專利名稱：一種三維網(wǎng)絡(luò)碳化硅表面制備氧化鋁陶瓷薄膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種三維網(wǎng)絡(luò)碳化硅表面制備氧化鋁陶瓷薄膜的方法。
背景技術(shù)：
近來一種新型網(wǎng)絡(luò)交叉的金屬-陶瓷復(fù)合材料(interpenetrating phase composites)引起了 人們的重視。新型復(fù)合材料的特征為基體與增強(qiáng)相在整個(gè)材料中形成各自的三維空間連續(xù)網(wǎng) 絡(luò)結(jié)構(gòu)并互相纏繞在一起。它們有時(shí)被稱為C4材料(co-continuous ceramic composites)。因 為將陶瓷相作為增強(qiáng)相能提高耐磨性或斷裂強(qiáng)度，而金屬相能提高導(dǎo)電性或塑性，所以C4 材料比傳統(tǒng)復(fù)合材料的機(jī)械強(qiáng)度更高，韌性更好，顯示出網(wǎng)絡(luò)交叉結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢。我們使用 3D-SiC作為增強(qiáng)相，將鋼引入3D-SiC中，充分發(fā)揮3D-SiC的高硬度、高耐磨和高耐熱性以 及鋼的高強(qiáng)高韌性等優(yōu)點(diǎn)，制備出C4特征的3D-SiC/鋼復(fù)合材料。3D-SiC/鋼的摩擦性能卓越， 有望成為一種可用于高速、重載剎車環(huán)境下的新型制動(dòng)材料。但是鋼與3D-SiC劇烈的化學(xué)反 應(yīng)會(huì)嚴(yán)重腐蝕3D-SiC，大幅降低其強(qiáng)度，使材料的整體性能惡劣，制約了 3D-SiC湖復(fù)合材 料的發(fā)展，因此如何控制鋼與3D-SiC的界面反應(yīng)成了亟待解決的關(guān)鍵問題，而在3D-SiC上 制備陶瓷薄膜作為界面反應(yīng)阻擋層是一可行方法。
二十世紀(jì)末，溶膠-凝膠法(Sol-Gel法)作為一種高新制造技術(shù)，受到科技界和企業(yè)界 的關(guān)注，在生產(chǎn)超細(xì)粉末、薄膜涂層、纖維等材料的工藝中受到廣泛應(yīng)用。利用Sol-Gel法制 備薄膜，具有工藝設(shè)備簡單、不受基體形狀材料的限制、易制得均勻多組分氧化物涂層等特 點(diǎn)，在近年來尤其得到飛速發(fā)展。
Sol-Gd法制備薄膜的基本原理是將前驅(qū)物溶于溶劑(水或有機(jī)溶劑)中形成均勻的溶 液，加入各種添加劑(催化劑、水、絡(luò)合劑或鰲合劑等)，在合適的環(huán)境溫度下，使之發(fā)生水 解、縮聚、醇解等反應(yīng)，反應(yīng)生成物聚集成納米級(jí)的粒子并形成溶膠，再以溶膠為原料對(duì)各
種基材進(jìn)行涂膜處理，溶膠膜經(jīng)凝膠化及干燥處理后得到干凝膠膜，最后在一定的溫度下燒 結(jié)即得到所需的涂層。
但是，由于目前所使用前驅(qū)物原料價(jià)格比較昂貴，有些原料為有機(jī)物，對(duì)健康有害，整 個(gè)Sol-Gel過程所需時(shí)間很長，制備的凝膠中存在大量微孔，在干燥過程中又將除去許多氣體、 有機(jī)物，故干燥時(shí)產(chǎn)生收縮等，使其應(yīng)用受到極大限制。
為了克服Sol-Gel法以上的缺點(diǎn)，研究人員針對(duì)前驅(qū)體原料、添加劑種類等進(jìn)行了一系
列研究，并取得了一些進(jìn)展。例如張勤儉、張建華等人曾利用Sol-Gd法，以無機(jī)鹽Al (N03)
33， 9H20 .為先驅(qū)體，成功的在氧化鋁基工程陶瓷上成功制備了 Al203薄膜；而在無規(guī)則三維
網(wǎng)絡(luò)(3D)基體上利用Sol-Gel法制備Al203薄膜的研究還未見報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)以上技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種三維網(wǎng)絡(luò)碳化硅表面制備氧化鋁陶瓷薄膜的方法。
本發(fā)明的方法包括以下步驟
1、 溶膠制備以硝酸鋁為先驅(qū)體，配制0.18~0.3mol/L的硝酸鋁溶液，加入堿性溶液調(diào) 節(jié)pH值為8.5~9.5，形成Y-AIOOH沉淀，過濾，獲得固相沉淀用水洗4~6次；將水洗后的 固相沉淀與水混合，水的用量按固相沉淀中的鋁離子和水的摩爾比為Al3+ : H20=1 : 95~110; 然后加入無機(jī)酸溶液調(diào)節(jié)pH值為3 4.5，加熱至50土10。C靜置9 13h，獲得含鋁溶膠。其中 堿性溶液為質(zhì)量濃度25~28%的氨水溶液，無機(jī)酸溶液為濃度0.2 0.24mol/L的硝酸溶液；每 次水洗時(shí)水的用量以浸沒固相沉淀為準(zhǔn)。
2、 薄膜涂覆
將三維網(wǎng)絡(luò)碳化硅(3D-SiC)在真空條件下浸沒在含鋁溶膠中，浸漬15 25min，然后取 出在150 210。C條件下烘干10 60min;重復(fù)以上步驟2 4次，完成涂覆。
3、 燒結(jié)
將涂覆含鋁溶膠完成后的三維網(wǎng)絡(luò)碳化硅以2~5°C/min的速度升溫至850~920°C，保溫 2.4~3.2h，在三維網(wǎng)絡(luò)碳化硅表面制備出氧化鋁陶瓷薄膜。
采用上述方法在三維網(wǎng)絡(luò)碳化硅表面制備的氧化鋁陶瓷薄膜厚度為0.5~1.2wm，薄膜覆 蓋均勻，沒有裂紋，適合做阻擋SiC與鋼反應(yīng)的保護(hù)膜。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是采用Sol-Gel法，以無機(jī)鋁鹽為先驅(qū)體，成功在3D-SiC基體
表面制備了 Al203陶瓷薄膜。
本發(fā)明以廉價(jià)的原料、簡單的制備方法、簡短的制備周期，在3D-SiC基體表面制備均勻、 致密、氣孔率低的Al203陶瓷薄膜，薄膜與基體有較強(qiáng)的結(jié)合強(qiáng)度，薄膜的抗熱震性優(yōu)良， 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)3D-SiC/鋼的界面反應(yīng)進(jìn)行控制。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例2的三維網(wǎng)絡(luò)碳化硅表面Al2Cb薄膜的XRD圖。 圖2為本發(fā)明實(shí)施例2的三維網(wǎng)絡(luò)碳化硅表面A1203薄膜表面的SEM圖。 圖3為本發(fā)明實(shí)施例2的三維網(wǎng)絡(luò)碳化硅表面Al2Cb薄膜斷面的SEM圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明實(shí)施例中采用的硝酸鋁為分析純?cè)噭?，配制溶液時(shí)采用的水為去離子水。本發(fā)明實(shí)施例中采用的堿性溶液為質(zhì)量濃度25~28%的氨水溶液，無機(jī)酸溶液為濃度 0.2~0.24mol/L的硝酸溶液。
本發(fā)明實(shí)施例中的水洗條件為每次水洗時(shí)水用量為固相沉淀的2~3倍。
本發(fā)明實(shí)施例中的真空條件為-0.10MPa。 本發(fā)明實(shí)施例中燒結(jié)時(shí)采用的設(shè)備為電阻爐。 本發(fā)明實(shí)施例中制備溶膠時(shí)采用的加熱設(shè)備為恒溫水浴箱。 實(shí)施例1
以硝酸鋁為先驅(qū)體，配制0.18mol/L的硝酸鋁溶液，加入氨水調(diào)節(jié)pH值為8.5，過濾， 獲得固相沉淀用水洗4次；將水洗后的固相沉淀與水混合，水的用量按固相沉淀中的鋁離子 和水的摩爾比為Al3+ : H20=1 : 95;然后加入硝酸溶液調(diào)節(jié)pH值為3,加熱至50士10。C靜置 9h，獲得含鋁溶膠。
將三維網(wǎng)絡(luò)碳化硅在真空條件下浸沒在含鋁溶膠中，浸漬15min，然后取出在15(TC條件 下烘干60min;重復(fù)以上步驟4次，完成涂覆。
將涂覆含鋁溶膠完成后的三維網(wǎng)絡(luò)碳化硅以5。C/min的速度升溫至92(TC，保溫2.4h。三 維網(wǎng)絡(luò)碳化硅表面得到均勻、致密的Ab03薄膜。薄膜厚度為0.5um。 實(shí)施例2
以硝酸鋁為先驅(qū)體，配制0.22mol/L的硝酸鋁溶液，加入氨水調(diào)節(jié)pH值為9.0，過濾， 獲得固相沉淀用水洗5次；將水洗后的固相沉淀與水混合，水的用量按固相沉淀中的鋁離子 和水的摩爾比為Al3+ : H20=1 : 100;然后加入硝酸溶液調(diào)節(jié)pH值為4，加熱至50士10'C靜 置llh，獲得含鋁溶膠。
將三維網(wǎng)絡(luò)碳化硅在真空條件下浸沒在含鋁溶膠中，浸漬20min，然后取出在18(TC條件 下烘干30min;重復(fù)以上步驟3次，完成涂覆。
將涂覆含鋁溶膠完成后的三維網(wǎng)絡(luò)碳化硅以4'C/min的速度升溫至89(TC，保溫3h。三 維網(wǎng)絡(luò)碳化硅表面得到均勻、致密的Ab03薄膜。薄膜厚度為0.8iim。 實(shí)施例3
以硝酸鋁為先驅(qū)體，配制0.3mol/L的硝酸鋁溶液，加入氨水調(diào)節(jié)pH值為9.5，過濾，獲 得固相沉淀用水洗6次；將水洗后的固相沉淀與水混合，水的用量按固相沉淀中的鋁離子和 水的摩爾比為Al3+ : H20=1 : 110;然后加入硝酸溶液調(diào)節(jié)pH值為4.5，在50土10。C條件下 靜置老化13h，，獲得含鋁溶膠。
將三維網(wǎng)絡(luò)碳化硅在真空條件下浸沒在含鋁溶膠中，浸漬25min，然后取出在210'C條件下烘干10min;重復(fù)以上步驟2次，完成涂覆。
將涂覆含鋁溶膠完成后的三維網(wǎng)絡(luò)碳化硅以2。C/min的速度升溫至850°C，保溫3.2h。三 維網(wǎng)絡(luò)碳化硅表面得到均勻、致密的Al203薄膜。薄膜厚度為1.2um。
權(quán)利要求
1、一種三維網(wǎng)絡(luò)碳化硅表面制備氧化鋁陶瓷薄膜的方法，包括溶膠制備，薄膜涂覆和燒結(jié)，其特征在于按以下步驟進(jìn)行(1)以硝酸鋁為先驅(qū)體，配制0.18～0.3mol/L的硝酸鋁溶液，加入堿性溶液調(diào)節(jié)pH值為8.5～9.5，過濾，獲得固相沉淀，用水洗4～6次；將水洗后的固相沉淀與水混合，水的用量按固相沉淀中的鋁離子和水的摩爾比為Al3+∶H2O＝1∶95～110；然后加入無機(jī)酸溶液調(diào)節(jié)pH值為3～4.5，加熱至50±10℃靜置9～13h，獲得含鋁溶膠；(2)將三維網(wǎng)絡(luò)碳化硅在真空條件下浸沒在含鋁溶膠中，浸漬15～25min，然后取出在150～210℃條件下烘干10～60min；重復(fù)以上步驟2～4次，完成涂覆；(3)將涂覆含鋁溶膠完成后的三維網(wǎng)絡(luò)碳化硅以2～5℃/min的速度升溫至850～920℃，保溫2.4～3.2h，在三維網(wǎng)絡(luò)碳化硅表面制備出氧化鋁陶瓷薄膜。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種三維網(wǎng)絡(luò)碳化硅表面制備氧化鋁陶瓷薄膜的方法，其特征 在于所述的堿性溶液為質(zhì)量濃度25~28%的氨水溶液，無機(jī)酸溶液為濃度0.2~0.24mol/L的硝酸溶液。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維網(wǎng)絡(luò)碳化硅表面制備氧化鋁陶瓷薄膜的方法，其特征在 于所述的三維網(wǎng)絡(luò)碳化硅表面制備的氧化鋁陶瓷薄膜厚度為0.5~1.2um。
全文摘要
一種三維網(wǎng)絡(luò)碳化硅表面制備氧化鋁陶瓷薄膜的方法，屬于材料技術(shù)領(lǐng)域，包括以下步驟(1)采用溶膠-凝膠法制備含鋁溶膠；(2)采用真空浸漬法在3D-SiC上進(jìn)行涂覆；(3)涂覆含鋁溶膠完成后的三維網(wǎng)絡(luò)碳化硅進(jìn)行燒結(jié)。本發(fā)明以廉價(jià)的原料、簡單的制備方法、簡短的制備周期，在3D-SiC基體表面制備均勻、致密、氣孔率低的Al₂O₃陶瓷薄膜，薄膜與基體有較強(qiáng)的結(jié)合強(qiáng)度，薄膜的抗熱震性優(yōu)良，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)3D-SiC/鋼的界面反應(yīng)進(jìn)行控制。
文檔編號(hào)C04B41/87GK101550030SQ20091001149
公開日2009年10月7日 申請(qǐng)日期2009年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月12日
發(fā)明者亮 喻, 岳新艷, 明 房, 武艷君, 茹紅強(qiáng), 閆海樂, 馬婭娜 申請(qǐng)人:東北大學(xué)