專利名稱：一種金屬基復合材料增強體表面納米涂層的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及涂層和復合材料領(lǐng)域，特別是提供了一種復合材料增強體表面納米涂層制備方法，適用于各類纖維、顆粒及晶須增強相表面涂層的制備。
背景技術(shù)：
隨著科學技術(shù)的迅猛發(fā)展，特別是尖端科學技術(shù)的突飛猛進，對材料性能提出了越來越高的要求，傳統(tǒng)的單一材料已很難滿足實際需要。復合材料是由兩種或兩種以上物理和化學性質(zhì)不同的物質(zhì)組合而成的一種多相固體材料。通過對復合材料組元的種類、形狀、分布及相互之間界面結(jié)合狀態(tài)的優(yōu)化設(shè)計，得到優(yōu)異的綜合性能。其中，金屬基復合材料具有高的比強度、比模量、耐高溫、耐磨損以及熱膨脹系數(shù)小、導熱性能好等優(yōu)異的物理性能和力學性能，越來越受到重視，成為各國高新技術(shù)研究開發(fā)的重要領(lǐng)域。良好的界面結(jié)合是取得高性能金屬基復合材料的前提條件。然而，目前使用的增強體大多與金屬潤濕性不好，導致復合材料制備困難、內(nèi)部缺陷增多和界面結(jié)合強度降低。 另外，在金屬基復合材料制備過程中，許多增強體比如碳纖維與金屬基體發(fā)生不同程度的界面反應(yīng)。輕微的界面反應(yīng)能有效改善金屬基體與增強體的浸潤和結(jié)合，是有利的；然而嚴重的界面反應(yīng)將造成增強體的損傷并形成脆性界面相，十分有害。為了解決這些問題就必須對界面進行優(yōu)化設(shè)計，并采取相應(yīng)的措施。其中，對增強相表面進行納米涂層改性是一個切實可行的辦法。通過對增強體表面涂覆適當厚度的涂層，不僅可以提高增強體/基體之間的潤濕性，還可以利用適度的界面反應(yīng)提高界面結(jié)合強度。目前，國內(nèi)外制備納米涂層的方法主要有溶膠-凝膠法、磁控濺射、脈沖激光沉積、化學氣相沉積、固相燒結(jié)等辦法。其中，溶膠-凝膠法和磁控濺射等方法具有制備溫度低、涂層均勻性好、純度高、設(shè)備要求簡單、可在多孔或復雜形狀的材料表面制備涂層等優(yōu)
點ο根據(jù)大量的專利、會議和文獻等資料可知，以往的溶膠-凝膠法有著制備工藝復雜、制備時間長、穩(wěn)定性差和酸性強等缺點。因此，急需一種可在金屬、陶瓷以及非晶體材料表面涂覆納米涂層的新方法。該工藝不僅應(yīng)該具有溶膠-凝膠法的優(yōu)點，還應(yīng)具備制備工藝簡單、制備周期短和酸堿性為中性等優(yōu)點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種金屬基復合材料增強體表面納米涂層的制備方法，解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的制備工藝復雜、制備時間長、穩(wěn)定性差和酸性強等問題。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種金屬基復合材料增強體表面納米涂層的制備方法，包括如下步驟(1)把一種或多種納米涂層先驅(qū)體溶解于有機溶劑中，獲得0. 2-2. Omol/升的涂層先驅(qū)體有機溶液；(2)根據(jù)涂覆對象的不同，利用浸漬-提拉或涂抹方法，或者，利用磁攪拌器或超聲波振蕩器手段，把納米涂層先驅(qū)體溶液均勻涂覆到樣品表面；(3)把表面涂覆處理后的樣品放在20-100°C、濕度為40-75%的密閉容器中靜置 2-24小時進行水解，然后在室溫下干燥2-48小時；(4)在大氣、保護氣體或者真空條件下，對干燥處理后的樣品在涂層先驅(qū)的沸點士30°C進行烘烤10-60分鐘；(5)對烘烤后的樣品在450-1100°C燒結(jié)30-300分鐘。所述的金屬基復合材料增強體表面納米涂層的制備方法，納米涂層的厚度控制在 15nm-200nm 之間。所述的金屬基復合材料增強體表面納米涂層的制備方法，納米涂層的晶粒尺寸控制在5nm-50nm之間。本發(fā)明中，金屬基復合材料是以金屬或合金為基體與各種增強材料復合而制得的復合材料。其中，增強材料可為纖維狀、顆粒狀和晶須狀的碳化硅、硼、氧化鋁及碳纖維，金屬基體可為金屬鋁、鎂、鈦、銅、鋅、鉛、黑色金屬，以及它們的合金。本發(fā)明中，納米涂層先驅(qū)體經(jīng)過表面納米涂層處理后，作為金屬基復合材料的增強材料。本發(fā)明主要優(yōu)點是(1)制備溫度低；(2)工藝簡單可控；(3)制備周期短；(4)設(shè)備要求簡單；(5)涂層的均勻度高，其均勻度可達到分子或原子尺寸；(6)涂層的純度高；(7)可在多孔或形狀復雜的材料表面制備涂層；(8)涂層先驅(qū)體溶液的酸堿性為中性，對涂覆對象材料無腐蝕作用；(9)涂層先驅(qū)體溶液穩(wěn)定，可長期密封、避光保存。與傳統(tǒng)的溶膠-凝膠法相比，本發(fā)明的納米涂層先驅(qū)體溶液具有穩(wěn)定性高、酸堿性為中性，對涂覆對象無腐蝕作用，而且制備工藝簡單、合成速度快。此外，水解過程中的水來自環(huán)境氣體中的水分，水的添加速度緩慢且穩(wěn)定，所制得的涂層中晶體顆粒尺寸穩(wěn)定、細


圖1為硼酸鋁晶須表面涂覆Al2O3納米涂層的燒結(jié)工藝。圖2為硼酸鋁晶須表面涂覆T^2納米涂層的燒結(jié)工藝。圖3為碳纖維表面涂覆8mol. % TiO2穩(wěn)定^O2納米涂層的燒結(jié)工藝。
具體實施例方式下面結(jié)合實施實例對本發(fā)明作進一步詳細說明本發(fā)明金屬基復合材料增強體表面納米涂層的制備方法，包括下述順序步驟(1)把納米涂層先驅(qū)體溶解于有機溶劑中，獲得0. 2-2. Omol/升的涂層先驅(qū)體有機溶液。(2)可以配制成單一或多種成分的涂層先驅(qū)體溶液，進而制備單一成分涂層或者多種成分的復合涂層。(3)對增強體進行表面清理。(4)根據(jù)涂覆對象的不同，利用浸漬-提拉或涂抹等方法，也可利用磁攪拌器或超聲波振蕩器等手段，把納米涂層先驅(qū)體溶液均勻涂覆到樣品表面。(5)通過調(diào)整涂層先驅(qū)體溶液的濃度、樣品從涂層先驅(qū)體有機溶液中取出的提拉速度以及反復涂覆等手段，來調(diào)整涂層厚度。(6)把涂覆后的樣品放到溫度與濕度可控的密閉環(huán)境中，靜置一段時間進行水解， 然后進行干燥處理。(7)按照不同增強體相應(yīng)的熱處理工藝，在大氣、保護氣體或者真空條件下對干燥處理后的樣品進行燒結(jié)。其中，保護氣體為惰性氣體或氮氣等。(8)通過調(diào)整水解和燒結(jié)過程中溫度、濕度和時間，來控制涂層中晶粒尺寸的大小，晶粒尺寸可控制在5nm-50nm之間，納米涂層的厚度控制在15nm_200nm之間。實施例1、在硼酸鋁晶須表面涂覆納米三氧化二鋁涂層本實施例的具體步驟如下(1)以異丙醇為溶劑，配制摩爾濃度為0. 5摩爾/升的異丙醇鋁有機溶液，用磁攪拌器攪拌均勻后，獲得Al2O3涂層先驅(qū)體溶液。(2)把硼酸鋁晶須倒入Al2O3涂層先驅(qū)體溶液中，用磁攪拌器攪拌10分鐘后，過濾出硼酸鋁晶須。(3)把表面涂覆處理后的硼酸鋁晶須放在濕度為60-80%、溫度為80°C的密閉環(huán)境中靜置M小時進行水解。然后，在室溫下干燥M小時。(4)把干燥后的硼酸鋁晶須樣品放在大氣熱處理爐中進行燒結(jié)。燒結(jié)條件如圖1 所示，在室溫(20°C)下，以升溫速率5°C/min，升溫到130°C保溫30分鐘，再以升溫速率 50C /min，升溫到650°C保溫30分鐘，最后爐冷至室溫(20°C )。(5)取出樣品，完成厚度約為20nm的Al2O3涂層制備。納米涂層的晶粒尺寸為10 20nm，制備的涂層表面光滑、厚度均勻、與硼酸鋁晶須結(jié)合好。實施例2、在硼酸鋁晶須表面涂覆納米二氧化鈦涂層本實施例的具體步驟如下(1)以乙二醇甲醚為溶劑，配制摩爾濃度為0.4摩爾/升的有機溶液。用磁攪拌器攪拌均勻后，獲得T^2涂層先驅(qū)體溶液。(2)把硼酸鋁晶須倒入TW2涂層先驅(qū)體溶液中，用磁攪拌器攪拌10分鐘后，過濾出硼酸鋁晶須。(3)把表面涂覆處理后的硼酸鋁晶須放在溫度為20°C、濕度為40-50%的密閉環(huán)境中靜置12小時進行水解。然后，在室溫下干燥M小時。(4)把干燥后的硼酸鋁晶須樣品放在大氣熱處理爐中進行燒結(jié)。燒結(jié)條件如圖2 所示，在室溫(20°C )下，以升溫速率5°C /min，升溫到350°C保溫30分鐘，再以升溫速率 50C /min，升溫到700°C保溫30分鐘，最后爐冷至室溫(20°C )。(5)取出樣品，完成厚度約為20nm的TiO2涂層制備。納米涂層的晶粒尺寸為5 lOnm，制備的涂層表面光滑、厚度均勻、與硼酸鋁晶須結(jié)合好。實施例3、8mol. % TiO2穩(wěn)定^O2納米涂層碳纖維增強鎂基復合材料本實施例的具體步驟如下(1)把異丙醇鈦和異丙醇鋯按摩爾比1 19加入到異丙醇中配制有機溶液，有機溶液中的異丙醇鈦和異丙醇鋯的摩爾濃度為0. 2摩爾/升，用磁攪拌器攪拌均勻后，獲得8mol. % (摩爾百分比)TW2穩(wěn)定ZiO2納米涂層先驅(qū)體溶液。(2)把碳纖維放在真空條件下進行除膠熱處理。熱處理溫度為400°C，并保溫30 分鐘，然后爐冷。(3)把碳纖維放入8mol. % TiO2穩(wěn)定^O2納米涂層先驅(qū)體溶液中，用超聲波振蕩器振蕩15分鐘后，取出碳纖維。(4)把表面涂覆處理后的碳纖維放在溫度為35°C、濕度為40-50%的密閉環(huán)境中靜置M小時進行水解。然后，在室溫下干燥M小時。(5)把干燥后的碳纖維樣品放在真空熱處理爐中進行燒結(jié)。燒結(jié)條件如圖3所示， 在室溫(20°C )下，以升溫速率5°C /min，升溫到100°C保溫30分鐘，再以升溫速率5°C / min，升溫到700°C保溫30分鐘，最后爐冷至室溫(20°C )。(6)取出樣品，完成厚度約20nm的8mol. % TiO2穩(wěn)定^O2涂層制備。納米涂層的晶粒尺寸為5 lOnm，制備的涂層表面光滑、厚度均勻，且無卷曲、開裂等現(xiàn)象發(fā)生。(7)利用常規(guī)真空浸滲法制備的8mol. % TiO2穩(wěn)定^O2納米涂層碳纖維增強純鎂基復合材料，碳纖維的體積分數(shù)為45%，其拉伸性能達到了其理論強度的80%以上。實驗表明，本發(fā)明方法均可適用于增強材料可為纖維狀、顆粒狀和晶須狀的碳化硅、硼、氧化鋁及碳纖維，金屬基體可為金屬鋁、鎂、鈦、銅、鋅、鉛、黑色金屬，以及它們的合金。該發(fā)明方法具有工藝簡單可控、對設(shè)備要求低，成本低廉，適用范圍廣泛，力學及物理性能高等優(yōu)點。
權(quán)利要求
1.一種金屬基復合材料增強體表面納米涂層的制備方法，其特征在于，包括如下步驟(1)把一種或多種納米涂層先驅(qū)體溶解于有機溶劑中，獲得0.2-2. Omol/升的涂層先驅(qū)體有機溶液；(2)根據(jù)涂覆對象的不同，利用浸漬-提拉或涂抹方法，或者，利用磁攪拌器或超聲波振蕩器手段，把納米涂層先驅(qū)體溶液均勻涂覆到樣品表面；(3)把表面涂覆處理后的樣品放在20-100°C、濕度為40-75%的密閉容器中靜置2- 小時進行水解，然后在室溫下干燥2-48小時；(4)在大氣、保護氣體或者真空條件下，對干燥處理后的樣品在涂層先驅(qū)的沸點士30°C進行烘烤10-60分鐘；(5)對烘烤后的樣品在450-1100°C燒結(jié)30-300分鐘。
2.按照權(quán)利要求1所述的金屬基復合材料增強體表面納米涂層的制備方法，其特征在于，納米涂層的厚度控制在15nm-200nm之間。
3.按照權(quán)利要求1所述的金屬基復合材料增強體表面納米涂層的制備方法，其特征在于，納米涂層的晶粒尺寸控制在5nm-50nm之間。
全文摘要
本發(fā)明涉及涂層和復合材料領(lǐng)域，特別是提供了一種復合材料增強體表面納米涂層制備方法，適用于各類纖維、顆粒及晶須增強相表面涂層的制備，解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的制備工藝復雜、制備時間長、穩(wěn)定性差和酸性強等問題。(1)把一種或多種納米涂層先驅(qū)體溶解于有機溶劑中，獲得涂層先驅(qū)體有機溶液；(2)把納米涂層先驅(qū)體溶液均勻涂覆到樣品表面；(3)把表面涂覆處理后的樣品進行水解和干燥；(4)在大氣、保護氣體或者真空條件下對干燥處理后的樣品進行燒結(jié)；(5)通過調(diào)整水解和燒結(jié)過程中溫度、濕度和時間，來控制涂層中晶粒尺寸的大小。該發(fā)明方法具有工藝簡單可控、對設(shè)備要求低，成本低廉，適用范圍廣，力學及物理性能高等優(yōu)點。
文檔編號C22C47/04GK102560291SQ20101059502
公開日2012年7月11日 申請日期2010年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月17日
發(fā)明者王文廣, 肖伯律, 馬宗義 申請人:中國科學院金屬研究所