專利名稱：一種多孔陶瓷表面氮化硅基涂層的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種陶瓷組合物，特別涉及一種多孔陶瓷表面氮化硅基涂層的制備方法。
背景技術(shù)：
多孔陶瓷一般指孔徑在50nm以上且經(jīng)過燒結(jié)得到的塊體無機非金屬材料。多孔陶瓷具有耐高溫、耐化學(xué)腐蝕、密度低等優(yōu)點，在隔熱、催化、過濾等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。 隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，多孔陶瓷的應(yīng)用范圍不斷拓寬，對其性能的要求也在不斷提升。實際中，應(yīng)用較為廣泛的多孔陶瓷大多是由氧化物為主相或結(jié)合相的復(fù)合陶瓷，如氧化鋁多孔陶瓷、莫來石多孔陶瓷、氮化硅多孔陶瓷和碳化硅多孔陶瓷等。由于制備工藝的局限，多孔陶瓷的表面存在很多微裂紋缺陷，從而削弱了多孔陶瓷的機械性能。氮化硅是一種共價鍵很強的化合物，具有熔點高、硬度高、強度高、熱膨脹系數(shù)低、 導(dǎo)熱系數(shù)低、化學(xué)穩(wěn)定性好、抗熱震性號等優(yōu)點，同時氮化硅陶瓷具有較低的介電常數(shù)。在多孔陶瓷表面制備一層致密的氮化硅涂層，形成低密度芯體和高致密表層的雙層結(jié)構(gòu)成為該領(lǐng)域的重要方向，表面致密層可防止因吸潮帶來的介電性能下降，提高多孔基體的力學(xué)性能和耐熱性；厚的芯體能夠保證材料需要的強度。目前制備氮化硅涂層材料大多采用 CVD(化學(xué)氣相沉積)工藝，在多孔陶瓷基體上沉積氮化硅致密層，CN200810020345以四氯化硅和氨氣為前軀體，采用低壓化學(xué)沉積的方法制備了氮化硅涂層，該方法成本較高，無法進行復(fù)雜形狀基體的沉積，不易實現(xiàn)工業(yè)化。此外還有采用常溫噴霧法在多孔陶瓷表面制備具有抗熱性能的復(fù)合涂層，CN200910272706采用物理噴涂的方法，將氮化硅漿料涂覆在多孔氮化硅陶瓷涂表面，得到致密的氮化硅基封孔涂層。CN201010271031以真空處理基體， 噴涂氮化硅涂層的方法，制備了氮化硅涂層石英坩堝。此方法制備的涂層與基體之間缺少平穩(wěn)過渡，結(jié)合程度不高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是，克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點和不足，提供一種多孔陶瓷氮化硅基涂層的制備方法，采用工藝簡單、成本低廉的溶膠凝膠工藝，以鋁溶膠或硅溶膠與陶瓷粉混合制成料漿，在多孔陶瓷表面制備一層氮化硅基致密層，使表層與基體結(jié)合緊密，平穩(wěn)過渡，從而提高多孔氮化硅基陶瓷的力學(xué)性能和表面質(zhì)量。本發(fā)明通過以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)，步驟如下(1)陶瓷粉預(yù)處理將陶瓷粉與蒸餾水以1 3至1 6的比例混合浸泡，每隔他攪拌一次，去除浸泡過程中產(chǎn)生的氣泡；浸泡Mh-4 !后，離心分離，對物料進行烘干去除殘余水分，烘干后過40-120目篩備用；所述陶瓷粉是粒度D5tl為0. 1-5 μ m的Si粉或者粒度D5tl為0. 1-5 μ m的Si3N4粉以及將上述兩種粉料按任意比例混合的Si/Si3N4混合粉；
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(2)鋁溶膠的制備采用異丙醇、乙醇、仲丁醇鋁或者異丙醇鋁及乙酰乙酸乙酯為原料，采用溶膠凝膠法，制備氧化鋁含量為I-IOwt %的鋁溶膠；(3)硅溶膠的制備采用乙醇、硝酸、正硅酸乙酯為原料，采用溶膠凝膠法，制備氧化硅含量為 I-IOwt %的硅溶膠。(4)陶瓷料漿制備將步驟(1)中預(yù)處理的陶瓷粉，步驟( 制備的鋁溶膠或者步驟C3)制備的硅溶膠，按照陶瓷粉為l-20wt%，鋁溶膠或者硅溶膠為80-99wt%的原料重量百分比稱量混合， 在此基礎(chǔ)上，外加0. l-3wt%的表面活性劑；(5)涂層涂覆先對多孔陶瓷基體進行拋光處理，再將預(yù)處理后的基體浸入到步驟的料漿中，采用浸漬提拉法在基體表面制備涂層，或者采用噴涂法直接在基體表面制備涂層；(6)低溫?zé)崽幚韺⒉襟E(5)涂覆涂層后的基體烘干，于200°C-700°C下熱處理，保溫時間 10-60min ；(7)重復(fù)步驟(5)和(6)2-6 次；(8)高溫?zé)崽幚韺⑼扛餐繉雍蟮幕w在氮氣氣氛下，于1200°C -1500°C熱處理lh_10h，得到涂有
氮化硅基涂層的制品。所述步驟(4)的表面活性劑為聚乙二醇PEG-400、PEG-6000或者聚丙烯酸氨 PAA-NH4。本發(fā)明的有益效果是，通過采用本發(fā)明的制備方法，多孔陶瓷表面得到了一種表層與基體結(jié)合緊密、平穩(wěn)過渡的氮化硅基涂層，從而提高了多孔陶瓷的力學(xué)性能和表面質(zhì)量。


圖1是實例1中涂覆氮化硅基涂層前的基體表層的掃描電鏡形貌圖圖2是實例1中涂覆氮化硅基涂層后的基體表層的掃描電鏡形貌圖圖3是實例3中經(jīng)過多次涂覆氮化硅基涂層并高溫氣氛燒結(jié)后的基體的斷口掃描電鏡形貌圖。
具體實施例方式本發(fā)明以鋁溶膠或硅溶膠為分散體系，添加金屬Si粉、Si3N4陶瓷粉作為反應(yīng)骨料，制備溶膠與粉料的混合料漿，采用浸漬提拉或噴涂的方法，在多孔陶瓷基體表面制備涂層，反復(fù)涂覆后在200-700°C低溫?zé)崽幚?，?200-1500°C隊氣氛下高溫?zé)崽幚?，制備出與基體結(jié)合緊密較好的涂層。具體實施例如下。實施例1(1)首先稱取Si粉100g、蒸餾水300g，混合浸泡，每隔Mi攪拌一次，去除浸泡過程中產(chǎn)生的氣泡。浸泡24h后，離心分離，對物料進行烘干去除殘余水分，烘干后過40目篩備用。(2)稱取150ml異丙醇、150g仲丁醇鋁，混合攪拌濁，隨后加入乙酰乙酸乙酯 52. 83g，繼續(xù)攪拌池。然后向螯合后的溶液中逐滴加入水和異丙醇的混合液，并不斷攪拌。 制備出氧化鋁含量為10%的鋁溶膠(3)稱取步驟⑴制備的預(yù)處理硅粉20g，步驟⑵制備的鋁溶膠174g， 6gPEG-400，球磨他，制成固含量為IOwt %的料漿。(4)對多孔氮化硅基陶瓷基體進行拋光預(yù)處理。將預(yù)處理的基體浸入步驟(3)制備的10wt%料漿中，采用浸漬提拉法涂層。(5)涂覆后的基體在烘箱中80°C烘干，在馬弗爐中熱處理700°C保溫60min。隨后
重復(fù)涂層6次。(6)將步驟(5)熱處理過的樣品在氮氣氣氛下1400°C保溫10h，制得有涂層的制品，并對制品的涂層前后的基體進行性能測試，測試結(jié)果見表1。實施例2(1)首先稱取Si3N4粉100g、蒸餾水600g，混合浸泡，每隔4h攪拌一次，去除浸泡過程中產(chǎn)生的氣泡。浸泡24h后，離心分離，對物料進行烘干去除殘余水分，烘干后過120目篩備用。(2)稱取150ml乙醇、IOOg去離子水混合，加入1. 5mol/L硝酸調(diào)節(jié)PH至4。隨后將上述混合液加入到一定量正硅酸乙酯(TE0Q中，并在室溫下不斷攪拌2h，制備出氧化硅含量為10%的硅溶膠。(3)稱取步驟(1)制備的預(yù)處理Si3N4粉40g，步驟(2)制備的硅溶膠157g，3g PAA-NH4，球磨他，制成固含量為20襯％的料漿。(4)對多孔碳化硅基陶瓷基體進行拋光預(yù)處理。將預(yù)處理的基體浸入步驟(3)制備的20wt%料漿中，采用噴涂法涂層。(5)噴涂后的基體在烘箱中80°C烘干，在馬弗爐中熱處理200°C保溫60min。重復(fù)噴涂2次。(6)將步驟( 熱處理過的樣品在氮氣氣氛下1500°C保溫他，制得帶涂層的制品， 并對制品的涂層前后的基體進行性能測試，測試結(jié)果見表1。實施例3(1)首先稱取Si粉50g、Si3N4粉50g、蒸餾水400g，混合浸泡，每隔Mi攪拌一次， 去除浸泡過程中產(chǎn)生的氣泡。浸泡24h后，離心分離，對物料進行烘干去除殘余水分，烘干后過80目篩備用。(2)稱取150ml異丙醇、50g仲丁醇鋁，混合攪拌池，隨后加入乙酰乙酸乙酯 52. 83g，繼續(xù)攪拌池。然后向螯合后的溶液中逐滴加入水和異丙醇的混合液，并不斷攪拌。 制備出氧化鋁含量為的鋁溶膠(3)稱取步驟(1)制備的預(yù)處理Si/Si3N4混合陶瓷粉2g，步驟( 制備的鋁溶膠 197g，lg PEG-6000，球磨4h，制成固含量為Iwt %的料漿。(4)對多孔氮化硅基陶瓷基體進行拋光預(yù)處理。將預(yù)處理的基體浸入步驟(3)制備的料漿中，采用浸漬提拉法涂層。
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(5)涂覆后的基體在烘箱中80°C烘干，在馬弗爐中熱處理600°C保溫60min。隨后
重復(fù)涂層4次。(6)將步驟( 熱處理過的樣品在氮氣氣氛下1200°C保溫10h，制得有涂層的制品，并對制品的涂層前后的基體進行性能測試。測試結(jié)果如表1。實施例4(1)首先稱取Si3N4粉100g、蒸餾水400g，混合浸泡，每隔4h攪拌一次，去除浸泡過程中產(chǎn)生的氣泡。浸泡24h后，離心分離，對物料進行烘干去除殘余水分，烘干后過80目篩備用。(2)稱取100乙醇、IOOg去離子水混合，加入1. 5mol/L硝酸調(diào)節(jié)PH至4。隨后將上述混合液加入到一定量正硅酸乙酯(TE0Q中，并在室溫下不斷攪拌池，制備出氧化硅含量為Iwt %的硅溶膠。(3)稱取步驟(1)制備的預(yù)處理Si3N4粉40g，步驟(2)制備的硅溶膠157g，3g PAA-NH4，球磨他，制成固含量為20襯％的料漿。(4)對多孔碳化硅基陶瓷基體進行拋光預(yù)處理。將預(yù)處理的基體浸入步驟(3)制備的20wt%料漿中，采用噴涂法涂層。(5)噴涂后的基體在烘箱中80°C烘干，在馬弗爐中熱處理200°C保溫60min。重復(fù)噴涂2次。(6)將步驟( 熱處理過的樣品在氮氣氣氛下1500°C保溫他，制得帶涂層的制品， 并對制備的制品的涂層前后的基體進行性能測試，測試結(jié)果見表1。表 權(quán)利要求
1.一種多孔陶瓷表面氮化硅基涂層的制備方法，具有如下步驟(1)陶瓷粉預(yù)處理將陶瓷粉與蒸餾水以1 3至1 6的比例混合浸泡，每隔他攪拌一次，去除浸泡過程中產(chǎn)生的氣泡；浸泡Mh-4 !后，離心分離，對物料進行烘干去除殘余水分，烘干后過 40-120目篩備用；所述陶瓷粉是粒度D5tl為0. 1-5 μ m的Si粉或者粒度D5tl為0. 1-5 μ m的Si3N4粉以及將上述兩種粉料按任意比例混合的Si/Si3N4混合粉；(2)鋁溶膠的制備采用異丙醇、乙醇、仲丁醇鋁或者異丙醇鋁及乙酰乙酸乙酯為原料，采用溶膠凝膠法， 制備氧化鋁含量為I-IOwt %的鋁溶膠；(3)硅溶膠的制備采用乙醇、硝酸、正硅酸乙酯為原料，采用溶膠凝膠法，制備氧化硅含量為l-10wt%的硅溶膠。(4)陶瓷料漿制備將步驟(1)中預(yù)處理的陶瓷粉，步驟( 制備的鋁溶膠或者步驟C3)制備的硅溶膠，按照陶瓷粉為l-20wt%，鋁溶膠或者硅溶膠為80-99wt%的原料重量百分比稱量混合，在此基礎(chǔ)上，外加0. l-3wt%的表面活性劑；(5)涂層涂覆先對多孔陶瓷基體進行拋光處理，再將預(yù)處理后的基體浸入到步驟的料漿中，采用浸漬提拉法在基體表面制備涂層，或者采用噴涂法直接在基體表面制備涂層；(6)低溫?zé)崽幚韺⒉襟E( 涂覆涂層后的基體烘干，于200°C -700°C下熱處理，保溫時間10-60min ；(7)重復(fù)步驟(5)和(6)2-6次;(8)高溫?zé)崽幚韺⑼扛餐繉雍蟮幕w在氮氣氣氛下，于1200°C -1500°C熱處理lh-10h，得到涂有氮化硅基涂層的制品。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的多孔陶瓷表面氮化硅基涂層的制備方法，其特征在于，所述步驟 (4)的表面活性劑為聚乙二醇PEG-400、PEG-6000或者聚丙烯酸氨PAA-NH4。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多孔陶瓷表面氮化硅基涂層的制備方法，以工藝簡單、成本低廉的溶膠凝膠工藝，采用鋁溶膠或硅溶膠為分散體系，添加金屬Si粉、Si3N4陶瓷粉作為反應(yīng)骨料，制備溶膠與粉料的混合料漿，采用浸漬提拉法及噴涂法在多孔陶瓷基體表面涂層，反復(fù)涂覆后在低溫?zé)崽幚砗透邷豊2氣氛下燒結(jié)，制備出與基體結(jié)合緊密的氮化硅致密層。采用本發(fā)明在多孔陶瓷表面得到了一種與基體結(jié)合緊密、平穩(wěn)過渡的致密氮化硅涂層，從而提高了多孔陶瓷的力學(xué)性能和表面質(zhì)量。
文檔編號C04B41/85GK102515851SQ20111044042
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月26日
發(fā)明者季惠明, 張朝臣, 李曉雷, 李鑫, 邵躍 申請人:天津大學(xué)