專利名稱：一種高能脈沖電沉積陶瓷涂層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種高能脈沖電沉積陶瓷涂層的方法，其主要是利用高能脈沖電產(chǎn)生的能量，將水膜中的物質(zhì)反應(yīng)沉積到基材表面形成一層陶瓷涂層，該方法屬于表面技術(shù)領(lǐng)域。
眾所周知，陶瓷涂層在科學(xué)技術(shù)和工程中發(fā)揮著重要的作用，陶瓷涂層按其作用，可以分為功能涂層和結(jié)構(gòu)涂層兩大類。而功能涂層則是利用涂層材料本身作成元器件，例如，利用光學(xué)薄膜、電子薄膜、光電子薄膜、集成光學(xué)薄膜等制成的元器件。而結(jié)構(gòu)涂層則是在基材表面沉積一層陶瓷涂層，其主要作用是為了增加基材的使用壽命，使基材變得耐磨損、耐腐蝕、耐高溫氧化、防熱、防潮和起到一定的美化裝飾作用。
目前，國(guó)內(nèi)外制備陶瓷涂層的方法有三種有物理法、化學(xué)法和電化學(xué)法；其物理法包括有真空蒸發(fā)、磁控濺射、離子束濺射、分子外延等方法；化學(xué)法包括有化學(xué)氣相沉積、溶膠-凝膠法、液相外延法等方法；電化學(xué)法有電化學(xué)沉積法。上述各種方法存在的不足之處是物理方法大多數(shù)需要昂貴的設(shè)備及真空系統(tǒng)?；瘜W(xué)和電化學(xué)方法所獲得的陶瓷涂層較薄，往往需要對(duì)該陶瓷涂層進(jìn)行再燒結(jié)，才能提高其使用性能，較厚陶瓷涂層的制備一般采用熱噴涂、等離子噴涂、爆炸噴涂等方法，但在噴涂過(guò)程中基材受到嚴(yán)重的熱影響，而導(dǎo)至基材變形或損壞。
本發(fā)明的目的是利用高能電脈沖產(chǎn)生的能量將水膜中的金屬鹽、陶瓷溶膠-凝膠、或納米級(jí)陶瓷顆粒反應(yīng)沉積到金屬基材或非金屬基材表面，以獲得各種陶瓷涂層的一種方法。采用該方法所獲得的各種陶瓷涂層，其具有耐熱、耐磨、耐腐蝕及具有高阻抗等性能。本發(fā)明無(wú)需復(fù)雜的真空系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，設(shè)備簡(jiǎn)單，降低成本。
一種高能脈沖電沉積陶瓷涂層的方法，實(shí)現(xiàn)該方法須具有一高能脈沖電源、水膜和置入水膜中的基材，該方法是利用高能脈沖電源所產(chǎn)生的高能脈沖放電能量，將水膜中的金屬鹽、陶瓷溶膠-凝膠或納米級(jí)陶瓷顆粒，反應(yīng)沉積到置放于水膜中的基材表面，以形成陶瓷涂層，通過(guò)高能脈沖電源的電極和基材的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，以及向基材表面施加的方式，可于基材表面沉積獲得各種陶瓷涂層，可以制備功能陶瓷涂層，也可以制備耐熱、耐腐蝕、耐磨損、高阻抗的結(jié)構(gòu)陶瓷涂層。
其中，該基材可以是金屬基材或非金屬基材，該高能脈沖電源的電極有三種不同的連結(jié)方式第一種所選用的基材為金屬基材，電極連結(jié)方式是高能脈沖電源的陰極與金屬基材直接相連，在金屬基材的表面施加厚度為0.5-1mm的水膜，高能脈沖電源的陽(yáng)極處在空氣中，陽(yáng)極與水膜的空氣間隙為0.1-2mm，當(dāng)電源接通后，陽(yáng)極與水膜和金屬基材之間產(chǎn)生高能脈沖放電，使水膜中的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)沉積到金屬基材表面，在金屬基材表面形成陶瓷涂層；第二種所選用的基材為非金屬基材，電極連結(jié)方式是高能脈沖電源的陰極通過(guò)金屬或石墨與水膜相接觸，該陰極距離高能脈沖電源的陽(yáng)極較遠(yuǎn)，當(dāng)電源接通時(shí)，陽(yáng)極與陰極之間不能直接產(chǎn)生高能脈沖放電，但陽(yáng)極與水膜之間可以產(chǎn)生高能放電，可使水膜中的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)沉積到非金屬基材表面，在非金屬基材表面形成陶瓷涂層；第三種所選用的基材為金屬基材，電極連接方式是高能脈沖電源的陰極同時(shí)并聯(lián)連接兩點(diǎn)，一點(diǎn)是陰極的一端通過(guò)金屬或石墨與水膜相接觸，另一點(diǎn)是陰極的又一端直接與金屬基材相連接，高能電源的陽(yáng)極距陰極較遠(yuǎn)，所以，當(dāng)電源接通時(shí)，陽(yáng)極與陰極之間不能直接放電，但陽(yáng)極與水膜和金屬基材之間可以產(chǎn)生高能放電，可使水膜中的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)沉積到金屬基材表面，在金屬基材表面形成陶瓷涂層，此周期為沉積陶瓷涂層的初期階段，當(dāng)完整的一層陶瓷涂層在金屬基材表面形成以后，該金屬基材表面則變成非金屬材料陶瓷，此時(shí)，高能脈沖放電方式改變成第二種電極連接結(jié)方式，由陽(yáng)極與水膜之間產(chǎn)生高能放電，繼續(xù)使水膜中的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)沉積到陶瓷涂層的表面，使陶瓷涂層繼續(xù)增厚。
其中，該水膜的成份是由水和置放于水中的金屬鹽、陶瓷溶膠-凝膠、納米級(jí)陶瓷顆粒或上述多種物質(zhì)的混合物所組成的液體；該金屬鹽包括有硝酸鹽、碳酸鹽、草酸鹽、硅酸鹽、磷酸鹽、硼酸鹽等；該陶瓷溶膠-凝膠包括有氧化硅溶膠-凝膠、氧化鋯溶膠-凝膠、氧化鋁溶膠-凝膠等陶瓷溶膠--凝膠；該納米級(jí)陶瓷顆粒包括有各種納米級(jí)陶瓷顆粒；以及上述多種物質(zhì)的混合物，改變種類、含量及比例可獲得各種陶瓷涂層。
其中，該水膜可以是靜止的、流動(dòng)的或以超聲波方式振動(dòng)的。該水膜向基材表面的施加方式可以是將基材放置在水中，通過(guò)控制水液面，在基材表面具有一定厚度的水膜；還可以采用在基材上涂、滴、灑上一層水膜；也可以采用循環(huán)水膜，在基材脈沖放電處噴一層水膜，水膜厚度約為0.5-1mm。
其中，該高能脈沖電源的陰極和陽(yáng)兩極之間的脈沖電壓值為0.1kV-5kV，其波形為方波，該電壓的大小主要取決于陽(yáng)極與水膜之間的間隙，間隙越大發(fā)生脈沖放電需要的臨界電壓越高，空氣間隙一般為0.5-3mm，脈沖頻率為100-10000Hz，占空比例為1∶1-1∶100，脈沖的寬度為1μs-10ms。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單，工藝流程簡(jiǎn)化，方法靈活簡(jiǎn)便，成本低廉，市埸競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)，可廣泛應(yīng)用于科學(xué)工程技術(shù)領(lǐng)域。
本發(fā)明具有如下附圖圖1為本發(fā)明第一種電極連結(jié)方式。
圖2為本發(fā)明第二種電極連結(jié)方式。
圖3為本發(fā)明第三種電極連結(jié)方式。
圖中標(biāo)號(hào)如下1．基材2．水膜 3．陽(yáng)極(正極)4．高能脈沖電源5．陰極(負(fù)極)6．水膜與空氣的界面7．基材8．金屬或石墨茲列舉具體實(shí)施例并配合


如下本發(fā)明的一種高能脈沖電沉積陶瓷涂層的方法，請(qǐng)參閱圖1、2、3所示，實(shí)現(xiàn)該方法須具有一高能脈沖電源4、電源的陰、陽(yáng)極5和3、水膜2及基材1、7等。該高能脈沖電源4，其電極5、3有三種連接方式第一種電極連結(jié)方式(如圖1所示)，選用的基材1為金屬基材，電極連結(jié)方式是高能脈沖電源4的陰極5與金屬基材1直接相連，在金屬基材1的表面施加厚度為0.5-1mm的水膜2，高能脈沖電源4的陽(yáng)極3處在空氣中，陽(yáng)極3與水膜2的空氣間隙為0.1-2mm，當(dāng)電源接通后，陽(yáng)極3與水膜2和金屬基材1之間產(chǎn)生高能脈沖放電，使水膜2中的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)沉積到金屬基材1表面，在金屬基材表面形成陶瓷涂層；第二種電極連接方式(如圖2所示)，選用的基材7為非金屬基材7，電極的連結(jié)方式是高能脈沖電源4的陰極5通過(guò)金屬或石墨8與水膜2相接觸，該陰極5距離高能脈沖電源的陽(yáng)極3較遠(yuǎn)，當(dāng)電源接通時(shí)，陽(yáng)極3與陰極5之間不能直接產(chǎn)生高能脈沖放電，但陽(yáng)極3與水膜2之間可以產(chǎn)生高能放電，可使水膜中的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)沉積到非金屬基材7表面，在非金屬基材7表面形成陶瓷涂層；第三種電極連接方式(如圖3所示)，選用的基材1為金屬基材1，電極連接方式是高能脈沖電源4的陰極5同時(shí)并連連接兩點(diǎn)，一點(diǎn)是陰極5的一端通過(guò)金屬或石墨8與水膜2相接觸，另一點(diǎn)是陰極5的又一端直接與金屬基材1相連接，高能電源4的陽(yáng)極3距陰極5較遠(yuǎn)，所以，當(dāng)電源接通時(shí)，陽(yáng)極3與陰極5之間不能直接放電，但陽(yáng)極3與水膜2和金屬基材1之間可以產(chǎn)生高能放電，可使水膜2中的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)沉積到金屬基材1表面，在金屬基材1表面形成陶瓷涂層，此周期為沉積陶瓷涂層的初期階段，當(dāng)完整的一層陶瓷涂層在金屬基材1表面形成以后，該金屬基材1表面則變成非金屬材料陶瓷，此時(shí)，高能脈沖電源4的放電方式改變成第二種電極連接結(jié)方式，由陽(yáng)極3與水膜2之間產(chǎn)生高能放電，繼續(xù)使水膜2中的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)沉積到陶瓷涂層的表面，使陶瓷涂層繼續(xù)增厚。
具體做法如下1．使用高能脈沖電源的輸出脈沖電壓為3kV，輸出頻率為200Hz，以1鉻18鎳9鈦(1Cr18Ni9Ti)基材為陰極，以鋯金屬絲為陽(yáng)極，水膜為0.1M硝酸鋯[Zr(NO3)4]，控制液膜厚度為0.5mm，空氣間隙為1mm，采用圖1的電極結(jié)構(gòu)，移動(dòng)陽(yáng)極連續(xù)脈沖放電得到氧化鋯(ZrO2)陶瓷涂層。
2．使用高能脈沖電源的輸出脈沖電壓為3kV，輸出頻率為300Hz，以1鉻18鎳9鈦(1Cr18Ni9Ti)基材為陰極，以鋁金屬絲為陽(yáng)極，水膜為0.1M硝酸鋁[Al(NO3)3]，控制液膜厚度為0.5mm，空氣間隙為1mm，采用圖1的電極結(jié)構(gòu)，移動(dòng)陽(yáng)極連續(xù)脈沖放電得到氧化鋁(Al2O3)陶瓷涂層。
3．使用高能脈沖電源的輸出脈沖電壓為3kV，輸出頻率為400Hz，以金屬基材為陰極，以鋯金屬絲為陽(yáng)極，水膜為0.1M硝酸鉻[Cr(NO3)3]，采用圖1的電極結(jié)構(gòu)，移動(dòng)陽(yáng)極連續(xù)脈沖放電得到三氧化二鉻(Cr2O3)陶瓷膜。
4．使用高能脈沖電源的輸出脈沖電壓為3kV，輸出頻率為200Hz，以金屬基材為陰極，以鋯金屬絲為陽(yáng)極，水膜為5克/升的氧化锫(ZrO2)納米粉，采用圖1的電極結(jié)構(gòu)，移動(dòng)陽(yáng)極連續(xù)脈沖放電后得到氧化鋯(ZrO2)陶瓷膜。
5．使用高能脈沖電源的輸出脈沖電壓為3kV，輸出頻率為200Hz，以金屬基材為陰極，以鋯金屬絲為陽(yáng)極，水膜為0.1M硝酸鋯[Zr(NO3)4]和5克/升的氧化鋯(ZrO2)納米粉，采用圖1的電極結(jié)構(gòu)，移動(dòng)陽(yáng)極連續(xù)脈沖放電后得到氧化鋯(ZrO2)陶瓷膜。
6．使用高能脈沖電源的輸出脈沖電壓為3kV，輸出頻率為200Hz，以金屬基材為陰極，以石墨為陽(yáng)極，水膜為氧化溶膠--凝膠，采用圖1的電極結(jié)構(gòu)，移動(dòng)陽(yáng)極連續(xù)脈沖放電得到二氧化硅(SiO2)陶瓷膜。
7．使用高能脈沖電源的輸出脈沖電壓為3kV，輸出頻率為200Hz，以1鉻18鎳9鈦(1Cr18Ni9Ti)為陰極，以金屬锫絲為陽(yáng)極，水膜為0.09M硝酸鋯[Zr(NO3)4]+O.01M硝酸釔[Y(NO3)3]，控制液膜厚度為O.5mm，空氣間隙為1mm，采用圖1的電極結(jié)構(gòu)，移動(dòng)陽(yáng)極連續(xù)脈沖放電得到穩(wěn)定化氧化鋯(ZrO2)+氧化釔(Y2O3]陶瓷涂層。
8．使用高能脈沖電源的輸出脈沖電壓為3kV，輸出頻率為200Hz，以金屬鋯絲為陰極和陽(yáng)極，基材為氧化鋯(ZrO2)片，水膜為0.1M硝酸鋯[Zr(NO3)4]，控制液膜厚度為0.5mm，空氣間隙為1mm，采用圖2的電極結(jié)構(gòu)，移動(dòng)陽(yáng)極連續(xù)脈沖放電得到氧化鋯(ZrO2)陶瓷涂層。
9．使用高能脈沖電源的輸出脈沖電壓為3kV，輸出頻率為200Hz，以金屬鋯絲為陽(yáng)極和陰極，基材為1鉻18鎳9鈦(1Cr18Ni9Ti)片，水膜為O.1M硝酸鋯[Zr(NO3)4]，控制液膜厚度為0.5mm，空氣間隙為1mm，采用圖3的電極結(jié)構(gòu)，移動(dòng)陽(yáng)極連續(xù)脈沖放電得到厚的氧化鋯(ZrO2)陶瓷涂層。
權(quán)利要求
1．一種高能脈沖電沉積陶瓷涂層的方法，實(shí)現(xiàn)該方法須具有一高能脈沖電源、水膜和置入水膜中的基材，其特征在于該方法是利用高能脈沖電源所產(chǎn)生的高能脈沖放電能量，將水膜中的金屬鹽、陶瓷溶膠-凝膠或納米級(jí)陶瓷顆粒，反應(yīng)沉積到置放于水膜中的基材表面，以形成陶瓷涂層，通過(guò)高能脈沖電源的電極和置于水膜中基材的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，以及向基材表面的施加水膜的方式，可于基材表面沉積獲得各種陶瓷涂層，可以制備功能陶瓷涂層，也可以制備耐熱、耐腐蝕、耐磨損、高阻抗的結(jié)構(gòu)陶瓷涂層。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高能脈沖電沉積陶瓷涂層的方法，其特征在于該基材可以是金屬基材或非金屬基材，該高能脈沖電源的電極有三種不同的連結(jié)方式；第一種所選用的基材為金屬基材，電極連結(jié)方式是高能脈沖電源的陰極與金屬基材直接相連，在金屬基材的表面施加厚度為0.5-1mm的水膜，高能脈沖電源的陽(yáng)極處在空氣中，陽(yáng)極與水膜的空氣間隙為0.1-2mm，當(dāng)電源接通后，陽(yáng)極與水膜和金屬基材之間產(chǎn)生高能脈沖放電，使水膜中的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)沉積到金屬基材表面，在金屬基材表面形成陶瓷涂層；第二種所選用的基材為非金屬基材，電極連結(jié)方式是高能脈沖電源的陰極通過(guò)金屬或石墨與水膜相接觸，該陰極距離高能脈沖電源的陽(yáng)極較遠(yuǎn)，當(dāng)電源接通時(shí)，陽(yáng)極與陰極之間不能直接產(chǎn)生高能脈沖放電，但陽(yáng)極與水膜之間可以產(chǎn)生高能放電，可使水膜中的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)沉積到非金屬基材表面，在非金屬表面形成陶瓷涂層；第三種所選用的基材為金屬基材，電極連接方式是高能脈沖電源的陰極同時(shí)并聯(lián)連接兩點(diǎn)，一點(diǎn)是陰極的一端通過(guò)金屬或石墨與水膜相接觸，另一點(diǎn)是陰極的又一端直接與金屬基材相連接，高能電源的陽(yáng)極距陰極較遠(yuǎn)，所以，當(dāng)電源接通時(shí)，陽(yáng)極與陰極之間不能直接放電，但陽(yáng)極與水膜和金屬基材之間可以產(chǎn)生高能放電，可使水膜中的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)沉積到金屬基材表面，在金屬基材表面形成陶瓷涂層，此周期為沉積陶瓷涂層的初期階段，當(dāng)完整的一層陶瓷涂層在金屬基材表面形成以后，該金屬基材表面則變成非金屬材料陶瓷，此時(shí)，高能脈沖放電方式改變成第二種電極連接結(jié)方式，由陽(yáng)極與水膜之間產(chǎn)生高能放電，繼續(xù)使水膜中的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)沉積到陶瓷涂層的表面，使陶瓷涂層繼續(xù)增厚。
3．根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種高能脈沖電沉積陶瓷涂層的方法，其特征在于該水膜的成份是由水和置放于水中的金屬鹽、陶瓷溶膠-凝膠、納米級(jí)陶瓷顆?；蛏鲜龆喾N物質(zhì)的混合物所組成的液體；該金屬鹽包括有硝酸鹽、硫酸鹽、草酸鹽、硅酸鹽、磷酸鹽、硼酸鹽等；該陶瓷溶膠-凝膠包括有氧化硅溶膠-凝膠、氧化锫溶膠-凝膠、氧化鋁溶膠-凝膠等陶瓷溶膠-凝膠；該納米級(jí)陶瓷顆粒包括有各種納米級(jí)陶瓷顆粒；以及上述多種物質(zhì)的混合物，改變種類、含量及比例可獲得各種陶瓷涂層。
4．根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種高能脈沖電沉積陶瓷涂層的方法，其特征在于該水膜可以是靜止的、流動(dòng)的或以超聲波方式振動(dòng)的，該水膜向基材表面的施加方式可以是將基材放置在水膜中，通過(guò)控制水液面，在基材表面具有一定厚度的水膜；還可以采用在基材上涂、滴、灑上一層水膜；也可以采用循環(huán)水膜，在基材脈沖放電處噴一層水膜，水膜厚度約為0.5-1mm。
5．根據(jù)權(quán)利要求1或2或4所述的一種高能脈沖電沉積陶瓷涂層的方法，其特征在于該高能脈沖電源的陰極和陽(yáng)兩極之間的脈沖電壓值為0.1kV-5kV，其波形為方波，該電壓的大小主要取決于陽(yáng)極與水膜之間的間隙，間隙越大發(fā)生脈沖放電需要的臨界電壓越高，空氣間隙一般為0.5-3mm，脈沖頻率為100-10000Hz，占空比例為1∶1-1∶100，脈沖的寬度為1μs-10ms。
全文摘要
一種高能脈沖電沉積陶瓷涂層的方法，實(shí)現(xiàn)該方法須具有一高能脈沖電源、在基材表面施加水膜和特定的電極結(jié)構(gòu)，該方法是利用高能脈沖電源所產(chǎn)生的高能脈沖放電能量，將水膜中的金屬鹽、陶瓷溶膠—凝膠或納米級(jí)陶瓷顆粒反應(yīng)沉積到基材表面，以形成陶瓷涂層，通過(guò)高能脈沖電源的電極和基材的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，以及向基材表面的施加水膜的方式，可于基材表面沉積獲得各種陶瓷涂層，可以制備功能陶瓷涂層，也可以制備耐熱、耐腐蝕、耐磨損、高阻抗的結(jié)構(gòu)陶瓷涂層。
文檔編號(hào)B05D3/06GK1227143SQ98100569
公開(kāi)日1999年9月1日 申請(qǐng)日期1998年2月24日 優(yōu)先權(quán)日1998年2月24日
發(fā)明者于維平, 何業(yè)東 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)