專利名稱：致密陶瓷絕緣涂層及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種絕緣涂層及制法，尤其是致密陶瓷絕緣涂層及制備方法。
背景技術(shù)：
目前，人們?yōu)榱死锰沾刹牧现械慕饘傺趸锊牧纤哂械妮^高的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，以及絕緣、耐輻射和耐磨損的性能，常將其制備成涂層以作為電絕緣材料使用。如在1998年7月14日公開的美國專利說明書US5780525中披露了一種“電絕緣用可光處理復(fù)合物材料”。它意欲提供一種在可適應(yīng)的基體上制備金屬氧化物涂層的方法，該涂層對(duì)于光處理源而言是透明的，且對(duì)電應(yīng)力有阻礙作用，從而提升涂層抗電暈的能力。其制備過程為先制備一個(gè)含有一種穩(wěn)定劑和一種金屬氧化物前驅(qū)體材料的前驅(qū)體復(fù)合物，再將其與可光處理的堿性樹脂在較低的剪切速率下混合成復(fù)合物，之后，在基底材料上涂覆此復(fù)合物并對(duì)其進(jìn)行光處理，而制得復(fù)合物涂層。但是，這種電絕緣用復(fù)合涂層及其制備方法均存在著不足之處，首先，復(fù)合物涂層中含有大量的有機(jī)高分子材料，包括穩(wěn)定劑、堿性樹脂等，而陶瓷材料卻很少，實(shí)為一個(gè)有機(jī)高分子涂層，故其耐高溫的能力有限，難于應(yīng)用在大于400℃的高溫場合；其次，要求材料的透明性較高，否則無法對(duì)其進(jìn)行光處理，使制造的成本增加和難于大規(guī)模的應(yīng)用。雖也有其他陶瓷涂層，如在1990年11月27日公開的美國專利說明書US4973526中曾描述過一種“陶瓷涂層的制備方法及所得的產(chǎn)品”。它是在電子器件的基底上，通過采用旋涂、浸漬、噴涂、流延等方式，將由溶劑、H-Si樹脂和修飾過的陶瓷氧化物前驅(qū)體構(gòu)成的漿料涂覆于其上，再將其于40～1000℃的臭氧環(huán)境下熱處理而使涂層陶瓷化。然而，這種陶瓷涂層及其制備方法也有著缺陷，一是陶瓷涂層的厚度小于2微米，顯然太薄了，不適合用作耐高壓條件下的絕緣陶瓷涂層；二是需使用苯、甲苯、庚烷、十二烷等有機(jī)溶劑來溶解H-Si樹脂及陶瓷氧化物前驅(qū)體，而這些有機(jī)溶劑通常對(duì)人體有害，會(huì)污染環(huán)境；三是由于臭氧的氧化性太強(qiáng)，雖然有利于獲得較好的陶瓷涂層，但也會(huì)腐蝕金屬基底。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題為克服上述各種現(xiàn)有技術(shù)方案的局限性，提供一種耐高壓，制備方便的致密陶瓷絕緣涂層及制備方法。
致密陶瓷絕緣涂層包括基底，特別是所說基底上覆有金屬氧化物絕緣層，所說金屬氧化物絕緣層的厚度為30～80μm，其由5～15層的金屬氧化物粉體與該種金屬氧化物的前驅(qū)體水性溶膠熱處理后的產(chǎn)物所構(gòu)成，所說金屬氧化物粉體的粒徑為20～150nm。
作為致密陶瓷絕緣涂層的進(jìn)一步改進(jìn)，所述的金屬氧化物粉體為三氧化二鋁粉體或二氧化鈦粉體或二氧化鋯粉體；所述的基底為金屬基底或半導(dǎo)體基底或超導(dǎo)體基底。
致密陶瓷絕緣涂層的制備方法包括用常規(guī)方法獲得基底，特別是它是按以下步驟完成的(1)、將金屬氧化物粉體、該種金屬氧化物的前驅(qū)體水性溶膠和水溶性高分子聚合物按照2～10∶1∶0.1～2的比例相混合，再將其球磨5～10小時(shí)得到混合漿料；(2)、用混合漿料涂覆基底，再將其于80～400℃下干燥10～50分鐘，重復(fù)此過程5～15次；(3)、將多次涂覆過的基底于600～900℃下熱處理20～40分鐘，制得致密陶瓷絕緣涂層。
作為致密陶瓷絕緣涂層的制備方法的進(jìn)一步改進(jìn)，所述的金屬氧化物粉體為三氧化二鋁粉體或二氧化鈦粉體或二氧化鋯粉體；所述的金屬氧化物的前驅(qū)體水性溶膠為利用該種金屬氧化物的金屬醇鹽水解法或無機(jī)鹽水解法制備而得到；所述的水溶性高分子聚合物為聚乙二醇或聚乙烯醇或聚乙烯吡咯烷酮；所述的球磨是將混合體置于球磨罐中在行星式球磨機(jī)上進(jìn)行混合與研磨；所述的涂覆為浸漬或旋涂或噴涂；所述的在涂覆基底前，先將其進(jìn)行打磨、去油和清洗。
相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的有益效果是，其一，對(duì)制得的致密陶瓷絕緣涂層分別使用場發(fā)射掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、X-射線衍射儀和涂鍍層測厚儀以及自動(dòng)高壓擊穿裝置進(jìn)行表征與測試后，從得到的掃描電鏡照片、透射電鏡照片、X-射線衍射圖譜和厚度值以及交流電壓擊穿值可知，絕緣涂層致密、無孔洞和裂紋，其由粒徑為20～150nm的金屬氧化物粉體和該種金屬氧化物的前驅(qū)體水性溶膠熱處理后的產(chǎn)物均勻地分布于其中所構(gòu)成，其厚度為30～80μm，交流電壓的擊穿強(qiáng)度高達(dá)30kV/mm，且具有較高的涂層附著力；其二，采用和金屬氧化物粉體同種類的金屬氧化物的前驅(qū)體水性溶膠與其配用，妥善地解決了一次涂覆的厚度與由于材料熱膨脹系數(shù)不匹配造成裂紋產(chǎn)生的矛盾，僅需較少的涂覆次數(shù)就可獲得所需厚度的絕緣涂層；其三，制備絕緣涂層的原料除了金屬氧化物粉體、該種金屬氧化物的前驅(qū)體水性溶膠之外，還于其中添加有水溶性高分子聚合物，該水溶性高分子聚合物在絕緣涂層的形成過程中，防止了金屬氧化物粉體的團(tuán)聚，使金屬氧化物粉體、該種金屬氧化物的前驅(qū)體水性溶膠、水溶性高分子聚合物三者得以均勻地混合，在涂覆后能牢固地附著于基底上，同時(shí)，高分子聚合物富有彈性，可以緩釋涂層在熱處理時(shí)收縮所產(chǎn)生的應(yīng)力，有效地抑制了裂紋的產(chǎn)生，隨著制備過程的進(jìn)行，在高溫的熱處理下，此水溶性高分子聚合物逐漸地被氧化除去，剩下的只是由金屬氧化物粉體和該種金屬氧化物的前驅(qū)體水性溶膠熱處理后的產(chǎn)物所構(gòu)成的致密的絕緣涂層；其四，經(jīng)其它儀器的測試，絕緣涂層還具有較高的耐磨損、耐腐蝕、抗氧化、阻熱的性能，這便于在較廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)大規(guī)模的使用；其五，制備過程中采用的溶劑僅為水性，清潔無污染，成膜的溫度低，且只需在通常的環(huán)境下進(jìn)行，對(duì)基底不會(huì)產(chǎn)生任何不良的影響，制備的工藝簡單易操作，對(duì)設(shè)備的要求不高，適于大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。


下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選方式作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。
圖1是對(duì)絕緣涂層用日本JEOL公司的場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察表面形貌后拍攝的照片，其中(a)圖的放大倍數(shù)為500倍，(b)圖的放大倍數(shù)為30000倍；圖2是在絕緣涂層制備的過程中，用日本KETT公司的LZ-300C型涂鍍層測厚儀測量所得涂層的厚度及相應(yīng)的涂覆次數(shù)之間的關(guān)系圖，圖中的橫坐標(biāo)為涂覆次數(shù)、縱坐標(biāo)為涂層厚度(單位為μm)，其中曲線a表示的是用本發(fā)明所制備的絕緣涂層的厚度與涂覆次數(shù)間的關(guān)系，曲線b表示的是單純利用前驅(qū)體溶膠制備絕緣涂層的厚度與涂覆次數(shù)間的關(guān)系。
具體實(shí)施例方式
首先用常規(guī)方法制得或從市場購得粒徑為20～150nm的三氧化二鋁粉體及勃姆石水性溶膠、二氧化鈦粉體及二氧化鈦水性溶膠和二氧化鋯粉體及二氧化鋯水性溶膠，以及作為水溶性高分子聚合物的聚乙二醇、聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮，作為基底的金屬基底的銅、不銹鋼、半導(dǎo)體基底的硅和超導(dǎo)體基底的YBCO、Bi-2122。接著，實(shí)施例1按以下步驟完成制備1)、將粒徑為20nm的三氧化二鋁粉體、勃姆石水性溶膠和聚乙二醇按照2∶1∶0.1的比例相混合，再將其置于球磨罐中在行星式球磨機(jī)上進(jìn)行混合與研磨5小時(shí)得到混合漿料；2)、對(duì)銅基底打磨、去油和清洗后用混合漿料涂覆于其上，涂覆的方式為浸漬，再將其于80℃下干燥50分鐘，重復(fù)此過程5次；3)、將多次涂覆過的基底于600℃下熱處理40分鐘，制得如圖1和圖2所示的致密陶瓷絕緣涂層。
實(shí)施例2按以下步驟完成制備1)、將粒徑為50nm的三氧化二鋁粉體、勃姆石水性溶膠和聚乙二醇按照4.5∶1∶0.5的比例相混合，再將其置于球磨罐中在行星式球磨機(jī)上進(jìn)行混合與研磨6小時(shí)得到混合漿料；2)、對(duì)不銹鋼基底打磨、去油和清洗后用混合漿料涂覆于其上，涂覆的方式為旋涂，再將其于160℃下干燥40分鐘，重復(fù)此過程8次；3)、將多次涂覆過的基底于680℃下熱處理35分鐘，制得如圖1和圖2所示的致密陶瓷絕緣涂層。
實(shí)施例3按以下步驟完成制備1)、將粒徑為85nm的三氧化二鋁粉體、勃姆石水性溶膠和聚乙二醇按照6∶1∶1的比例相混合，再將其置于球磨罐中在行星式球磨機(jī)上進(jìn)行混合與研磨7小時(shí)得到混合漿料；2)、對(duì)硅基底打磨、去油和清洗后用混合漿料涂覆于其上，涂覆的方式為噴涂，再將其于240℃下干燥30分鐘，重復(fù)此過程10次；3)、將多次涂覆過的基底于750℃下熱處理30分鐘，制得如圖1和圖2所示的致密陶瓷絕緣涂層。
實(shí)施例4按以下步驟完成制備1)、將粒徑為120nm的三氧化二鋁粉體、勃姆石水性溶膠和聚乙二醇按照8.5∶1∶1.5的比例相混合，再將其置于球磨罐中在行星式球磨機(jī)上進(jìn)行混合與研磨8小時(shí)得到混合漿料；2)、對(duì)YBCO基底打磨、去油和清洗后用混合漿料涂覆于其上，涂覆的方式為浸漬，再將其于320℃下干燥20分鐘，重復(fù)此過程13次；3)、將多次涂覆過的基底于830℃下熱處理25分鐘，制得如圖1和圖2所示的致密陶瓷絕緣涂層。
實(shí)施例5按以下步驟完成制備1)、將粒徑為150nm的三氧化二鋁粉體、勃姆石YBCO和聚乙二醇按照10∶1∶2的比例相混合，再將其置于球磨罐中在行星式球磨機(jī)上進(jìn)行混合與研磨10小時(shí)得到混合漿料；2)、對(duì)Bi-2122基底打磨、去油和清洗后用混合漿料涂覆于其上，涂覆的方式為旋涂，再將其于400℃下干燥50分鐘，重復(fù)此過程15次；3)、將多次涂覆過的基底于900℃下熱處理20分鐘，制得如圖1和圖2所示的致密陶瓷絕緣涂層。
再分別選用粒徑為20nm、50nm、85nm、120nm、150nm的二氧化鈦粉體及二氧化鈦水性溶膠和二氧化鋯粉體及二氧化鋯水性溶膠，以及分別選用作為水溶性高分子聚合物的聚乙烯醇或聚乙烯吡咯烷酮，分別選用作為基底的金屬基底的銅、不銹鋼、半導(dǎo)體基底的硅和超導(dǎo)體基底的YBCO、Bi-2122。重復(fù)上述實(shí)施例1～5，均制得了近似于如圖1和圖2所示的致密陶瓷絕緣涂層。
顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明的致密陶瓷絕緣涂層及制備方法進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種致密陶瓷絕緣涂層，包括基底，其特征在于所說基底上覆有金屬氧化物絕緣層，所說金屬氧化物絕緣層的厚度為30～80μm，其由5～15層的金屬氧化物粉體與該種金屬氧化物的前驅(qū)體水性溶膠熱處理后的產(chǎn)物所構(gòu)成，所說金屬氧化物粉體的粒徑為20～150nm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的致密陶瓷絕緣涂層，其特征是金屬氧化物粉體為三氧化二鋁粉體或二氧化鈦粉體或二氧化鋯粉體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的致密陶瓷絕緣涂層，其特征是基底為金屬基底或半導(dǎo)體基底或超導(dǎo)體基底。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的致密陶瓷絕緣涂層的制備方法，包括用常規(guī)方法獲得基底，其特征在于是按以下步驟完成的4.1、將金屬氧化物粉體、該種金屬氧化物的前驅(qū)體水性溶膠和水溶性高分子聚合物按照2～10∶1∶0.1～2的比例相混合，再將其球磨5～10小時(shí)得到混合漿料；4.2、用混合漿料涂覆基底，再將其于80～400℃下干燥10～50分鐘，重復(fù)此過程5～15次；4.3、將多次涂覆過的基底于600～900℃下熱處理20～40分鐘，制得致密陶瓷絕緣涂層。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的致密陶瓷絕緣涂層的制備方法，其特征是金屬氧化物粉體為三氧化二鋁粉體或二氧化鈦粉體或二氧化鋯粉體。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的致密陶瓷絕緣涂層的制備方法，其特征是金屬氧化物的前驅(qū)體水性溶膠為利用該種金屬氧化物的金屬醇鹽水解法或無機(jī)鹽水解法制備而得到。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的致密陶瓷絕緣涂層的制備方法，其特征是水溶性高分子聚合物為聚乙二醇或聚乙烯醇或聚乙烯吡咯烷酮。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的致密陶瓷絕緣涂層的制備方法，其特征是球磨是將混合體置于球磨罐中在行星式球磨機(jī)上進(jìn)行混合與研磨。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的致密陶瓷絕緣涂層的制備方法，其特征是涂覆為浸漬或旋涂或噴涂。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的致密陶瓷絕緣涂層的制備方法，其特征是在涂覆基底前，先將其進(jìn)行打磨、去油和清洗。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種致密陶瓷絕緣涂層及制備方法。涂層包括基底，特別是基底上覆有厚度為30～80μm的金屬氧化物絕緣層，其由5～15層的粒徑為20～150nm的金屬氧化物粉體與該種金屬氧化物的前驅(qū)體水性溶膠熱處理后的產(chǎn)物所構(gòu)成。方法包括用常規(guī)方法獲得基底，特別是按以下步驟完成的(1)將金屬氧化物粉體、該種金屬氧化物的前驅(qū)體水性溶膠和水溶性高分子聚合物按照2～10∶1∶0.1～2的比例混合，再將其球磨5～10小時(shí)得到混合漿料；(2)用混合漿料涂覆基底，再將其于80～400℃下干燥10～50分鐘，重復(fù)此過程5～15次；(3)將多次涂覆過的基底于600～900℃下熱處理20～40分鐘，制得致密陶瓷絕緣涂層。它可廣泛地用于耐高壓的電絕緣領(lǐng)域。
文檔編號(hào)C04B35/628GK1736957SQ20041004174
公開日2006年2月22日 申請(qǐng)日期2004年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月17日
發(fā)明者楊曄, 李勇, 崔平, 方前鋒, 胡坤, 陳林, 陳莉 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院