一种基于熔融石英的防护涂层的制备方法及涂层技术

本发明专利技术公开了一种基于熔融石英的高温防护涂层的制备方法及涂层，即在衬底表面涂覆一层二氧化硅纳米颗粒/有机聚合物膜，其中氧化硅颗粒的平均粒径小于100纳米，干燥、退火去除有机聚合物后，通过高温烧结使得二氧化硅纳米颗粒相互融合并最终在衬底表面形成密实、非晶的熔融石英涂层；该方法制备的涂层能为衬底表面少数原子层厚度材料提供上千摄氏度高温抗氧化防护的优异性能，适用于极端高温环境下的热冲击、抗氧化、防腐蚀等特种防护需求。防腐蚀等特种防护需求。防腐蚀等特种防护需求。

【技术实现步骤摘要】
一种基于熔融石英的防护涂层的制备方法及涂层


[0001]本专利技术涉及高温防护涂层
，具体来说涉及一种基于熔融石英的耐高温冲击、抗氧化、防腐蚀的防护涂层及其制备方法。

技术介绍

[0002]目前硅酸盐玻璃、高硼硅玻璃等商用玻璃主要通过掺入硅酸盐、氧化硼、氧化钠等各类添加物制来制造，以此降低玻璃的熔点、增强其可加工性。然而，这些掺杂玻璃熔点仅数百摄氏度、不耐上千摄氏度高温，更是难以承受超高温冲击，在超快升降温速率、强温度梯度等极端环境下极易碎裂，同时掺杂还会降低玻璃的抗腐蚀性能。因此，现有商用玻璃涂层无法满足工件在极端环境的防护需求。
[0003]目前常用的耐高温涂层有有机耐高温涂层、无机耐高温涂层、有机
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无机复合耐高温涂层等三大类。其中有机涂层和有机
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无机复合涂层的封装气密性好，但是热稳定性差。无机涂层多为陶瓷材料，机械性能稳定，但是脆性高、气密性差。
[0004]熔融石英是一种非晶、高纯的二氧化硅玻璃，不同于结晶状石英玻璃，也不同于传统低熔点的掺杂玻璃，其具有独特的物理性质：熔点高达约1700℃，具有极低的热胀系数，以及高惰性，能抗高温冲击，在宽泛的紫外
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可见
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红外波段具有高透过率，常用于透镜、激光光纤等光学领域，具有抗高温冲击、防腐蚀、抗氧化的优势。但熔融石英的高熔点、高硬度等难以加工利用的特性也限制了该材料的应用范围，特别是鲜有在防护涂层方面的应用。

技术实现思路

[0005]针对高于1000℃的超高温极端环境的防护需求，本专利技术提供了一种基于熔融石英的涂层，为衬底表面材料在超高温环境下提供抗氧化、防腐蚀等物理化学防护。
[0006]具体而言，上述专利技术目的是通过如下技术方案实现的：
[0007]首先，本申请提供了一种基于熔融石英的防护涂层的制备方法，其具体步骤如下：
[0008]1)将有机聚合物溶解于溶剂中，在其中分散平均粒径小于100纳米、比表面积低于100m2/g的二氧化硅纳米粉末，以此制备出二氧化硅/有机聚合物/溶剂组分的浆料；
[0009]该浆料中二氧化硅和有机聚合物的固含量比值不低于0.6；
[0010]有机聚合物选取易于退火去除干净的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)、聚乙烯醇(PVA)、聚乙二醇(PEG)等或其组合。
[0011]溶剂使用能充分溶解所选有机聚合物的水、乙醇、甲醇、丙酮、三氯甲烷、苯甲醚等各类有机或无机溶剂。
[0012]在本申请的一个优选实施例中，上述浆料中，以占浆料整体质量百分比计，有机聚合物占15％，二氧化硅纳米粉末占15％，余量为溶剂。
[0013]2)直接将浆料涂覆在衬底表面上，并干燥去除溶剂以形成二氧化硅/有机聚合物复合的固化涂层，确保该涂层厚度小于200微米以避免后期热处理过程中内应力引起的裂纹；
[0014]上述“浆料涂覆”是指可以通过滴涂、刮涂、旋涂、喷涂等方式将浆料涂覆于衬底表面。上述“干燥”是指可以通过自然晾干、加热干燥、鼓风干燥、红外干燥等能去除有机溶剂的方式。
[0015]上述“衬底表面”可以是具有超高温热稳定性的镍、钛、钨、钼等金属及其各类合金，或是碳化硅、氮化硅、氧化铝、氧化锆、碳材料等各类无机非金属或他们的复合材料。
[0016]3)经退火处理去除该涂层中的有机聚合物，以形成二氧化硅纳米颗粒相互粘合的多孔涂层；
[0017]3)退火条件是依据所选用有机聚合物的特性采用相应退火温度或是退火气氛，气氛包括真空、氮气、空气等，以实现有机聚合物95％以上的去除率。退火温度可以为400℃或以上温度。
[0018]4)高温烧结使得纳米颗粒融化并相互融合，最终在衬底表面上形成密实的非晶态二氧化硅，即熔融石英涂层；该涂层具有高化学惰性、高熔点、高密实性，能为衬底表面材料提供高效的热、化学防护。
[0019]上述烧结温度不低于1700℃，如1700
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1800℃等。
[0020]其次，本申请提供了通过以上制备方法获得的防护涂层，该涂层为非晶态。
[0021]本专利技术所提供的基于熔融石英的高温抗氧化防护涂层的制备方法，工艺简单，成本低廉。能在整个制备过程中避免退火引起的衬底表面材料和涂层的剥离、破损等问题，甚至不损伤衬底表面单原子层材料。能附着于衬底表面形成高质量防护涂层，可有效提升衬底表面在高温环境下的抗氧化性能，甚至能为少数原子层材料提供上千摄氏度的高温、抗氧化防护，具有广阔的应用前景。
附图说明
[0022]图1为本专利技术实例中不同烧结温度下涂层/衬底的相机图片和扫描电镜图片。
[0023]图2为本专利技术实例中1700℃烧结制备熔融石英涂层的实物照片和典型拉曼谱图。
[0024]图3为本专利技术实例中1800℃烧结制备熔融石英涂层的典型拉曼谱图。
[0025]图4为本专利技术实例中涂层制备前和制备完成后的衬底表面少数原子层石墨烯拉曼谱图。
[0026]图5为本专利技术实例中1000℃空气环境中石墨烯在有涂层和无涂层防护下的拉曼谱图。
具体实施方式
[0027]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面结合实例对本专利技术的技术方案进行进一步的说明。
[0028]实施例1制备防护涂层
[0029]步骤1：将聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)颗粒溶解于苯甲醚中，得到PMMA溶液，并将非晶态二氧化硅纳米粉末(购自德国赢创工业股份有限公司)均匀分散于PMMA溶液中得到复
合浆料；所述复合浆料中，以占复合浆料的质量百分比计，包括15％的PMMA、15％的SiO2纳米粉末(平均粒径约40nm，比表面积35
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65m2/g)，余量为苯甲醚。在具体实施中，有机聚合物在溶剂中分散平均粒径小于100纳米时，均可实现专利技术之目的。
[0030]步骤2：将步骤1获得的复合浆料均匀刮涂在衬底表面，涂层厚度90微米；
[0031]本实施例中使用的衬底是氧化铝，衬底表面有1
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2个原子层厚度石墨烯，在该衬底表面上制备石墨烯的方法为本领域常规方法，本实施例是依照文献“Materials Letters,2013,110:225
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228”所公开的方法制备，此处使用少数原子层厚度的石墨烯仅为便于验证所获得涂层对衬底表面材料的原子级工艺兼容性及优异防护效果。
[0032]在具体实施中，衬底表面可以选择具有超高温热稳定性的钨、镍、钛等金属及其各类合金或是碳化硅、氮化硅、氧化铝、氧化锆、碳材料等各类无机非金属材料。
[0033]步骤3：而后150℃热台加热干燥5分钟，得到均匀的SiO2/PMMA复合膜本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于熔融石英的防护涂层的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：将有机聚合物溶解于溶剂中，并在其中分散二氧化硅纳米粉末，获得二氧化硅/有机聚合物/溶剂组分的浆料；所述有机聚合物包括聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇缩丁醛、聚乙烯醇、聚乙二醇中的至少一种；所述溶剂可溶解所述有机聚合物；将浆料涂覆在衬底表面，获得涂层；然后干燥、退火、烧结，即获得所述基于熔融石英的防护涂层，所述防护涂层为非晶态。2.根据权利要求1所述基于熔融石英的防护涂层的制备方法，其特征在于，步骤1）所述二氧化硅纳米粉末平均粒径小于100纳米、比表面积低于100m2/g。3.根据权利要求1所述基于熔融石英的防护涂层的制备方法，其特征在于，步骤1）所述浆料中二氧化硅和有机聚合物的固含量比值不低于0.6。4.根据权利要求1所述基于熔融石英的防护涂层的制备方法，其特征在于，步骤1）所述溶剂包括无机溶剂或有机溶剂；所述无机溶剂包括水，所述有机溶剂包括乙醇、甲醇、丙酮、三氯甲烷、苯甲醚中的至少一种。5.根据权利要求1所述基于熔融石英的防护...

【专利技术属性】
技术研发人员：李基东，翟振鹏，王鹏，郭万林，殷俊，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：