一種韌性氧化鋁陶瓷膜的製備方法
2023-08-06 12:55:01
專利名稱：一種韌性氧化鋁陶瓷膜的製備方法
技術領域：
本發明涉及一種韌性氧化鋁陶瓷膜的製備方法。
背景技術：
氧化鋁陶瓷具有耐高溫、耐磨損、電絕緣、抗氧化、耐腐蝕、機械強度高等特點，以其出色的物理化學性能和結構穩定性在國防、建築、化工、冶煉等眾多領域有著廣泛的應用需求。但是氧化鋁陶瓷材料是一種微觀以共價鍵和離子鍵結合的材料，因為結合價鍵的方向性使得該種材料具有高脆性和低韌性的缺點，在極低的應變值下即發生斷裂，這大大限制了陶瓷材料的廣泛應用。尤其是隨著航空航天事業的高速發展，對於可在複雜環境下穩定工作的韌性陶瓷的需求急劇提高。
目前製備氧化鋁陶瓷膜的方法有溶膠-凝膠法、固態粒子燒結法、化學氣相沉積和物理氣相沉積等方法。這些方法製備的陶瓷膜層都需要在較高溫度下完成，例如溶膠-凝膠法是通過水解與縮聚過程形成凝膠膜，然後經過乾燥和高溫煅燒得到所需的氧化鋁膜；固態粒子燒結法是通過將粉體材料進行幹壓或注漿成型，然後高溫燒結，使粒子之間接觸處燒結而相互連接在一起；化學氣相沉積是在遠高於熱力學計算臨界反應溫度條件下進行，反應產物的蒸氣形成很高的過飽和蒸氣壓，然後自動凝聚形成大量的晶核，晶核聚集並沉澱吸附在基體材料上即可得到陶瓷膜；物理氣相沉積法是在真空條件下將材料源蒸發或電離，然後沉積在基體表面形成陶瓷膜。這些方法製備的膜層必須在高溫下才能形成良好的結晶態，而許多襯底是低熔點材料，限制了熱處理溫度不能太高，這導致許多膜層結晶度不高，晶粒之間結合力低，晶粒之間存在許多缺陷，很容易成為應力集中點。所以，儘管這些製備方法被廣泛應用於氧化鋁陶瓷膜的製備，但是製備的膜層脆性大、韌性低，應變值低於I %、加工面積小、製備工藝複雜。液相等離子體沉積技術，是一種通過在金屬基體表面發生等離子體放電燒結進行氧化物陶瓷沉積的方法。該技術通過在樣品表面施加400-600V的高壓，使基體和電解液發生等離子體電解，在膜層表面同時存在基金陽離子、02、02+、OH、Ha、He、電解液離子等，在氣-液-固-介電體多相體系中，發生化學反應，膜層局部發生融解；因為整個體系處於室溫溫度的電解質溶液中，融解的氧化物馬上又被冷卻、凝固，這種相變過程在膜層生長的過程中反覆發生，因此電解質溶液對膜層的性能起著重要作用。液相等離子體膜層的質量主要是通過液相等離子體放電火花控制，因此採用火花調控劑可以實現對等離子放電火花密度、持續時間以及溫度等進行調控，進而得到目標性產物。
發明內容
本發明是要解決現有方法製備的氧化鋁陶瓷膜的膜層韌性低，應變值低於I %、力口工面積小以及工藝複雜的問題，提供了一種韌性氧化鋁陶瓷膜的製備方法。本發明一種韌性氧化鋁陶瓷膜的製備方法，是通過以下步驟進行一、配製弱鹼性電解液，弱鹼性電解液是由鹼性調節劑和火花調控劑組成；二、將鋁合金置於盛有步驟一配製的弱鹼性電解液的槽體中，其中陽極為鋁合金，對陰極為不鏽鋼或石墨材料，然後用液相等離子體氧化電源，在電流密度為O. 02 O. 14A/cm2條件下氧化I 12min ;三、將經過步驟三處理後的鋁合金進行衝洗後進行乾燥，即可得到韌性氧化鋁陶瓷膜；其中步驟一中的火花調控劑為稀土鹽；弱鹼性電解液中鹼性調節劑的終濃度為I 30g/L，火花調控劑的終濃度為I 20g/L。本發明以稀土鹽為火花調控劑，稀土鹽在中溫下即可形成稀土氧化物，這些稀土氧化物很容易處於熔融狀態並能夠填補燒結膜層中的缺陷和裂紋，使膜層整體結構均勻。因為火花放電與結構相互依賴和影響，均勻膜層使得其被高電壓擊穿點均勻分布在膜層表面，從而使的等離子體放電較未添加時火花均勻，緻密膜層使得火花持續時間延長，因此稀土鹽使等離子體放電火花均勻，持續時間延長。此外，稀土鹽還可以抑制膜層中的晶粒生 長，使晶粒處於納米尺度。膜層缺陷少、納米尺度晶粒、質量均勻使得膜層應力集中點大大降低，進而具有了高韌性。本發明製備的氧化鋁膜層厚度可調，韌性高，最大應變量可以到3%。本發明的製備過程簡單、快捷，最長不超過12min，並且可大面積加工，最大加工面積可到幾個平方米。
圖1為試驗I製備的韌性氧化鋁陶瓷膜的X射線衍射圖譜；圖2為試驗I製備的韌性氧化鋁陶瓷膜的透射電子顯微鏡照片，a為氧化鋁陶瓷膜層，b為鋁基體；圖3為試驗I製備的韌性氧化鋁陶瓷膜的大角度彎曲照片。
具體實施例方式具體實施方式
一本實施方式一種韌性氧化鋁陶瓷膜的製備方法，是通過以下步驟進行一、配製弱鹼性電解液，弱鹼性電解液是由鹼性調節劑和火花調控劑組成；二、將鋁合金置於盛有步驟一配製的弱鹼性電解液的槽體中，其中陽極為鋁合金，對陰極為不鏽鋼或石墨材料，然後用液相等離子體氧化電源，在電流密度為O. 02 O. 14A/cm2條件下氧化I 12min ;三、將經過步驟三處理後的鋁合金進行衝洗後進行乾燥，即可得到韌性氧化鋁陶瓷膜；其中步驟一中的火花調控劑為稀土鹽；弱鹼性電解液中鹼性調節劑的終濃度為I 30g/L，火花調控劑的終濃度為I 20g/L。本實施方式以稀土鹽為火花調控劑，稀土鹽在中溫下即可形成稀土氧化物，這些稀土氧化物很容易處於熔融狀態並能夠填補燒結膜層中的缺陷和裂紋，使膜層整體結構均勻。因為火花放電與結構相互依賴和影響，均勻膜層使得其被高電壓擊穿點均勻分布在膜層表面，從而使的等離子體放電較未添加時火花均勻，緻密膜層使得火花持續時間延長，因此稀土鹽使等離子體放電火花均勻，持續時間延長。此外，稀土鹽還可以抑制膜層中的晶粒生長，使晶粒處於納米尺度。膜層缺陷少、納米尺度晶粒、質量均勻使得膜層應力集中點大大降低，進而具有了高韌性。本實施方式製備的氧化鋁膜層厚度可調，韌性高，最大應變量可以到3%。本實施方式的製備過程簡單、快捷，最長不超過12min，並且可大面積加工，最大加工面積可到幾個平方米。
具體實施方式
二 本實施方式與具體實施方式
一不同的是步驟一中的鹼性調節劑為偏鋁酸鹽、氫氧化鈉或磷酸鹽中的一種或幾種的按任意比組成的混合物。其它步驟及參數與具體實施方式
相同。
具體實施方式
三本實施方式與具體實施方式
一或二不同的是稀土鹽為硝酸鈰、硝酸鑭、硝酸鐿或硝酸釔。其它步驟及參數與具體實施方式
一或二相同。
具體實施方式
四本實施方式與具體實施方式
一至三之一不同的是步驟二中的鋁合金為1100、2024、3103、4043、5A06、6101或7A15鋁合金。其它步驟及參數與具體實施方
式一至三之一相同O具體實施方式
五本實施方式與具體實施方式
一至四之一不同的是步驟二中的液相等離子體氧化電源為直流電源、單向脈衝電源或雙相脈衝交流電源。其它步驟及參數與具體實施方式
一至四之一相同。
具體實施方式
六本實施方式與具體實施方式
一至五之一不同的是步驟二中的液相等離子體氧化電源為單向脈衝電源時，單向脈衝的頻率為20 1000Hz，電流密度為O. 02 O. 12A/cm2。其它步驟及參數與具體實施方式
一至五之一相同。
具體實施方式
七本實施方式與具體實施方式
一至六之一不同的是步驟二中的液相等離子體氧化電源為雙向脈衝電源時，雙向脈衝的頻率為50 2000Hz，電流密度為O. 02 O. 08A/cm2。其它步驟及參數與具體實施方式
一至六之一相同。
具體實施方式
八本實施方式與具體實施方式
一至七之一不同的是步驟三中的乾燥為自然乾燥或在80 100°C下乾燥3 5h。其它步驟及參數與具體實施方式
一至七之一相同。通過以下試驗驗證本發明的有益效果試驗1:本試驗的一種韌性氧化鋁陶瓷膜的製備方法，是通過以下步驟進行一、配製弱鹼性電解液，弱鹼性電解液是由2g/L的偏鋁酸鈉和lg/L的硝酸鈰組成；二、將1100鋁合金置於盛有步驟一配製的弱鹼性電解液的槽體中，其中陽極為1100鋁合金，對陰極為不鏽鋼，然後用單向脈衝電源，頻率為100Hz，在電流密度為0. 04A/cm2條件下氧化8min ；三、將經過步驟三處理後的1100鋁合金進行衝洗後在80°C下乾燥4h，即可得到韌性氧化鋁陶瓷膜。對本試驗製備的韌性氧化鋁陶瓷膜進行X射線衍射儀分析，結果如圖1所示，由圖1可知本試驗製備的膜層主要成分為α-和Y-Al2O3，同時在2 Θ角為30-40°之間，還有一個「類饅頭」存在表明膜層中還具有無定形Al2O315透射電子顯微鏡照片(圖2)表明，氧化鋁陶瓷膜層的晶粒尺寸在10 30nm之間，其中a為氧化鋁陶瓷膜層，b為鋁基體。本試驗製備的韌性氧化鋁陶瓷膜韌性高，彎曲膜層的數碼照片(圖3)示出其可大角度彎曲，應變值可達到3%。試驗2 :本試驗的一種韌性氧化鋁陶瓷膜的製備方法，是通過以下步驟進行一、配製弱鹼性電解液，弱鹼性電解液是由2g/L的氫氧化鈉和lg/L的硝酸鈰組成；二、將2024鋁合金置於盛有步驟一配製的弱鹼性電解液的槽體中，其中陽極為2024鋁合金，對陰極為不鏽鋼，然後用直流電源，在電流密度為0. 06A/cm2條件下氧化5min ;三、將經過步驟三處理後的2024鋁合金進行衝洗後在80°C下乾燥4h，即可得到韌性氧化鋁陶瓷膜。本試驗製備的韌性氧化鋁陶瓷膜的應變值為2. 8%。試驗3 :本試驗的一種韌性氧化鋁陶瓷膜的製備方法，是通過以下步驟進行一、配製弱鹼性電解液，弱鹼性電解液是由4g/L的磷酸鈉和2g/L的硝酸鐿組成；二、將5A06鋁合金置於盛有步驟一配製的弱鹼性電解液的槽體中，其中陽極為5A06鋁合金，對陰極為石 墨材料，然後用雙向脈衝電源，頻率為2000Hz，正負相電流密度均為O. 08A/cm2條件下氧化4min ;三、將經過步驟三處理後的5A06鋁合金進行衝洗後自然乾燥，即可得到韌性氧化鋁陶瓷膜。本試驗製備的韌性氧化鋁陶瓷膜的應變值為2. 6%。
權利要求
1.一種韌性氧化鋁陶瓷膜的製備方法，其特徵在於韌性氧化鋁陶瓷膜的製備方法是通過以下步驟進行一、配製弱鹼性電解液，弱鹼性電解液是由鹼性調節劑和火花調控劑組成；二、將鋁合金置於盛有步驟一配製的弱鹼性電解液的槽體中，其中陽極為鋁合金，對陰極為不鏽鋼或石墨材料，然後用液相等離子體氧化電源，在電流密度為O. 02 O. Ukfcm2 條件下氧化I 12min ;三、將經過步驟三處理後的鋁合金進行衝洗後進行乾燥，即可得到韌性氧化鋁陶瓷膜；其中步驟一中的火花調控劑為稀土鹽；弱鹼性電解液中鹼性調節劑的終濃度為I 30g/L，火花調控劑的終濃度為I 20g/L。
2.根據權利要求1所述的一種韌性氧化鋁陶瓷膜的製備方法，其特徵在於步驟一中的鹼性調節劑為偏鋁酸鹽、氫氧化鈉或磷酸鹽中的一種或幾種的按任意比組成的混合物。
3.根據權利要求1所述的一種韌性氧化鋁陶瓷膜的製備方法，其特徵在於稀土鹽為硝酸鈰、硝酸鑭、硝酸鐿或硝酸釔。
4.根據權利要求1所述的一種韌性氧化鋁陶瓷膜的製備方法，其特徵在於步驟二中的鋁合金為 1100、2024、3103、4043、5A06、6101 或 7A15 鋁合金。
5.根據權利要求1所述的一種韌性氧化鋁陶瓷膜的製備方法，其特徵在於步驟二中的液相等離子體氧化電源為直流電源、單向脈衝電源或雙相脈衝交流電源。
6.根據權利要求1或5所述的一種韌性氧化鋁陶瓷膜的製備方法，其特徵在於步驟二中的液相等離子體氧化電源為單向脈衝電源時，單向脈衝的頻率為20 1000Hz，電流密度為 O. 02 O. Ukfcm20
7.根據權利要求1或5所述的一種韌性氧化鋁陶瓷膜的製備方法，其特徵在於步驟二中的液相等離子體氧化電源為雙向脈衝電源時，雙向脈衝的頻率為50 2000Hz，電流密度為 O. 02 O. 08A/cm2。
8.根據權利要求1所述的一種韌性氧化鋁陶瓷膜的製備方法，其特徵在於步驟三中的乾燥為自然乾燥或在80 100°C下乾燥3 5h。
全文摘要
一種韌性氧化鋁陶瓷膜的製備方法，它涉及一種韌性氧化鋁陶瓷膜的製備方法。本發明是要解決現有方法製備的氧化鋁陶瓷膜的膜層韌性低，應變值低於1％、加工面積小以及工藝複雜的問題，本發明的製備方法為一、配製弱鹼性電解液，弱鹼性電解液是由鹼性調節劑和火花調控劑組成；二、將鋁合金置於盛有電解液的槽體中，其中陽極為鋁合金，對陰極為不鏽鋼或石墨材料，然後用液相等離子體氧化電源，在電流密度為0.02～0.14A/cm2條件下氧化1～12min；三、將經過步驟三處理後的鋁合金進行衝洗後進行乾燥，即可得到韌性氧化鋁陶瓷膜。本發明應用於化工領域。
文檔編號C25D11/06GK103014805SQ20121056222
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月21日 優先權日2012年12月21日
發明者王志江, 姜兆華, 聶學淵 申請人:哈爾濱工業大學