CN101239518B - 一种复合涂层材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合涂层材料，包括基材层和喷涂在基材层表面的复合涂层，所述复合涂层包括采用超音速喷涂工艺将高聚物喷涂在基材表面而形成的高聚物缓冲层，和采用超音速喷涂工艺将非有机材料喷涂在高聚物缓冲层表面而形成的非有机涂层。其制备方法包括以下步骤：(1)将高聚物通过超音速火焰喷涂法喷涂到器件表面；(2)采用超音速火焰喷涂工艺，将由纳米颗粒组成的非有机材料颗粒喷涂到步骤(1)获得的材料表面，从而制成具有有机高聚物缓冲层的复合涂层材料。本发明获得的复合涂层材料由于具有高聚物缓冲层，既保护了基材层，又使得复合层和基材层具有良好的附着力和结合性，同时还保证了复合涂层与基材层之间的零空隙率。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料制造领域，具体涉及一种具有复合涂层的材料及其制备方法。
背景技术
随着超音速火焰喷涂(HVOF)为典型代表的新型热喷涂技术的问世，由于其超高的焰流速度和相对较低的温度，在高性能涂层制备方面显现出明显技术优势，使得超音速喷涂技术成为了一类最有活力、最有发展前景的热喷涂技术。HVOF技术的成功之处是涂层粒子在喷涂前能获得非常高的热能和动能，形成高速熔融粒子。利用该技术获得的涂层具有一系列优点：(1)高密度、高硬度；(2)结合强度高；(3)内应力小；(4)待涂基底的耐热温度不用很高(300℃)。因而其在表面工程领域具有重要应用。
为了使具有不同性质的多种表面结合良好，超音速火焰喷涂技术在实际应用中一般都采用喷砂等表面粗化技术，例如，公开号为CN101074331的中国专利公开了一种抗海水腐蚀减摩和抗生物污损的复合涂层及其制备方法，为了使涂层和基体表面更好地结合，利用压缩空气将硬质磨料高速喷射在基体表面，使其粗化。
在超音速火焰喷涂工艺中，颗粒飞行速度高达700m/s，颗粒与基体的高速碰撞会对器件的表面造成破坏作用，将会对一些产品，例如电磁线、精密机械等的性能造成很大的影响，由此，表面粗化技术的使用限制了超音速火焰喷涂技术在这些产品领域的应用。
另外，超音速火焰喷涂工艺中，涂层的显微组织结构、孔隙率等主要受粒子的特性、喷涂材料的物理性能、基材层的表面状态等因素影响，孔隙的存在也影响了超音速火焰喷涂工艺在极端条件下(如高电压、高腐蚀)的应用，例如，在高电压情况下，孔隙中的空气易于被击穿；腐蚀性强的环境下，孔隙的存在使得有孔的地方首先被腐蚀，这极大减弱了保护层的保护能力。
发明内容
本发明目的是提供一种复合涂层材料及其制作方法，以实现基材层表面无破坏、基材层与涂层接触面零孔隙率的目的。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种复合涂层材料，包括基材层和位于基材层表面的复合涂层，所述复合涂层包括采用超音速喷涂工艺将高聚物喷涂在基材表面而形成的高聚物缓冲层，和采用超音速喷涂工艺将非有机材料喷涂在高聚物缓冲层表面而形成的非有机材料涂层，所述非有机材料选自陶瓷材料或金属材料。
上文中，所述基材层可以采用铜、铁、钛等通常用来制造器件所用的材料。所述非有机材料为陶瓷材料，选自氧化硅、氧化钛、氧化铝、氧化锆中的一种或多种的混合物；或者为金属材料，选自铜、镍、钛、铁中的一种。
所述高聚物选自聚亚苯基醚、聚醚砜、聚苯硫醚、聚亚氨基硫代醚、聚乙二酰二胺、聚亚胺、聚磺酰胺、聚酰亚胺、聚磺酰亚胺、聚酰亚胺啶、聚吡唑、聚异噁唑、聚苯并噁唑、聚苯并咪唑、聚噻唑、聚苯并噻唑、聚噁二唑、聚三唑、聚三唑啉、聚四唑、聚喹啉、聚蒽唑啉、聚吡嗪、聚喹喔啉、聚喹喔酮、聚三嗪、聚四嗪、聚噻唑酮、聚吡酮、聚菲咯啉、聚碳硅烷和聚硅氧烷、尼龙、氯化聚醚、环氧树脂、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚氟乙烯、聚偏二氯乙烯、聚丙烯腈、聚间苯二甲酰间苯二胺、聚对苯二甲酸乙二酯、聚碳酸酯、聚2，6-二甲基对苯醚、聚苯硫醚、聚[双(三氟代乙氧基)膦腈]、赛璐珞纤维素、聚二苯醚砜、聚乙烯、EVA树脂中的一种或几种。
优选的技术方案，所述高聚物的粒度为90～160目，所述非有机材料的粒度为20～50μm。
上述方案中所述复合涂层材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将高聚物通过超音速火焰喷涂法喷涂到基材层表面；
(2)采用超音速火焰喷涂工艺，将由纳米颗粒组成的非有机材料颗粒喷涂到步骤(1)获得的材料表面，从而制成具有有机高聚物缓冲层的复合涂层材料。
其中，所述超音速火焰喷涂方法的燃料气体选自氢气、乙炔、丙烷或气化煤油中的一种，流量为34～44升/分钟；助燃气体选用氧气或压缩空气，采用氧气时，其流量为40～47升/分钟，采用压缩空气时，其流量为60～70升/分钟。所述非有机材料选自陶瓷材料或金属材料。
所述高聚物选自聚亚苯基醚、聚醚砜、聚苯硫醚、聚亚氨基硫代醚、聚乙二酰二胺、聚亚胺、聚磺酰胺、聚酰亚胺、聚磺酰亚胺、聚酰亚胺啶、聚吡唑、聚异噁唑、聚苯并噁唑、聚苯并咪唑、聚噻唑、聚苯并噻唑、聚噁二唑、聚三唑、聚三唑啉、聚四唑、聚喹啉、聚蒽唑啉、聚吡嗪、聚喹喔啉、聚喹喔酮、聚三嗪、聚四嗪、聚噻唑酮、聚吡酮、聚菲咯啉、聚碳硅烷和聚硅氧烷、尼龙、氯化聚醚、环氧树脂、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚氟乙烯、聚偏二氯乙烯、聚丙烯腈、聚间苯二甲酰间苯二胺、聚对苯二甲酸乙二酯、聚碳酸酯、聚2，6-二甲基对苯醚、聚苯硫醚、聚[双(三氟代乙氧基)膦腈]、赛璐珞纤维素、聚二苯醚砜、聚乙烯、EVA树脂中的一种或几种。
所述高聚物的粒度为90～160目，所述非有机材料的粒度为20～50μm。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
1.由于采用了复合涂层，尤其是采用了有机高聚物缓冲层，因而可以有效地保护基材层；同时有机高聚物与金属基材有良好的结合力，在解决了涂层与基材层表面附着力的难题的同时也保证了基材层与涂层表面的零孔隙率，从而使得所得复合涂层材料在高电压环境、气液腐蚀性环境中具有优良性能。
2.本发明采用的双层保护膜结构，由于两层保护膜属于物理性结合，所以两层保护涂层各自基本保持了原来的性质，有机膜与非有机膜在性质上的差异使得这个复合保护涂层具有比一般混合膜具有更广泛的应用前景。
3.采用了纳米颗粒作为喷涂工艺用料，有效地解决了陶瓷涂层的弹性问题，极大地改善了陶瓷的弹性性能。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步描述，但不应以此限制本发明的保护范围：
实施例一：一种具有有机高聚物缓冲层的复合涂层材料，复合涂层由尼龙构成的有机高聚物缓冲层和氧化铝涂层构成，其生产步骤如下：
<1>气体流量控制如下：
C3H8，34L/min
O2：40L/min
<2>把尺寸为120目的尼龙采用超音速火焰喷涂方法喷涂到铜基体上，获得所需的有机高聚物缓冲层。缓冲层厚度大于10μm。
<3>气体流量控制如下：
C3H8，35L/min
O2：40L/min
<4>把尺寸为20μm的由纳米级氧化铝组成的氧化铝采用超音速火焰喷涂方法喷涂到有机高聚物缓冲层上，获得所需的具有有机高聚物缓冲层的复合涂层材料。
由于尼龙作为缓冲层，超音速火焰喷涂工艺喷涂的氧化铝颗粒直接喷涂到尼龙缓冲层上，一方面避免了高速的非有机颗粒对基材层的直接冲击，从而保护了基材层表面不受破坏；另一方面，由于高聚物尼龙本身具有良好的延展性，以及与金属基材层有较好的结合力，既解决了附着力的难题，同时也保证了基材层与涂层表面的零孔隙率。
实施例二：一种具有有机高聚物缓冲层的复合涂层材料，复合涂层由聚乙烯构成的有机高聚物缓冲层和氧化锆涂层构成，其生产步骤如下：
<1>气体流量控制如下：
C3H8，36L/min
O2：41L/min
<2>把尺寸为170目的聚乙烯采用超音速火焰喷涂方法喷涂到铁质基材层上，获得所需的有机高聚物缓冲层。
<3>气体流量控制如下：
C3H8，40L/min
O2：45L/min
<4>把尺寸为35μm的由纳米颗粒组成的ZrO2采用超音速火焰喷涂方法喷涂到有机高聚物缓冲层上，获得所需的具有有机高聚物缓冲层的复合涂层材料。
实施例三：一种具有有机高聚物缓冲层的复合涂层材料，复合涂层由EVA树脂构成的有机高聚物缓冲层和氧化钛涂层构成，其生产步骤如下：
<1>气体流量控制如下：
乙炔：44L/min
O2：47L/min
<2>把尺寸为130目的EVA树脂采用超音速火焰喷涂方法喷涂到钛基材层上，获得所需的有机高聚物缓冲层。
<3>气体流量控制如下：
乙炔：40L/min
O2：45L/min
<4>把尺寸为40μm的由纳米颗粒组成氧化钛采用超音速火焰喷涂方法喷涂到有机高聚物缓冲层上，获得所需的具有有机高聚物缓冲层的复合涂层材料。
实施例四：一种具有有机高聚物缓冲层的复合涂层材料，复合涂层由聚苯硫醚构成的有机高聚物缓冲层和氧化铝涂层构成，其生产步骤如下：
<1>气体流量控制如下：
C3H8，44L/min
O2：47L/min
<2>把尺寸为130目的聚苯硫醚采用超音速火焰喷涂方法喷涂到基材层上，获得所需的有机高聚物缓冲层。
<3>气体流量控制如下：
C3H8，44L/min
O2：45L/min
<4>把尺寸50μm的由纳米颗粒组成的Al2O3采用超音速火焰喷涂方法喷涂到有机高聚物缓冲层上，获得所需的具有有机高聚物缓冲层的复合涂层材料。
实施例五：一种具有有机高聚物缓冲层的复合涂层材料，复合涂层由氯化聚醚构成的有机高聚物缓冲层和氧化硅涂层构成，其生产步骤如下：
<1>气体流量控制如下：
C3H8，32L/min
O2：45L/min
<2>把尺寸为100目的氯化聚醚采用超音速火焰喷涂方法喷涂到基材层上，获得所需的有机高聚物缓冲层。
<3>气体流量控制如下：
C3H8，34L/min
O2：45L/min
<4>把尺寸为41μm的由纳米颗粒组成的氧化硅采用超音速火焰喷涂方法喷涂到有机高聚物缓冲层上，获得所需的具有有机高聚物缓冲层的复合涂层材料。
实施例六：一种具有有机高聚物缓冲层的复合涂层材料，复合涂层由环氧树脂构成的有机高聚物缓冲层和氧化钛涂层构成，其生产步骤如下：
<1>气体流量控制如下：
C3H8，43L/min
O2：45L/min
<2>把尺寸为125目的环氧树脂采用超音速火焰喷涂方法喷涂到基材层上，获得所需的有机高聚物缓冲层。
<3>气体流量控制如下：
C3H8，42L/min
O2：45L/min
<4>把尺寸41μm的由纳米颗粒组成的氧化钛采用超音速火焰喷涂方法喷涂到有机高聚物缓冲层上，获得所需的具有有机高聚物缓冲层的复合涂层材料。
实施例七：一种具有有机高聚物缓冲层的复合涂层材料，复合涂层由聚乙烯醇构成的有机高聚物缓冲层和金属铜涂层构成，其生产步骤如下：
<1>气体流量控制如下：
煤油，44L/min
压缩空气：70L/min
<2>把尺寸为125目的聚乙烯醇采用超音速火焰喷涂方法喷涂到基材层上，获得所需的有机高聚物缓冲层。
<3>气体流量控制如下：
C3H8，41L/min
O2：45L/min
<4>把尺寸41μm的由纳米颗粒组成的金属铜采用超音速火焰喷涂方法喷涂到有机高聚物缓冲层上，获得所需的具有有机高聚物缓冲层的复合涂层材料。
实施例八：一种具有有机高聚物缓冲层的复合涂层材料，复合涂层由聚亚胺构成的有机高聚物缓冲层和金属镍涂层构成，其生产步骤如下：
<1>气体流量控制如下：
C3H8，44L/min
O2：47L/min
<2>把尺寸为125目的聚亚胺采用超音速火焰喷涂方法喷涂到基材层上，获得所需的有机高聚物缓冲层。
<3>气体流量控制如下：
C3H8，46L/min
O2：47L/min
<4>把尺寸20μm的由纳米颗粒组成的金属镍采用超音速火焰喷涂方法喷涂到有机高聚物缓冲层上，获得所需的具有有机高聚物缓冲层的复合涂层材料。
实施例九：一种具有有机高聚物缓冲层的复合涂层材料，复合涂层由聚吡酮构成的有机高聚物缓冲层和金属钛涂层构成，其生产步骤如下：
<1>气体流量控制如下：
H2，34L/min
O2：47L/min
<2>把尺寸为132目的聚吡酮采用超音速火焰喷涂方法喷涂到基材层上，获得所需的有机高聚物缓冲层。
<3>气体流量控制如下：
H2，36L/min
O2：47L/min
<4>把尺寸30μm的由纳米颗粒组成的金属钛采用超音速火焰喷涂方法喷涂到有机高聚物缓冲层上，获得所需的具有有机高聚物缓冲层的复合涂层材料。
实施例十：一种具有有机高聚物缓冲层的复合涂层材料，复合涂层由聚酰亚胺构成的有机高聚物缓冲层和金属铁涂层构成，其生产步骤如下：
<1>气体流量控制如下：
H2，45L/min
O2：47L/min
<2>把尺寸为132目的聚酰亚胺采用超音速火焰喷涂方法喷涂到基材层上，获得所需的有机高聚物缓冲层。
<3>气体流量控制如下：
H2，44L/min
O2：47L/min
<4>把尺寸30μm的由纳米颗粒组成的金属铁采用超音速火焰喷涂方法喷涂到有机高聚物缓冲层上，获得所需的具有有机高聚物缓冲层的复合涂层材料。
实施例十一：一种具有有机高聚物缓冲层的复合涂层材料，复合涂层由聚甲基丙烯酸甲酯构成的有机高聚物缓冲层和氧化铝涂层构成，其生产步骤如下：
<1>气体流量控制如下：
H2，40L/min
O2：47L/min
<2>把尺寸为155目的聚甲基丙烯酸甲酯采用超音速火焰喷涂方法喷涂到基材层上，获得所需的有机高聚物缓冲层。
<3>气体流量控制如下：
H2，41L/min
O2：47L/min
<4>把尺寸30μm的由纳米颗粒组成的氧化铝采用超音速火焰喷涂方法喷涂到有机高聚物缓冲层上，获得所需的具有有机高聚物缓冲层的复合涂层材料。。
实施例十二：一种具有有机高聚物缓冲层的复合涂层材料，复合涂层由聚硅氧烷构成的有机高聚物缓冲层和氧化钛涂层构成，其生产步骤如下：
<1>气体流量控制如下：
C3H8，34L/min
压缩空气：65L/min
<2>把尺寸为110目的聚硅氧烷采用超音速火焰喷涂方法喷涂到基材层上，获得所需的有机高聚物缓冲层。
<3>气体流量控制如下：
C3H8，34L/min
压缩空气：70L/min
<4>把尺寸30μm的由纳米颗粒组成的氧化钛采用超音速火焰喷涂方法喷涂到有机高聚物缓冲层上，获得所需的具有有机高聚物缓冲层的复合涂层材料。
实际应用中，可以先利用金属基材加工成型所需要的器件，然后通过本发明所公开的方法，在金属基材上喷涂所述复合涂层，从而得到由所述复合涂层材料制成的各种热喷涂器件。
Claims (5)
1.一种复合涂层材料，包括基材层和位于基材层表面的复合涂层，其特征在于：所述复合涂层包括采用超音速喷涂工艺将高聚物喷涂在基材表面而形成的高聚物缓冲层，和采用超音速喷涂工艺将非有机材料喷涂在高聚物缓冲层表面而形成的非有机涂层，所述非有机材料选自陶瓷材料或金属材料；所述高聚物选自聚亚苯基醚、聚醚砜、聚苯硫醚、聚亚氨基硫代醚、聚乙二酰二胺、聚亚胺、聚磺酰胺、聚酰亚胺、聚磺酰亚胺、聚酰亚胺啶、聚吡唑、聚异噁唑、聚苯并噁唑、聚苯并咪唑、聚噻唑、聚苯并噻唑、聚噁二唑、聚三唑、聚三唑啉、聚四唑、聚喹啉、聚蒽唑啉、聚吡嗪、聚喹喔啉、聚喹喔酮、聚三嗪、聚四嗪、聚噻唑酮、聚吡酮、聚菲咯啉、聚碳硅烷和聚硅氧烷、尼龙、氯化聚醚、环氧树脂、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚氟乙烯、聚偏二氯乙烯、聚丙烯腈、聚间苯二甲酰间苯二胺、聚对苯二甲酸乙二酯、聚碳酸酯、聚2，6-二甲基对苯醚、聚苯硫醚、聚[双(三氟代乙氧基)膦腈]、赛璐珞纤维素、聚二苯醚砜、聚乙烯、EVA树脂中的一种或几种。
2.根据权利要求1所述的复合涂层材料，其特征在于：所述高聚物的粒度为90～160目，所述非有机材料的粒度为20～50μm。
3.一种复合涂层材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)将高聚物通过超音速火焰喷涂法喷涂到基材层表面；
(2)采用超音速火焰喷涂工艺，将由纳米颗粒组成的非有机材料颗粒喷涂到步骤(1)获得的材料表面，从而制成具有有机高聚物缓冲层的复合涂层材料；
其中，所述非有机材料选自陶瓷材料或金属材料；所述高聚物选自聚亚苯基醚、聚醚砜、聚苯硫醚、聚亚氨基硫代醚、聚乙二酰二胺、聚亚胺、聚磺酰胺、聚酰亚胺、聚磺酰亚胺、聚酰亚胺啶、聚吡唑、聚异噁唑、聚苯并噁唑、聚苯并咪唑、聚噻唑、聚苯并噻唑、聚噁二唑、聚三唑、聚三唑啉、聚四唑、聚喹啉、聚蒽唑啉、聚吡嗪、聚喹喔啉、聚喹喔酮、聚三嗪、聚四嗪、聚噻唑酮、聚吡酮、聚菲咯啉、聚碳硅烷和聚硅氧烷、尼龙、氯化聚醚、环氧树脂、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚氟乙烯、聚偏二氯乙烯、聚丙烯腈、聚间苯二甲酰间苯二胺、聚对苯二甲酸乙二酯、聚碳酸酯、聚2，6-二甲基对苯醚、聚苯硫醚、聚[双(三氟代乙氧基)膦腈]、赛璐珞纤维素、聚二苯醚砜、聚乙烯、EVA树脂中的一种或几种。
4.根据权利要求3所述的复合涂层材料的制备方法，其特征在于：所述超音速火焰喷涂方法的燃料气体选自氢气、乙炔、丙烷或气化煤油中的一种，流量为34～44升/分钟；助燃气体选用氧气或压缩空气，采用氧气时，其流量为40～47升/分钟，采用压缩空气时，其流量为60～70升/分钟。
5.根据权利要求3所述的复合涂层材料的制备方法，其特征在于：所述高聚物的粒度为90～160目，所述非有机材料的粒度为20～50μm。
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Legal Events
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Owner name: SUZHOU INSTITUTE OF NANO-TECH AND NANO-BIONICS(SIN Free format text: FORMER OWNER: SUZHOU NANO TECHNIQUE + NANO BIONIC RESEARCH INST. Effective date: 20100908 |
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Effective date of registration: 20100908 Address after: 215123 Suzhou Industrial Park, Jiangsu Province, if the waterway No. 398, No. Applicant after: Suzhou Institute of Nano-Tech and Bionics (SINANO), Chinese Academy of Sciences Address before: 215123 Graduate School of Suzhou graduate school, 150 Yan Ai Road, Suzhou Industrial Park, Jiangsu, Suzhou, B-513 Applicant before: Suzhou Nano Technique & Nano Bionic Research Inst. |
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