一种YSZ-PTFE陶瓷树脂复合耐磨涂层及其制备方法技术

本发明专利技术涉及涂覆材料技术领域，具体是涉及一种YSZ‑PTFE陶瓷树脂复合耐磨涂层，该耐磨涂层通过制备YSZ粉末颗粒→制备YSZ悬浮液→制备YSZ涂层→制备PAN‑PTFE改性涂料→制备YSZ‑PTFE复合涂层的工艺流程制得；该制备方法相较现有技术具备以下特点：本发明专利技术采用的工艺首先在基体表面构造了一层具有锥柱状孔隙的YSZ涂层，然后采用负压涂覆的方式将改性后的PTFE涂料充分渗入YSZ涂层的锥柱状孔隙中，从微观结构上降低了YSZ‑PTFE复合涂层的孔隙率；在与对磨面摩擦时，YSZ作为骨架支撑，增强了PTFE基体与转移膜之间的结合力，从而使YSZ‑PTFE复合涂层在宏观性能上体现出较低的摩擦系数以及磨损率。

【技术实现步骤摘要】
一种YSZ-PTFE陶瓷树脂复合耐磨涂层及其制备方法
本专利技术涉及涂覆材料
，具体是涉及一种YSZ-PTFE陶瓷树脂复合耐磨涂层及其制备方法。
技术介绍
聚四氟乙烯(PTFE)是一种广泛使用的聚合物润滑材料，有低摩擦系数和自润滑性能；另外由于氟-碳链分子间作用力极低，所以具有不粘性，可防止粘滑运动的不稳定性，而表现出优异的摩擦学性能。但是它分子间强度低导致在磨损条件下其磨损率高，很少单独应用于耐磨服役环境。氧化锆(ZrO2)陶瓷涂层与其他的陶瓷材料相比，具有很高的强度、断裂韧性和良好的耐磨性能。但单纯的ZrO2陶瓷涂层由于在温度变化时具有可逆转变和体积增大效应，所以在变温环境下，其制品的断裂韧性、强度和热震稳定性都有待提升。目前热喷涂是最常用的陶瓷涂层制备方法，它通过热源(如等离子体)将陶瓷粉末颗粒加热至熔融或半熔的状态，随后喷射沉积到基体表面形成涂层。但是由于陶瓷涂层存在孔隙、裂纹以及颗粒间弱结合界面等原始缺陷，在磨损条件下这些缺陷会成为早期剥落源，影响陶瓷涂层的磨损性能和使用寿命。专利CN109810616A公开了一种耐磨环氧陶瓷复合涂层的制备方法。该专利以环氧树脂为基，加入氧化锌、二氧化硅、氧化铝、云母粉、碳化硅、氮化硼、二氧化钛中的一种或者两种作为改性填料。可以提高环氧树脂基材的耐磨性。专利CN108504250A公布了一种环氧树脂复合耐磨涂层及其制备方法。在环氧树脂中加入了增韧剂、偶联剂以及二硫化钼、氧化石墨烯、纳米聚酰亚胺微球、贝壳粉、聚四氟乙烯粉末、氯化石蜡、木质素和陶瓷颗粒等耐磨助剂可以显著提高涂层的耐磨性和耐热性能。以上两个复合涂层制备专利都是以环氧树脂高分子为基，加入陶瓷改性颗粒提高树脂的耐磨、耐热性能，并未涉及复合涂层的结构设计和陶瓷基复合涂层制备。综上，本专利技术以悬浮液等离子喷涂(SPS)制备柱状多孔氧化钇(Y2O3)稳定氧化锆(YSZ)作为陶瓷材料的骨架，通过填充经过聚丙烯腈(PAN)改性后的PTFE自润滑聚合物，设计出YSZ-PTFE复合材料的新型结构，旨在降低陶瓷涂层的摩擦系数与磨损量，增强陶瓷涂层的磨损性能。
技术实现思路
为了实现以上目的，本专利技术提供了一种YSZ-PTFE陶瓷树脂复合耐磨涂层及其制备方法，以解决现有陶瓷涂层制备技术中，涂层孔隙率缺陷影响其耐磨性问题，具体的技术方案如下：一种YSZ-PTFE陶瓷树脂复合耐磨涂层的制备方法，具体包括以下步骤：S1：制备YSZ粉末颗粒：S11：制备Y2O3-ZrO2体系溶胶：利用ZrOCl2·8H2O和Y2O3为原材料，经水解、氧化和纯化后，得到Y2O3-ZrO2体系溶胶。S12：烘干：将步骤S11中所得溶胶在60℃下烘干后，过筛网得到粒度在0.3～1.2μm之间的YSZ粉末颗粒。ZrO2具有熔点高、力学性能好、热膨胀系数大、导热系数小、良好的离子导体等优点，是非常重要的陶瓷材料，被誉为“陶瓷钢”。在常压下，纯的ZrO2以立方相、四方相或单斜相存在。立方相是氧化锆各种结构中最为简单的一种，晶胞是面心立方。单斜相结构最为复杂，但可以看成是立方相和四方相的畸变结构。在一定温度下，这三种晶体结构可以相互转化，其相变过程大致可以描述为：从室温到服役温度过程中存在相变，纯的ZrO2无法用作热障涂层材料。ZrO2从单斜相转变为四方相，伴随着约7％的体积收缩，而从四方相转变为单斜相，伴随着3-～5％的体积膨胀。每次升降温的热循环过程中，相变引起了ZrO2晶格的不可逆的体积收缩，从而形成了很大的热应力，最终导致涂层的脱落失效。为了使ZrO2涂层不因相变而失效，需要用一些金属氧化物作为稳定剂去抑制ZrO2的相变，使其稳定在单一的四方相或立方相。四方相的氧化锆力学性能优于立方相，因此四方相的氧化锆被选为热障涂层材料。在本专利技术中，使用6～8wt％的Y2O3来稳定ZrO2(YSZ)，其稳定机理可用晶体缺陷理论分析：其中，VO``呈二价正电。O2-偏离Zr4+而转向VO``以稳定ZrO2萤石结构。因此，YSZ的热膨胀系数很高(～11×10-6K-1)可以很大程度上缓解涂层与金属基体之间的热应力。YSZ硬度达到～14GPa，能够很好地抵抗外来异物的撞击。另外，YSZ还具有非常高的熔点(～2700C)，非常适合在高温下使用。融化的YSZ粉末在喷涂过程中冷却速度非常快(106K/s)，有效地阻止了四方相向立方相的转变，形成了亚稳态四方相ZrO2。该相为富钇相，在服役温度≤1100C时，不会发生相变，非常稳定。YSZ涂层具有高的断裂韧性，主要归功于铁弹性增韧机理，这种增韧方式与相变增韧不同，是可逆的，可以在高温条件下实现增韧的作用，因此可以有效地抵抗热应力，防止涂层过早开裂剥落。S2：制备YSZ悬浮液：S21：添加分散剂：将分散剂三环已基氢氧化锡溶解与乙醇溶剂中，通过超声磁力搅拌20min至完全稀释，所添加分散剂的质量占溶质YSZ粉末颗粒质量的1～4％。S22：添加溶质：将溶质YSZ粉末颗粒加入步骤S21所的溶液中，通过超声磁力搅拌20min至完全稀释，所添加溶质YSZ粉末颗粒的质量占YSZ悬浮液总重量的20％～25％。S3：制备YSZ涂层：将步骤S22中制得的YSZ悬浮液作为喷涂液体喂料，通过SPS法，在基体上制备具备锥柱形貌的YSZ涂层。纳米陶瓷粉末因为本身比表面积大、表面能高、导致其流动性很差、因而无法通过送粉器直接送出，故不能直接用于等离子喷涂。解决等离子喷涂制备纳米涂层的一个较好的途径是改变喂料方式，改变粉末原料特性或输送液态原料。考虑到YSZ悬浮液尺寸在0～100nm范围内，落在纳米尺度的范围。依据此范围，可以将YSZ悬浮液作为喷涂原料直接进行等离子喷涂制备YSZ涂层。这样既简化了由微米级团聚体粉末制备YSZ涂层这一繁琐工艺，又解决了纳米粉末在高温条件下易长大的问题；另一方面前驱体胶团高速通过等离子焰流，飞行的时间极短(＜10-3秒)，成核的纳米晶来不及长大就与基体碰撞，沉积为纳米涂层。此方法解决了纳米粉体送料的关键问题、亦能制备出纳米涂层，这便是本专利技术采用液相等离子喷涂(SPS)的原因。S4：制备PAN-PTFE改性涂料：称取质量比为1：4的PAN粉末与PTFE，经超声磁力搅拌10min后，混合均匀以备用。聚四氟乙烯(PTFE)为四氟乙烯单体的聚合物。聚四氟乙烯分子是一种完全对称、无支链的线型高分子。由于聚四氟乙烯独特的螺旋构象，构成了一个致密的“氟代”壳层，使聚四氟乙烯拥有了优异的化学稳定性以及低的内聚能密度；同时，氟原子的电负性极强，聚四氟，乙烯单体的对称性使其分子间的吸引力和表面能均较低。虽然PTFE具有许多优点，但当PTFE作为耐磨材料与其他物体相互对磨时，由于PTFE的内聚能小，分子间结合力弱PTFE的大分子容易被拉出晶区，而转移到对偶件上形成薄的转移膜，摩擦行为在PTFE基体与转移膜之间进行，所以纯PTFE摩擦系数很低。由于这层转移膜与对磨面的结合力极差，很容易本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种YSZ-PTFE陶瓷树脂复合耐磨涂层的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：/nS1：制备YSZ粉末颗粒：/nS11：制备Y

【技术特征摘要】
1.一种YSZ-PTFE陶瓷树脂复合耐磨涂层的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1：制备YSZ粉末颗粒：
S11：制备Y2O3-ZrO2体系溶胶：利用ZrOCl2·8H2O和Y2O3为原材料，经水解、氧化和纯化后，得到Y2O3-ZrO2体系溶胶；
S12：烘干：将步骤S11中所得溶胶在60℃下烘干后，过筛网得到粒度在0.3～1.2μm之间的YSZ粉末颗粒；
S2：制备YSZ悬浮液：
S21：添加分散剂：将分散剂三环已基氢氧化锡溶解与乙醇溶剂中，通过超声磁力搅拌20min至完全稀释，所添加分散剂的质量占溶质YSZ粉末颗粒质量的1～4％；
S22：添加溶质：将溶质YSZ粉末颗粒加入步骤S21所的溶液中，通过超声磁力搅拌20min至完全稀释，所添加溶质YSZ粉末颗粒的质量占YSZ悬浮液总重量的20％～25％；
S3：制备YSZ涂层：将步骤S22中制得的YSZ悬浮液作为喷涂液体喂料，通过SPS法，在基体上制备具备锥柱形貌的YSZ涂层；
S4：制备PAN-PTFE改性涂料：称取质量比为1：4的PAN粉末与PTFE，经超声磁力搅拌10min后，混合均匀以备用；
S5：制备YSZ-PTFE复合涂层：
S51：负压涂覆：首先将步骤S4中制备的PAN-PTFE改性涂料涂覆在步骤S3中制得的YSZ涂层上，然后置入压力为-0.1～0.02MPa的真空罐中进行抽真空；
S52：固化：按照PTFE固化使用指南，对步骤S51中制得的涂层进行固化处理，得到致密的YSZ-PTFE复合涂层；
S53：抛光：对步...

【专利技术属性】
技术研发人员：王岩，刘世锋，刘庆华，王继国，
申请(专利权)人：西安建筑科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61