结层为nial合金粉末，其中ni含量≥90％，杂质含量＜1.0％，粒度为45-90μm。纳米复合陶瓷涂层为纳米氧化铝基陶瓷涂层，其原料以重量份计包括：纳米氧化铝al2o3粉末77份，纳米氧化钛tio2粉末11份，纳米氧化铈ceo
2 12份。
35.实施例4
36.一种等离子喷涂纳米复合陶瓷涂层钢筋，钢筋基体上依次涂有中间粘结层、纳米复合陶瓷涂层。
37.其中，钢筋基体为q235钢，表面喷砂等级为sa2.5级。
38.中间粘结层为nial合金粉末，其中ni含量≥90％，杂质含量＜1.0％，粒度为45-90μm。纳米复合陶瓷涂层为纳米氧化铝基陶瓷涂层，其原料以重量份计包括：纳米氧化铝al2o3粉末77份，纳米氧化钛tio2粉末11份，纳米氧化锆zro
2 6份，纳米氧化铈ceo
2 6份。
39.对比例
40.在钢筋基体涂覆有中间粘结层和纳米氧化铝陶瓷涂层，中间粘结层和基体的处理跟实施例1-4相同。
41.对实施例1-4及对比例的陶瓷涂层钢筋进行粘结性能及耐蚀性能测试。粘结性能测试分为两部分，一部分进行涂层与钢筋基体的粘结强度测试，此外另取一部分埋入混凝土中成型陶瓷涂层钢筋混凝土，测试陶瓷涂层钢筋与混凝土的粘结性能。耐蚀性能测试采用电化学方法，试验采用含3.5％nacl的模拟混凝土孔溶液，均在parstat p4000电化学工作站上进行，电化学阻抗谱测试频率范围为0.01-100000hz。各数据测试结果如表1和图1所示：
42.表1
43.编号涂层与钢筋粘结强度/mpa涂层钢筋与混凝土粘结强度/mpa对比例19.810.5实施例121.611.3实施例224.212.2实施例324.712.4实施例426.312.9
44.由表1可知，本发明等离子喷涂纳米复合陶瓷涂层钢筋的涂层与钢筋粘结强度、涂层钢筋与混凝土粘结性能良好。与对比例相比较，实施例1-4都提高了涂层与钢筋基体、涂层钢筋与混凝土的粘结强度。由图1可以看出，与对比例相比，实施例1-4表现出更大的容抗弧半径，表明加入氧化钛、氧化铬及氧化铈等添加剂的纳米复合陶瓷涂层钢筋的耐腐蚀能力明显提高，这是由于掺杂添加剂后涂层孔隙率降低，致密度提高，同时其紧凑堆积的结构能够阻止裂纹过度扩展，使得侵蚀性离子难以穿过陶瓷涂层到达钢筋基体表面，从而防止其破坏钝化膜引起钢筋锈蚀。