一种多孔陶瓷表面高韧性陶瓷涂层的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种多孔陶瓷表面高韧性陶瓷涂层的制备方法，该方法特征是通过原位生成纳米线与反应熔渗相结合的方法，在多孔陶瓷表面制备纳米线增韧的陶瓷涂层。即：首先，采用涂刷法在多孔陶瓷表层制备一层非晶纳米Si3N4粉体。之后，采用CVD法在多孔陶瓷表面原位生成一层陶瓷纳米线。最后，通过反应熔渗，使低共熔温度的陶瓷粉体熔融形成液相渗入到陶瓷纳米线层中，制备出纳米线增韧的陶瓷涂层。这种制备方法不仅能够解决了纳米线不易在涂层中均匀分散的难题，提高了涂层的韧性，而且强化了涂层与基体之间的界面结合。该方法制备的陶瓷涂层较为致密，并具有较高的断裂韧性，提高多孔陶瓷的硬度、强度、抗热冲击能力等性能。

Preparation of a high toughness ceramic coating on porous ceramic surface

The invention discloses a preparation method of high toughness ceramic coating on porous ceramic surface, which is characterized by preparing nano wire toughened ceramic coating on porous ceramic surface by combining nanowires in situ and reactive infiltration. In other words: first, a layer of amorphous nano Si3N4 powder was prepared by the coating method on the surface of porous ceramics. After that, a layer of ceramic nanowires was formed in situ on the surface of porous ceramics by CVD method. Finally, through reactive infiltration, low eutectic temperature ceramic powder was melted into liquid phase to infiltrate into the ceramic nanowire layer, and nanowire toughened ceramic coating was prepared. This preparation method can not only solve the problem that nanowires are not easy to disperse in the coatings, but also improve the toughness of the coatings, and enhance the interface bonding between the coating and the substrate. The ceramic coating prepared by this method is more compact, and has high fracture toughness, and improves the hardness, strength and thermal shock resistance of the porous ceramics.

【技术实现步骤摘要】
一种多孔陶瓷表面高韧性陶瓷涂层的制备方法
本专利技术属于陶瓷涂层的制备方法
，具体涉及一种在多孔陶瓷基体表面制备高韧性陶瓷涂层的方法。
技术介绍
多孔陶瓷具有密度低、良好的综合力学性能、优异的高温稳定性、低的介电常数和介电损耗、良好的隔热性能、可加工等优异的性能，是一种良好的结构功能一体化材料，可以作为隔热材料、透波材料等。但多孔陶瓷的表面和内部均是多孔结构，且孔道多为连通，因此在使用过程中存在几个问题：（1）多孔陶瓷易吸附环境中的水汽，降低了材料的介电性能和隔热性能。（2）多孔结构降低了材料的机械性能。一方面，气孔的存在使材料负载面积减少，减弱了材料的负载能力；另一方面，气孔在材料中相当于缺陷，容易引起应力集中和裂纹萌生，从而导致材料的机械性能降低。因此，多孔陶瓷在某些领域中的应用受到了很大的限制。针对多孔陶瓷在实际使用时存在的问题，需要在多孔陶瓷表面制备一层致密陶瓷涂层，来隔离环境中的水汽，提高多孔陶瓷的机械性能。目前，现有的涂层材料及其制备方法主要包括以下几个方面：（1）耐热有机树脂涂层。Goto等人通过喷雾法或溶液浸渍法在多孔陶瓷表面涂覆一层耐热有机树脂，如聚醚石风、聚苯醚、聚醚酰亚胺或有机硅树脂等。有机树脂涂层能有效地封住多孔陶瓷表面气孔，隔离了环境中的水汽。但是，有机树脂的使用温度较低，耐热温度一般不能超过300℃。（2）化学气相沉积（CVD）制备Si3N4涂层。美国波音公司的Koetje、以色列的Barta等人采用CVD法在多孔氮化物陶瓷表面制备出致密Si3N4涂层。该涂层具有较高的机械强度、良好的耐雨蚀和耐砂蚀能力。在国内，一些研究人员也采用CVD法在多孔氮化物陶瓷表面制备出Si3N4涂层，所制备的涂层结构均匀且致密，不仅起到较好的防潮作用，而且明显地提高了多孔氮化物陶瓷的力学性能。但是，由CVD制备的Si3N4涂层通常是非晶Si3N4相，涂层的韧性和高温稳定性较差，导致涂层的抗热冲击能力较差。（3）无压烧结制备玻璃质涂层。无压烧结制备玻璃质涂层具有工艺简单、操作灵活、适合复杂形状的基体、涂层组织结构可调性强等特点。目前，制备的玻璃质涂层包括：Li2O-Al2O3-SiO2、α-Si3N4/CaO-B2O3-SiO2、α-Si3N4/Li2O-Al2O3-SiO2、α-Si3N4/Y2O3-Al2O3-SiO2等，结果表明：玻璃质涂层非常致密，能够封住多孔陶瓷表面的气孔，并且具有很好的硬度，但是涂层的韧性较差，导致涂层的抗热冲击能力较差。因此，如何提高涂层的强度、硬度、韧性等力学性能是一种重要的问题。纳米线由于具有强度高、韧性高、可弯折等优异的力学性能得到研究人员高度重视。近几年来，大量文献报道：为了改善材料的韧性和抗热冲击能力，将纳米线与陶瓷或玻璃材料进行复合，制备出一维纳米材料增韧的复合材料，如：Si3N4NW/C/SiC、SiCNW/Li2O-Al2O3-SiO2、SiCW/SiC/玻璃、CNT/Al2O3、CNT/Si3N4等。结果表明：与陶瓷或玻璃材料相比，该复合材料的强度、断裂韧性和抗热冲击能力均得到极大提高。由此可知，将陶瓷纳米线引入到多孔陶瓷表面涂层中，必然会极大改善涂层的强度、韧性、抗热冲击能力等性能。如果将陶瓷粉体与纳米线直接混合，之后采用料浆法和高温烧结制备纳米线增韧的陶瓷涂层时，会出现两个问题：1）涂层中纳米线的含量受到限制。由于纳米线的表观密度较小，大量的纳米线很难与陶瓷粉体均匀混合。因此，采用此方法制备涂层时，涂层中纳米线的含量势必会受到很大的限制。2）纳米线很难均匀分散在涂层中。纳米线的比表面积较大，很容易产生团聚，使得纳米线不能均匀分散在涂层中，导致涂层的整体性能降低。
技术实现思路
专利技术目的为了克服上述现有技术存在的缺点，本专利技术提出一种多孔陶瓷表面高韧性陶瓷涂层的制备方法。采用该方法制备的陶瓷涂层不仅能够控制涂层中纳米线的含量，而且能够使纳米线均匀地分散在涂层中，从而提高涂层的强度和断裂韧性。技术方案一种多孔陶瓷表面高韧性陶瓷涂层的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1，基体处理：选取多孔陶瓷为基体，使用砂纸研磨至基体表面光滑平整，然后将研磨后的多孔陶瓷基体放入无水乙醇中超声清洗10～50min，清洗大于等于两次后将基体放入烘箱，在70～80℃下烘干10～12h；步骤2，在多孔陶瓷表层制备非晶纳米Si3N4粉体层：首先，将非晶纳米Si3N4粉体和蒸馏水混合，其固含量为15wt%，经过超声振荡10～50min，之后利用离心机对料浆进行分离处理2～10min，取上层悬浮液作为使用的非晶纳米Si3N4料浆；然后，将非晶纳米Si3N4悬浮液反复涂刷在多孔陶瓷的表面，悬浮液会渗入多孔陶瓷的表层中，再经过50～100℃干燥3～10h，制得非晶纳米Si3N4粉体层；步骤3，在多孔陶瓷表面制备陶瓷纳米线层：首先，将硅烷溶胶涂覆在多孔陶瓷表面，经过50～120℃干燥处理2～8h，形成一层硅烷凝胶；然后，在气氛保护情况下，1400～1500℃烧结2～15h，在多孔陶瓷表面制备出陶瓷纳米线层；步骤4，在陶瓷纳米线层表面制备低共熔温度陶瓷粉体层：首先，将低共熔温度的陶瓷粉体和无水乙醇混合，其固含量为30wt%，以氮化硅球为磨球，将陶瓷原料粉体和无水乙醇的混合物以及氮化硅磨球置于球磨罐中球磨8～12h，制备成陶瓷料浆，再经过50～100℃干燥5～10h，得到陶瓷粉体混合物，然后，采用包埋法将陶瓷粉体混合物包覆在陶瓷纳米线层表面，由步骤2～4，从而在多孔陶瓷表面形成三层结构，即：非晶纳米Si3N4粉体层、陶瓷纳米线层以及陶瓷粉体层；步骤5，将上述制得的素坯在气氛保护情况下，1500～1600℃烧结1～4h，气压为0.1～0.25MPa，在多孔陶瓷表面制备出纳米线增韧的高韧性陶瓷涂层。步骤1所述多孔陶瓷基体的气孔率为30～60%，气孔孔径为0.5～5μm。步骤2所述非晶纳米Si3N4粉体的粒径10～50nm，离心机转速为4000r/min。步骤3所述陶瓷纳米线层是由纳米线组成，其中纳米线分别为Si3N4纳米线或SiC纳米线，烧结气氛分别为N2或Ar。步骤4所述低共熔温度的陶瓷原料粉体分别为α-Si3N4/Y-Si-Al-O-N或Si/C/Al2O3或α-Si3N4/B-Si-Al-O，其质量百分比分别为：α-Si3N4/Y-Si-Al-O-N=（0～4）:（6～10）或Si/C/Al2O3=（6～8）:（1～2.5）:（1～1.5）或α-Si3N4/B-Si-Al-O=（0～5）:（5～10）。步骤5所述烧结，具体过程为：1000℃以下升温速率为10℃/min，1000℃以上升温和降温速率均为2℃/min，1000～500℃降温速率为2℃/min，500℃以下随炉冷却至常温，烧结气氛分别为N2或Ar。步骤4所述氮化硅磨球尺寸为2～20mm。步骤1所述砂纸研磨为使用800目和1000目的砂纸逐次研磨至基体表面光滑平整。优点及效果：和现有方法相比，本专利技术具有如下优点：1）原位生成的陶瓷纳米线不仅能均匀地分散在涂层中，使涂层的微观结构更加均匀，解决了纳米线不易在涂层中均匀分散的难题，而且可以通过控制CVD工艺来调控涂层中纳米线的含量；使涂层具有较好的韧性，进而提高了涂层的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多孔陶瓷表面高韧性陶瓷涂层的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1，基体处理：选取多孔陶瓷为基体，使用砂纸研磨至基体表面光滑平整，然后将研磨后的多孔陶瓷基体放入无水乙醇中超声清洗10～50min，清洗大于等于两次后将基体放入烘箱，在70～80℃下烘干10～12h；步骤2，在多孔陶瓷表层制备非晶纳米Si3N4粉体层：首先，将非晶纳米Si3N4粉体和蒸馏水混合，其固含量为15wt%，经过超声振荡10～50min，之后利用离心机对料浆进行分离处理2～10min，取上层悬浮液作为使用的非晶纳米Si3N4料浆；然后，将非晶纳米Si3N4悬浮液反复涂刷在多孔陶瓷的表面，悬浮液会渗入多孔陶瓷的表层中，再经过50～100℃干燥3～10h，制得非晶纳米Si3N4粉体层；步骤3，在多孔陶瓷表面制备陶瓷纳米线层：首先，将硅烷溶胶涂覆在多孔陶瓷表面，经过50～120℃干燥处理2～8h，形成一层硅烷凝胶；然后，在气氛保护情况下，1400～1500℃烧结2～15h，在多孔陶瓷表面制备出陶瓷纳米线层；步骤4，在陶瓷纳米线层表面制备低共熔温度陶瓷粉体层：首先，将低共熔温度的陶瓷粉体和无水乙醇混合，其固含量为30wt%，以氮化硅球为磨球，将陶瓷原料粉体和无水乙醇的混合物以及氮化硅磨球置于球磨罐中球磨8～12h，制备成陶瓷料浆，再经过50～100℃干燥5～10h，得到陶瓷粉体混合物，然后，采用包埋法将陶瓷粉体混合物包覆在陶瓷纳米线层表面，由步骤2～4，从而在多孔陶瓷表面形成三层结构，即：非晶纳米Si3N4粉体层、陶瓷纳米线层以及陶瓷粉体层；步骤5，将上述制得的素坯在气氛保护情况下，1500～1600℃烧结1～4h，气压为0.1～0.25MPa，在多孔陶瓷表面制备出纳米线增韧的高韧性陶瓷涂层。...

【技术特征摘要】
1.一种多孔陶瓷表面高韧性陶瓷涂层的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1，基体处理：选取多孔陶瓷为基体，使用砂纸研磨至基体表面光滑平整，然后将研磨后的多孔陶瓷基体放入无水乙醇中超声清洗10～50min，清洗大于等于两次后将基体放入烘箱，在70～80℃下烘干10～12h；步骤2，在多孔陶瓷表层制备非晶纳米Si3N4粉体层：首先，将非晶纳米Si3N4粉体和蒸馏水混合，其固含量为15wt%，经过超声振荡10～50min，之后利用离心机对料浆进行分离处理2～10min，取上层悬浮液作为使用的非晶纳米Si3N4料浆；然后，将非晶纳米Si3N4悬浮液反复涂刷在多孔陶瓷的表面，悬浮液会渗入多孔陶瓷的表层中，再经过50～100℃干燥3～10h，制得非晶纳米Si3N4粉体层；步骤3，在多孔陶瓷表面制备陶瓷纳米线层：首先，将硅烷溶胶涂覆在多孔陶瓷表面，经过50～120℃干燥处理2～8h，形成一层硅烷凝胶；然后，在气氛保护情况下，1400～1500℃烧结2～15h，在多孔陶瓷表面制备出陶瓷纳米线层；步骤4，在陶瓷纳米线层表面制备低共熔温度陶瓷粉体层：首先，将低共熔温度的陶瓷粉体和无水乙醇混合，其固含量为30wt%，以氮化硅球为磨球，将陶瓷原料粉体和无水乙醇的混合物以及氮化硅磨球置于球磨罐中球磨8～12h，制备成陶瓷料浆，再经过50～100℃干燥5～10h，得到陶瓷粉体混合物，然后，采用包埋法将陶瓷粉体混合物包覆在陶瓷纳米线层表面，由步骤2～4，从而在多孔陶瓷表面形成三层结构，即：非晶纳米Si3N4粉体层、陶瓷纳米线层以及陶瓷粉体层；步骤5，将上述制得的素坯在气氛保护情况下，1500～1600℃烧结1～4h，气压为0.1～0....

【专利技术属性】
技术研发人员：王超，乔瑞庆，张帆，王占杰，宋贵宏，陈立佳，
申请(专利权)人：沈阳工业大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21