粉煤灰复合涂层（精选6篇）
粉煤灰复合涂层 篇1
0前言
粉煤灰主要由玻璃相和陶瓷相组成, 目前我国对其利用还处于初级阶段, 如煤矿矿井、地面塌陷区的充填, 复垦造田, 制备混凝土、砖瓦等建筑材料。其实粉煤灰具有极高的附加值, 近年来国内外已开始对此进行研究, 在制备铝硅合金、白炭黑和提取氧化铝、二氧化硅及钛、钒、镓、锗等微量元素方面取得了很多创新性成果, 部分成果已应用于工业生产[1]。石油、化工、煤矿和电力等领域的机械设备普遍存在腐蚀磨损, 是造成设备失效的主要原因之一。影响材料腐蚀磨损的主要因素包括腐蚀介质、腐蚀时间、转速和冲蚀角等[2]。陶瓷涂层具有良好的耐磨损、耐高温性能, 玻璃涂层具有良好的耐腐蚀性, 玻璃/陶瓷复合涂层兼具了2种涂层的优点, 有利于提高材料的腐蚀磨损性能。目前, 对玻璃/陶瓷复合涂层的腐蚀磨损的报道很少。本工作以粉煤灰为原料, 采用热化学反应法制备了玻璃/陶瓷复合涂层, 研究了复合涂层在石油介质中的抗腐蚀磨损性能, 以拓宽其高附加值利用的渠道。
1 试验
1.1 基材前处理
基材为Q235钢, 尺寸为20.0 mm×20.0 mm×3.5mm。去除氧化皮后采用LEITL滚筒式喷丸机进行喷丸处理, 喷丸强度为1 600~1 800 MPa, 时间为45 s。之后采用QH-2/H型火焰喷枪制备Ni-Al过渡层, 喷射角度为70°~85°, 喷涂距离为130~150 mm, 喷嘴移动速度为60 mm/s, 厚约20μm。经上述处理后, 试样表面粗糙度为50~600μm。
1.2 玻璃/陶瓷复合涂层的制备
涂层材料主要为某发电厂的粉煤灰, 成分 (质量分数) :17.32%Al2O3, 59.82%Si O2, 2.61%Mg O, 1.37%Na2O, 3.64%Ca O, 8.23%Fe2O3, 2.75%K2O, 0.26%P2O5, 0.79%Ti O2, 0.11%Mn O, 3.10%杂质。将其置于SX2-8-10型中温电阻炉中700℃保温2 h进行脱碳处理。
将粉煤灰, Al, Al2O3, Si O2, Mg O和钠长石按主要成分Si O2:Al2O3∶Mg O∶钠长石∶Al=67∶22∶5∶5∶5 (质量比) 的比例进行配比并混合, 使复合粉末成分位于Al2O3-Si O2-Mg O体系中易于发生热化学反应的区域[3], 以利于热化学反应的发生。将复合粉末置于QM-1SP2型行星式球磨机中以400 r/min的速度单向不间歇运转球磨8 h, 球料比为15∶1。将球磨粉末与磷酸氢铝粘结剂按质量比1.5∶1.0均匀混合, 制成涂料, 用毛刷涂覆于经预处理的基体表面。室温阴干24 h后, 置于GSL-1400型真空炉中加热至950℃保温2 h使涂层固化, 热固化温度曲线见图1。
1.3 复合涂层的表征及性能测试
(1) 形貌及结构采用SSX-550型扫描电镜 (SEM) 观察复合涂层的截面形貌。采用2RGAKU2500/PC型X射线衍射仪 (XRD) 分析复合粉体和涂层热固化前后的物相, 扫描速度为8 (°) /min, 扫描范围为10°~80°。
(2) 腐蚀磨损采用MSH型腐蚀磨损试验机, 腐蚀液为石油介质和建筑用砂, 二者体积比为25∶14。石油介质成分为7.515×10-3mol/L Ca Cl2, 4.558×10-3mol/L Mg Cl2, 1.800×10-3mol/L Na HCO3, 1.751×10-3mol/L Na2SO4, 61.998×10-3mol/L Na Cl, 68.640×10-3mol/L KCl。建筑用砂的主要成分为石英及少量的长石和白云母, 粒度为20~70目。温度为室温, 冲蚀角为90°。当冲蚀角较小时, 涂层表面的冲蚀形式主要以切削为主;而冲蚀角度较大时, 冲蚀形式主要以凿削为主。冲蚀速度越大, 粒子的冲击功就越大, 撞击至涂层表面时涂层就容易脱落。工件转速分别设定为200, 300, 400 r/min。每隔30 min称重1次, 累计试验150 min。
2 结果与讨论
2.1 复合涂层的结构
图2为复合粉末及涂层热固化前后的XRD谱。由图2可以看出:复合粉末主要由玻璃相和陶瓷相组成, 室温阴干后复合涂层内部没有新相生成 (图2b) , 其经950℃固化后衍射峰明显增多且增强, 内部产生了Ca2Al2Si O7, Fe Al13, Mg3 (PO4) 2新相 (图2c) , 这意味着涂层内部或涂层与过渡层及涂层与基体之间发生了化学反应, 其间的结合方式以化学结合为主;同时, 低熔点物质Al粉和钠长石在加热过程中优先熔化, 填充了涂层的裂纹及孔隙, 提高了涂层的致密性, 生成了新相Fe Al13, Mg3 (PO4) 2, 使化学键和离子键增多, 键能变大, 破坏其需要的能量更多, 进而提高了复合涂层的结合强度。
2.2 复合涂层的形貌
图3为复合涂层的截面形貌。图3中过渡层和涂层之间的界限已经模糊不清, 而且过渡层与涂层之间有互相嵌入、熔合现象, 其界面处原子相互扩散、咬合, 同时也存在机械结合。因此, 这种以化学结合为主, 并伴有机械结合的复合涂层大大提高了其与基体的结合强度。
2.3 复合涂层的腐蚀磨损性能
影响金属材料腐蚀磨损效果的因素有很多, 如液体介质的黏度和密度、固体粒子的粒径及形状、固体粒子的冲击速度以及被冲击材料本身的性质等[4]。图4为复合涂层在不同转速下的腐蚀磨损曲线。从图4可以看出, 基体的腐蚀磨损失重均大于复合涂层的, 转速为200, 300, 400 r/min下, 150 min时复合涂层的腐蚀磨损性能分别比基体提高2.62, 2.12, 1.26倍 (基材的腐蚀失重量除以涂层试样的腐蚀失重量) 。主要原因:复合涂层主要由玻璃相和陶瓷相组成, 玻璃相耐蚀性好, 而陶瓷相耐磨性好;在热固化过程中, 钠长石和Al粉优先熔化, 填充了涂层内部的裂纹和孔隙, 涂层致密性高, 耐蚀性得到提高;复合涂层以化学结合为主, 结合强度较大, 耐磨损性能好。
腐蚀磨损的实质为磨损加速腐蚀及腐蚀加速磨损[6]。当工件转速为200 r/min时, 150 min后基体和涂层的失重分别为91.666 7, 35.324 8 g, 此时主要为磨损加速了腐蚀, 磨损的作用减薄或破坏了试件表面的钝化膜或去除了表面产物而裸露出新鲜的金属表面, 转动的腐蚀介质加速了腐蚀产物的脱落, 使腐蚀介质与新鲜的试样表面继续相互作用, 从而加速了腐蚀。当转速为400 r/min时, 150 min后基体和涂层的失重分别为112.897 1, 90.500 0 g, 以腐蚀加速磨损为主, 这是由于腐蚀后材料表面疏松、多孔, 很容易因摩擦或流动的液流造成材料的流失。当转速为300 r/min时, 腐蚀和磨损达到了一种交互作用状态, 二者的交互作用加速了试样的质量流失, 使得腐蚀磨损的总失重量大于单纯腐蚀和单纯磨损的失重量之和[6]。
3 结论
(1) 以粉煤灰为主要原料, 添加少量的Al, Al2O3, Si O2, Mg O和钠长石, 混合后涂覆于Q235钢表面, 并于950℃固化, 制备了玻璃/陶瓷复合涂层, 涂层中生成了Ca2Al2Si O7, Fe Al13, Mg3 (PO4) 2等新相。
(2) 复合涂层的腐蚀磨损性能优异, 在200, 300, 400 r/min转速下腐蚀磨损150 min后, 耐腐蚀磨损性相对基体分别提高2.62, 2.12, 1.26倍。复合涂层与基体结合良好, 以化学结合为主, 并伴有机械结合。
参考文献
[1]马壮, 陶莹, 董世知, 等.煤炭固体废弃物在金属材料加工领域的应用[J].煤炭学报, 2014, 39 (1) :32~39.[2]汤皎宁, 龚晓钟, 柳文军, 等.脉冲和直流电镀镍层磨损及腐蚀磨损性能研究[J].材料保护, 2001, 34 (7) :12~13.[3]苏昊林, 王立久, 汪振双.CAS系粉煤灰微晶玻璃制备工艺试验研究[J].功能材料, 2011, 42 (7) :1 342~1 350.[4]康进兴, 赵文轸, 朱金华.材料抗冲蚀性的研究进展[J].材料保护, 2001, 34 (10) :22~24.[5]王吉会, 姜晓霞, 李曙, 等.腐蚀磨损过程中材料的环境脆性[J].材料研究学报, 2003, 17 (5) :449~458.[6]庞佑霞, 陆由南.WC加入量对Ni60自熔合金喷焊层冲蚀磨损特性的影响[J].材料保护, 2007, 40 (3) :71~72.
粉煤灰复合涂层 篇2
当今, 在金属表面制备既具有金属强度和韧性, 又具有陶瓷的耐高温、耐磨等优点的陶瓷涂层为材料科学的重要分枝。目前, 对氧化物陶瓷涂层的研究、应用较多[1~3], 多采用化学制剂氧化物, 价格昂贵。粉煤灰中含有多种氧化物, 且来源广泛, 目前利用粉煤灰制备陶瓷涂层鲜见报道。本工作以粉煤灰为主要原料, 加入适量铝矾土和稀土氧化物, 通过热化学反应法[3]在Q235钢上制备陶瓷涂层, 以提高基材的摩擦学性能。
1 试验
1.1 基材及前处理
基材为Q235钢, 尺寸为20 mm×20 mm×3 mm。前处理:用180号水磨砂纸打磨, 去除表面氧化皮;然后采用履带式喷丸机对表面进行喷砂处理, 使表面粗化, 以增大工件和喷涂层的接触面积, 改变涂层的残余应力分布;在表面喷涂一层厚200~300μm Ni-Al层, 提高涂层的结合强度, 以缓解基体与涂层之间由于热喷胀系数差异而产生的应力集中问题。
1.2 热化学反应法制备陶瓷涂层
(1) 陶瓷骨料制备粉煤灰取自内蒙古准格尔电厂, 成分 (质量分数, %) :48.50 Al2O3, 35.40 Si O2, 5.04 Ca O, 1.91 Fe2O3, 1.76 Ti O2, 0.64 Mg O, 0.45K2O, 0.22 Na2O, 0.10 P2O5, 0.03 Mn O, 6.75其他。将粉煤灰置于箱式电阻炉中加热至800℃, 保温2 h, 以除去粉煤灰中的残碳。2种陶瓷骨料配方:A为90% (质量分数, 下同) 粉煤灰+10%铝矾土 (≥75%Al2O3) ;B为在A配方基础上再加入其总量的5%的Ce O2。用QM-1SP2行星式球磨机球磨陶瓷骨料20h, 球料比选用12∶1。
(2) 粘结剂制备通过Al (OH) 3与H3PO4 (摩尔比为1∶3) 化学反应制得磷酸铝, 加入30%Cr O3酸性抑制剂, 5%Mg O固化剂, 即得粘结剂。
(3) 料浆制备将球磨后骨料与粘结剂按质量比1.25∶1.00混合, 用玻璃棒充分搅拌, 使其混合均匀, 制成料浆。
(4) 涂层制备用板刷将料浆均匀地涂敷在前处理后的Q235钢上, 室温阴干24 h;置于中温电阻炉中固化处理, 采用阶梯式加热 (边加热边保温) 的方式加热至800℃, 升温速度为 (3~5) ℃/min, 以防止涂层在加热固化过程中由于升温过快而产生鼓泡、气孔等, 固化结束后随炉冷却至室温。2种骨料制备的涂层分别为A涂层和B涂层。
1.3 测试表征
(1) 涂层结构采用2RGAKU2500/PC型X射线衍射仪 (XRD) 分别对球磨粉末及热固化后的陶瓷涂层进行了物相定性分析, 判断是否有新相生成。
(2) 涂层抗热震性采用急冷急热法进行测定:将试样置于中温电阻炉中加热至700℃, 保温10min, 取出后迅速放入冷水中急冷, 待水面平静后取出, 观察涂层表面是否出现裂纹或剥落现象, 记录每次热循环后涂层的变化情况, 共热震循环30次。以涂层非边角处出现剥落为失效判据, 以克服边角处外界几何因素的影响, 提高试验结果的准确性。
(3) 涂层耐磨性能 (1) 磨粒磨损:在ML-10型磨粒磨损试验机上进行, 外加载荷3 N, 对磨材料为2号金相砂纸, 转盘转速60 r/min, 磨损时间为2~16min。 (2) 黏着磨损:在M-200型黏着磨损试验机上进行, 磨损环境为油磨, 需要连续向摩擦轮上涂刷真空油;摩擦轮为高速钢, 直径为35 cm, 载荷300 N, 磨损时间5~15 min。根据试样单位面积磨损量评价磨损情况, 计算式如下:
式中ΔM———试样单位面积磨损量, g/m2
m0, m1———试样磨损前后的质量, g
A———摩擦副的接触面积, m2
2 结果与讨论
2.1 涂层的结构
图1为2种陶瓷骨料球磨20 h后及其陶瓷涂层的XRD谱。
由图1可知:球磨20 h后, 2种陶瓷骨料中均生成了新相Ca2Si O4, Al2Si O5及Al6Si2O13, 即球磨机通过高速搅拌、振动、旋转等运动方式, 将密集的高强度机械能传递给物质体系, 导致物质在固态条件下发生反应, 实现合金化[4], 但2种骨料中仍保留了大量的Al2O3和Si O2;2种陶瓷骨料经过800℃热固化处理后, 陶瓷粒子、粘结剂、Ni-Al层之间都发生了一系列化学反应, 所得涂层中产生了KAl Si O4, Ni Mn O3等新相, B涂层中还出现了Al Ce3新相, 均实现了化学冶金结合, 增强了陶瓷涂层与基体的结合强度;由于800℃热固化温度较低, 粉煤灰中玻璃相和莫来石相仍然存在, 从而构成了玻璃/陶瓷复合涂层。
2.2 涂层的抗热震性能
表1为2种涂层的热震试验结果。由表1可以看出, B涂层的抗热震性能较好, 即Ce O2的加入提高了涂层的抗热震性能。这是由于Ce O2降低了涂层的孔隙率和空洞尺寸, 减少了涂层内应力在孔隙边缘的应力集中, 提高了涂层的结合强度;同时, Ce O2阻止了晶粒的粗化, 使涂层的高温稳定性得到提高, 并且可以生成相应的稀土化合物, 起到净化晶界, 强化晶界的作用, 界面结合力大幅增加, 从而提高了涂层与基体的结合强度[5]。
2.3 摩擦学性能
2.3.1 磨粒磨损
图2为基体及2种涂层的磨粒磨损状况。由图2可以看出:随着磨损时间的延长, 基体Q235钢与涂层的磨损量均增加, 但涂层的磨损量明显较小, A涂层的耐磨性较基体提高了2.89倍 (磨损试验后基体的单位面积磨损量除以涂层的单位面积磨损量, 下同) , B涂层则较基体提高了6.26倍。这是因为A涂层表面存在较多微孔, 致密性不好, 与基体的结合相对较差, 导致磨粒磨损量较大;B涂层中大部分Ce O2分布在陶瓷涂层颗粒的表面, 吸附晶界处的夹杂, 净化晶界, 减少了涂层中的气孔和夹杂, 涂层的致密性、均匀性及结合强度得以大幅提高;Ce O2的加入还可以减少涂层表面裂纹形核和扩展的几率, 晶界增多也增大了裂纹扩展的阻力[6], 从而提高了涂层的耐磨粒磨损性能。
2.3.2 黏着磨损
图3为基体及2种涂层的黏着磨损状况。由图3可以得出, A涂层的耐磨性较基体提高了3.14倍, B涂层较基体提高了4.66倍。Ce O2的加入提高了陶瓷骨料的活性, 降低了骨料的熔点;在加热固化过程中, Ce O2与陶瓷涂层融粒接触反应形成低熔点液相, 加剧了涂层材料的融化进程, 低熔点液相渗入涂层间的孔隙处, 提高了陶瓷涂层的致密性。在黏着磨损过程中, Ce O2促进了涂层表面氧化物反应膜的形成, Ce O2在氧化物反应膜与涂层的界面偏聚、凝聚了空位, 减少了界面的孔隙, 增强了氧化膜的黏附性[7], 使涂层耐磨性得到了提高。
综上可知, 采用热化学反应法在金属基体上制备粉煤灰陶瓷涂层是可行的, 若对涂层配比及工艺参数作进一步优化, 可制备出摩擦学性能较好的陶瓷涂层。
3 结论
(1) 以粉煤灰为主要原料, 添加适量铝矾士和Ce O2, 以磷酸铝粘结剂, 骨胶比为1.25∶1.00, 通过热化学反应法可以在Q235钢表面制备出陶瓷涂层;涂层中有KAl Si O4, Ni Mn O3, Al Ce3等新相产生, 实现了化学冶金结合, 提高了涂层的结合强度。
(2) Ce O2的加入净化了涂层晶界, 提高了涂层致密性, 从而提高了涂层的耐磨性, 涂层的耐磨粒磨损性较基体提高了6.26倍;耐黏着磨损性较基体提高了4.66倍。
摘要：以化学制剂氧化物制备陶瓷涂层成本高。以廉价粉煤灰为主要原料, 添加适量铝矾土和CeO2, 通过热化学反应法在Q235钢基体上制备了粉煤灰陶瓷涂层。采用X射线衍射仪、热震法及摩擦磨损试验测试了涂层的结构、抗热震性及耐磨性。结果表明:本法制备的粉煤灰陶瓷涂层中有KAlSiO4, NiMnO3, AlCe3等新相, 实现了化学冶金结合, 提高了涂层的结合强度;稀土氧化物CeO2的加入可显著提高涂层的耐磨性能, 涂层的耐磨粒磨损性较基体提高了6.26倍;耐黏着磨损性较基体提高了4.26倍。
关键词：陶瓷涂层,粉煤灰,CeO2,磨粒磨损,黏着磨损
参考文献
[1]马壮, 黄圣玲, 李威, 等.Q235钢SiO2基热化学反应陶瓷涂层耐磨性研究[J].材料热处理技术, 2009, 38 (12) :104~108.
[2]曲彦平, 石娇, 杨爱宁, 等.热化学反应法制备耐海水腐蚀陶瓷涂层及机理分析[J].表面技术, 2010, 39 (12) :39~41.
[3]马壮, 邹积峰, 李智超.镁合金热化学反应热喷涂Al2O3基复相陶瓷涂层的性能[J].材料保护, 2010, 43 (11) :56~58.
[4]马壮, 林鹏, 董世知, 等.Al-TiO2-B2O3反应体系的机械力化学与热化学行为[J].中国有色金属学报, 2010, 20 (5) :909~913.
[5]孙方红, 马壮, 史广思, 等.2%CeO2对Al2O3陶瓷涂层耐磨性的影响[J].材料保护, 2012, 45 (7) :29~30.
[6]许伯藩, 李安敏, 潘应君, 等.CeO2对激光熔覆TiC/Ni基复合涂层的影响[J].热加工工艺, 2008, 5 (6) :10~12.
电磁屏蔽复合涂层织物的制备研究 篇3
随着现代高新技术的发展, 电磁波引起的电磁干扰 (EMI) 与电磁兼容 (EMC) 问题日益严重, 继噪音污染、空气污染、水污染之后, 电磁波污染成为威胁人类健康的第四大公害[1]。电磁屏蔽材料在社会生活、经济建设和国防建设中有着极其重要的作用, 其研发愈发引起人们的关注[2,3]。电磁波屏蔽织物是现代电磁屏蔽材料中不可或缺的一种新型产品[4]。本实验采用三明治型复合涂层涂覆工艺, 以纯棉织物为基布制得电磁屏蔽涂层织物, 电磁屏蔽效能优异, 可达到48.8～34.7dB, 粘结牢固, 操作工艺简单, 具有工业化前景。
1 实验
1.1 原料
高分子胶粘剂 (市售) , 石墨 (市售, 粒度300目) , 镍粉 (市售, 粒度200目) , 助剂 (市售) , 纯棉织物 (市售) , 涤/锦织物 (市售) , 蒸馏水 (自制) 。
1.2 屏蔽涂层织物的制备
按照配方, 称取一定量的助剂 (小于1.2wt%) , 置于烧杯中用蒸馏水将其溶解。待完全溶解后加入导电填料, 超声震荡20min后加入高分子胶粘剂, 搅拌10min, 待用。将织物按一定的尺寸剪成方形, 经洗涤烘干后, 把配置好的涂料涂覆在织物上。
1.3 测试
采用EST121型数字超高电阻仪测试样品的表面电阻率。采用《中华人民共和国电子行业军用标准》, 由中国电子技术标准化研究所测试样品的屏蔽性能。
1.4 换算公式
屏蔽效能值与相应的电磁波屏蔽率根据公式SE=20lg (E0/Es) 进行换算, 式中:E0为屏蔽前该点的电场强度, Es为屏蔽后该点的电场强度。
2 结果与讨论
2.1 涂料中石墨含量对导电性能的影响
将不同含量的石墨与高分子胶粘剂混合制成涂料, 分别涂于织物表面, 涂层的表面电阻率如图1所示。
涂料中石墨含量在15wt%～20wt%时涂料的表面电阻率下降很快;20wt%～50wt%时下降较缓慢。石墨含量对导电涂料导电性能的影响, 符合“渗流作用”现象:在导电涂料涂层中, 只有当导电粒子的填充量达到某一特定值时, 才有电流流经的通道, 涂层才具有导电性, 这也是具有电磁屏蔽性能的基本条件, 此特定值称为渗流阀值。在导电填料含量小于渗流临阀值时, 载流子流通的通道完全被绝缘性聚合物阻塞, 此时涂层的电阻基本上是绝缘性聚合物的电阻。当导电填料的含量达到渗流阀值时, 导电粒子相互接触形成导电通路, 涂层的电阻率明显下降, 并趋于一定值。由此本实验中渗流阀值为20wt%左右。
本实验选取石墨的含量为40wt% (体积分数为20%) , 此时导电性能稳定, 涂层性能良好。小于此值, 导电屏蔽涂料尚不能完全封闭织物缝隙;而大于此值, 涂覆难度加大, 石墨不能在织物表面均匀分散, 涂层表面有裂痕。
2.2 镍粉含量对导电性能的影响
将不同含量的镍粉与高分子胶粘剂混合制成涂料, 分别涂于织物表面, 涂层的表面电阻率如图2所示。
镍粉含量为50wt%～60wt%时, 镍涂层的表面电阻率迅速下降, 镍粉含量大于60wt%以后涂层的表面电阻率下降较为平缓, 可确定镍粉的导电渗流阀值为60wt%。在制备涂料时, 只有涂料中镍粉含量大于其导电阀值, 才能保证镍涂层的导电通路。当镍粉含量为70wt%时, 表面电阻率也有显著下降, 但是由于随着涂料中镍粉含量的增加, 高分子粘合剂的含量相应减少, 使得涂料的粘结性能下降, 导电颗粒粘结不牢, 容易脱落, 因此本实验选取的镍粉含量是70wt%。
2.3 基布的选取
将石墨 (40wt%) 、助剂与高分子胶粘剂混合制成涂料, 采用相同的涂覆工艺, 分别涂于涤/锦和纯棉两种织物表面, 涂层的表面电阻率如表1所示。
由表1显示, 石墨屏蔽涂料在纯棉基布上制得的涂层的表面电阻率小于在涤/锦基布上制得的涂层的表面电阻率, 这是由于实验所用的屏蔽涂料为水性涂料, 纯棉织物的吸湿性能优于涤/锦织物的吸湿性能, 这样纯棉织物表面导电填料的覆盖量大于涤/锦织物, 可以促进导电填料之间的接触, 所以纯棉屏蔽织物较涤/锦屏蔽织物更易形成导电通路, 从而前者的表面电阻率小于后者, 所以本研究选择了纯棉作为屏蔽织物的基布。
2.4 石墨、镍粉屏蔽涂层织物屏蔽性能测试
将石墨 (40wt%) 、助剂与高分子胶粘剂混合制得的涂料, 镍粉 (70wt%) 、助剂与高分子胶粘剂混合制得的涂料, 分别进行涂覆, 得到石墨屏蔽涂层织物和镍屏蔽涂层织物, 涂层的屏蔽效能如图3、4所示。
(表面电阻率为571.48Ω·cm, 涂覆量约为20mg/cm2)
(表面电阻率为244.92Ω·cm, 涂覆量约为50mg/cm2)
由图3显示, 石墨屏蔽涂层织物在30～1500MHz的频率范围内, 屏蔽效能为23.2～17.0dB;由图4显示, 镍屏蔽涂层织物在30～1500MHz的频率范围内, 屏蔽效能为15.3～8.2dB。石墨涂层的表面电阻率大于镍涂层的表面电阻率, 且涂覆量小, 但是石墨涂层屏蔽织物的屏蔽效能比镍涂层的屏蔽效能好。这主要是因为镍粉的粒径较大, 在涂覆时对基布的渗透性差, 不能浸入织物的缝隙, 易产生孔洞, 而这些孔洞对电磁波没有屏蔽作用, 电磁波可以穿透;相比之下石墨的粒径较小, 容易浸入织物, 阻塞纤维间的缝隙, 不仅形成较完善的导电网络, 而且形成的屏蔽涂层致密, 可以有效地阻挡电磁波的透过。由以上分析可知, 屏蔽织物的电磁屏蔽效果不仅与其表面电阻率相关, 而且与涂层中导电填料之间紧密程度以及是否存在空隙、孔洞息息相关。
2.5 镍/石墨/镍三明治型复合涂层屏蔽涂层织物的屏蔽效能测试
将石墨 (40wt%) 、助剂与高分子胶粘剂混合制得的涂料, 镍粉 (70wt%) 、助剂与高分子胶粘剂混合制得的涂料, 采用三明治形式 (即先用石墨涂料涂覆以封闭织物缝隙, 晾干后在其正反两面涂覆镍层) 得到复合屏蔽涂层, 涂层示意图及屏蔽效能如图5和图6所示。
(石墨涂覆量约为20mg/cm2, 镍涂覆量约为100mg/cm2)
由图6可以看出, 在30～1500MHz范围内, 屏蔽值为48.8～34.7dB, 屏蔽率为99.64%～98.16%, 屏蔽效能远远高于纯石墨、镍粉屏蔽涂层的屏蔽效能。三明治型复合涂层, 改进了石墨、镍涂料单独作为屏蔽涂层的缺陷, 石墨涂层的优势在于粒径小, 所以将其作为芯层, 可以渗透到织物内部, 弥补由于织物缝隙、孔洞造成电磁波透过的缺陷, 可以形成致密的屏蔽膜, 外部的镍涂层, 表面电阻率比石墨涂层的表面电阻率低, 导电性能优越, 可以进一步增强屏蔽效能, 使得屏蔽效能有了很大的提高。所以采用镍/石墨/镍三明治复合形式的组合, 可以得到良好的屏蔽效能。
3 结语
3.1在高分子胶粘剂和导电填料配置的涂料中, 石墨含量在40wt%时制备导电屏蔽涂料较好;镍含量在70wt%时制备导电屏蔽涂料较好。
3.2从表面电阻率测试结果及涂层性能考虑, 选取纯棉织物作为屏蔽涂层基布, 采用涂覆的方法制备电磁屏蔽涂层织物是一种有效而简便的方法。
3.3对石墨, 镍粉以及三明治型复合 (镍/石墨/镍) 屏蔽涂层织物分别进行屏蔽效能测试, 结果表明三明治型复合 (镍/石墨/镍) 屏蔽涂层织物屏蔽效能优异, 在30～1500MHz范围内, 屏蔽值为48.8～34.7dB, 屏蔽率为99.64%～98.16%。
摘要：在高分子胶粘剂中均匀分散导电粉末得到电磁屏蔽涂料, 采用涂覆的方法制得屏蔽涂层织物。分别探讨了涂料中石墨、镍粉质量分数对导电性能的影响, 结果显示石墨质量分数为40wt% (体积分数为20%) , 镍粉质量分数为70wt% (体积分数为19.1%) 时屏蔽涂料导电性能最好。探讨了涤/锦、纯棉织物对涂层性能的影响, 选取纯棉织物作为实验基布。将石墨屏蔽涂层织物, 镍屏蔽涂层织物和三明治型 (镍/石墨/镍) 复合屏蔽涂层织物分别进行屏蔽效能测试, 结果显示复合涂层织物的屏蔽性能最优, 在30～1500MHz范围内, 屏蔽值为48.8～34.7dB, 屏蔽率为99.64%～98.16%, 且织物柔软。
关键词：复合涂层,电磁屏蔽,表面电阻率
参考文献
[1]胡社军.电磁屏蔽材料的屏蔽原理与研究现状[J].包装工程, 2006, 27 (2) :1-4.
[2]丁世敬等.电磁屏蔽材料研究进展[J].材料导报, 2008, 22 (4) :30-37.
[3]汝强, 胡社军等.电磁屏蔽理论及屏蔽材料的制备[J].包装工程, 2004, 25 (5) :21-23.
微/纳米复合涂层的耐空蚀性能 篇4
高速流动的液体会产生一微射流或冲击波,冲击工件表面,使之发生空蚀,进而导致水泵等流体机械中的过流部件失效,直接影响流体机械的性能和使用寿命[1]。这不仅威胁着水电站的安全运行,也严重威胁着电网的安全运行。流体机械零部件加工复杂、周期长、价格高,不可能频繁更换,我国水电机组每年由于空蚀损伤造成的发电量损失超过1.28×1012 kW·h[2]。空蚀仅发生在材料的表面,作用深度很浅,采用耐空蚀性能较强的合金或化合物在材料表面形成一定厚度的冶金层或涂层是解决空蚀的有效方法之一[3]。如化学镀Ni-P涂层热处理后硬度增加,有利于提高其耐空蚀性能[4];激光熔覆合金涂层的抗空蚀性能较好[5,6]; 利用前驱体碳化物复合技术制备粉末,在中碳钢表面制备等离子熔覆高铬铁涂层,该涂层具有较高的显微硬度,具有一定的耐空蚀性能[7]。上述方法虽然能够显著提高材料的耐空蚀性能,但涂覆工艺复杂,施工周期长、难度大。微/纳米有机涂层具有优异的耐腐蚀性能,但其相关研究主要集中在微/纳米有机涂层的抗冲蚀性能方面[8,9,10,11],对其耐空蚀性能的报道较少,且有机涂层需要加热固化,施工较困难。
本工作所提出的微/纳米复合涂层采用多层复合结构,保证涂层与基体之间、层与层之间的结合强度,使其抗冲蚀和抗空蚀性能提高;采用辅助表面层,可直接通电加热使涂层固化;涂覆施工操作方便,方便现场施工,更有利于对大型部件进行修复,延长过流部件的使用寿命。水泵等流体机械在工作过程中的磨损失效形式主要是泥沙冲蚀与气泡空蚀的交互联合作用。本工作研究了不含泥沙条件下,低转速水泵等流体机械的过流部件(如叶轮)表面微/纳米复合涂层的耐空蚀性能,以期为制备具有良好抗冲蚀与空蚀性能的涂层提供参考。
1 试 验
1.1 微/纳米复合涂层的结构及制备
1.1.1 结构
微/纳米复合涂层由粘接底层、过渡层、微/纳米抗磨蚀橡胶层及辅助电热层4部分构成。粘接底层由40%~60%的环氧树脂胶料、20%~30%的低分子聚酰胺固化剂、10%~12%氧化物颗粒填料和13%~15%增韧剂组成;过渡层由合成橡胶、固化剂(由聚酰胺和聚氨酯固化剂混合而成)和矿石粉构成;微/纳米抗磨蚀橡胶层由质量比为1 000 ∶136的聚氨酯预聚体和聚氨酯固化剂构成,并加入10%~12%超硬氧化物微/纳米颗粒以改善其抗蚀性能;辅助表层由胶液、半导粉、导电粉和阻燃粉构成[12]。
1.1.2 制备
按照各部分的物料构成进行配比并混合均匀后,在45钢基材表面由底层逐部向上分层涂刷。过渡层由3层薄层组成,分3次涂刷,涂敷时间间隔以前层粘手、但不带起胶液为好。过渡层的总厚度为0.2~0.4 mm;微/纳米抗磨蚀橡胶层的厚度为1.5~2.0 mm。涂刷完成后通电加热固化,时间为3~5 h,温度100~120 ℃。所制备涂层表面为深黄色、硬胶质光滑表面,总厚度为 2.5~3.0 mm,各层之间无明显界限。
另外,选用4种传统的表面处理方法对45钢进行表面处理以作对比研究,每种方法各制作2个试样。5种表面处理方法及试样性能见表1。其中,3,4号试样是直接购买的,涂层厚0.8 mm;渗碳温度为910 ℃,时间为0.5 h;5种试样的淬火方式均为水淬,温度均为840 ℃,时间均为0.5 h;1,3,4号试样回火温度均为150 ℃,2号试样的回火温度为600 ℃,时间均为1 h。
1.2 复合涂层的抗空蚀性能测试
设备为转盘式磨损试验机[13],空蚀圆盘为2个盘叠合而成,圆盘两面各镶嵌6块试件,试件分布在直径为316 mm的圆周上,在直径为300 mm的圆周上分布着直径为15 mm的通孔,见图1。
在给定的转盘转速、转盘室压力下,以通孔为空泡诱发源产生空穴正好作用于空蚀试件中央。试验参数:电机转速为3 000 r/min,转盘室压力为0.1 MPa,设备通水流量为40.6~42.0 m3/h,空蚀磨损时间为30 h。每5 h采用AB304-S电子秤(精度0.1 mg)对试样称重,用失重法分析材料的耐空蚀性能;空蚀磨损30 h后,采用KYKY-2800型扫描电镜观察试件表面的微观形貌。
2 结果与讨论
2.1 耐空蚀性能
图2为5种试件的空蚀失重曲线。从图2可以看出:5种试件的失重量均随空蚀磨损时间的增加而增大,2号试件的抗空蚀磨损性能最差,失重曲线陡斜,空蚀30 h后失重量为127.3 mg,其次是1,4号试件;3号试件的总失重量为37.6 mg,为2号的1/3,磨损较轻微,空蚀失重曲线较为平缓;5号试样的抗空蚀磨损性能最好。
与2号试样相比,1号试件进行了渗碳处理,其硬度较高,因此具有较高的抗空蚀性能;3,4号试样用Ni基合金粉末进行了表面处理,Ni基合金粉末具有较高的耐磨和耐冲击能力,能有效阻碍微裂纹的扩展,使试件抗空蚀性能得到了显著提高,其中3号试样由于硬度更高,所以具有更好的抗空蚀磨损性能。5号试件涂层的微/纳米抗磨蚀橡胶层具有良好的弹性,能有效缓冲空蚀气泡溃灭产生的微射流或冲击波,从而减缓了空蚀对试件的破坏;同时,其粘接底层与基体材料具有较好的结合力,能有效防止涂层从基体材料剥落。
从图2还可以看出:1,2号试件在空蚀磨损前10 h没有失重或失重很小,空蚀磨损10~30 h时,失重量很大,3,4号试件空蚀磨损15 h还没有失重或失重很小,15 h后才出现明显失重,4号试件最大失重量为79.3 mg,耐空蚀性能比1,2号试件好,但明显比3号试件差;5号试件在空蚀过程中质量增加,这可能是高分子材料在高应力与瞬时高温的作用下,与水发生了化学反应产生结晶所致,具体原因有待于进一步研究。
2.2 形 貌
图3为5种试件空蚀磨损30 h后的表面SEM形貌。图3显示:1~4号试件表面上存在的大小不一的圆形铁元素结晶体,因为空蚀磨损是一种疲劳磨损,在微射流的高速冲击下,可近似认为材料承受绝热压缩过程,局部温度会大幅度上升,表层和亚表层氧化形成了氧化铁晶体;1号试件虽然表面硬度比较高,但其韧性较差,在高压水流的反复冲击下,容易产生塑性堆积、疲劳剥落和裂纹,磨损量大,故出现了疲劳失效;2号试件表面磨损后变得很粗糙,存在许多小孔、有较深的凹坑和一些微裂纹,且大凹坑内壁的突起上微裂缝密集而粗大,坑的内壁存在粗糙而又宽大的断裂截面,表明表层和亚表层已被磨损;3号试件表面有针眼和小凹坑,磨损轻微,磨损机理主要是疲劳损伤和塑性变形,而断口处存在粗糙而又宽大的断裂截面,这可能是由于材料本身的缺陷所致;4号试件表面同样存在着疲劳裂纹和剥落坑,但剥落坑比3号试件的更大、更深,其磨损机理与以上相似,磨损较严重;5号试件表面没有变得粗糙,也没有出现针眼和小凹坑,表面出现的凹陷是涂层材料发生疲劳磨损所致,其磨损只发生在涂层上。5号试件涂层材料中的微/纳米抗磨蚀橡胶层具有良好的弹性,能有效缓冲空蚀气泡溃灭产生的微射流或冲击波,从而减缓空蚀对试件的破坏;由于粘接底层与基体材料具有较好的结合力,空蚀所产生的疲劳应力也没有导致涂层材料从基体剥落。
3 结 论
45钢经5种不同表面处理方法处理后的空蚀磨损机理基本相同,即主要是材料表面在微射流的反复冲击下,产生塑性变形、疲劳凹坑和坑边缘的塑性堆积,从而导致材料的流失。与传统表面处理方法相比,微/纳米复合涂层的耐空蚀性能最好,空蚀磨损30 h后,基本没有失重。
摘要：为提高流体机械的耐空蚀性能,模拟实际工况,利用转盘式磨损试验装置研究了涂覆微/纳米复合涂层及另外4种传统表面处理方法处理的45钢的耐空蚀性能;采用失重法和扫描电镜(SEM)对空蚀磨损结果进行了分析。结果表明:5种试件的空蚀磨损机理基本相同,主要是材料表面在微射流的反复冲击下,产生塑性变形、疲劳凹坑和坑边缘的塑性堆积,从而导致材料的流失;与4种传统表面处理方法相比,微/纳米复合涂层的耐空蚀性能最好,空蚀磨蚀30 h后,基本没有失重。
碳纤维复合材料热防护涂层的研究 篇5
环氧改性有机硅树脂防热涂料是一种新型的功能性涂料,通过物质的消融和低热量的传导以保护基材。有机硅树脂涂料中通常添加空心玻璃微珠、无机短纤维等填料,这样可以大大降低涂料的导热系数,从而有效地降低热传导量。环氧改性有机硅防热涂料在高温气流的冲蚀下,环氧改性有机硅树脂会发生激烈地分解,首先是侧基分解;其次是主链骨架断裂,同时与带有羟基的硅酸盐类填料发生吸热化学反应,形成新的致密的隔热层;再者,填料的熔融、小分子的气化,这些均会带走一部分热量,从而起到保护基材的作用[3,4,5]。
1实验部分
1.1原材料
环氧改性有机硅树脂(HG-43),中昊晨光化工研究院有限公司;低分子聚酰胺树脂、硅烷偶联剂(KH550)、空心玻璃微珠、高岭土、云母粉、钛白粉、三氧化二锑、十溴联苯醚、气相二氧化硅,均为市售工业品;氢氧化铝、二甲苯,均为分析纯。
1.2配方
不同的填料大体上具有不同的作用。空心玻璃微珠具有质轻、导热系数低的特点,可有效地降低涂层的密度和导热系数[6]。钛白粉、高岭土作为耐高温填料,增加涂层的耐热性能。云母粉减少涂层的开裂、粉化,且具有一定的耐温性。这些填料还具有无毒、易分散,与树脂的匹配性较好等特点。硅烷偶联剂(KH550)是优异的粘结促进剂,能提高涂料与基材的附着力。防沉剂为气相二氧化硅,其粒径很小,因此比表面积大,表面吸附力强,可改善填料在液体体系中的悬浮性和分散性。复合型阻燃剂包括氢氧化铝、三氧化二锑、十溴联苯醚,可有效地抑制涂层燃烧[7]。
隔热抗烧蚀涂料的组成及配比见表1。
1.3主要仪器设备、生产厂家及测试标准
激光导热仪(LFA427型),德国耐驰公司,按照Q/G 261—2012测试;热失重仪器(TG 209F3型),德国耐驰公司, 按照GB/T 27761—2011测试;氧-乙炔烧蚀设备,自制,按照GJB 323A—96测试;涂层隔热性能测定仪器,自制;扫描电子显微镜(JSM-6460LV型),日本电子公司,按照JB/T 6842— 1993测试。
1.4样品制备
按照涂料配方称取各组分填料,一边搅拌一边加入环氧改性有机硅树脂中,然后再提高搅拌速度,最后加入固化剂, 制得涂料,倒入相应模具或是刷涂在100mm×100mm×4mm碳纤维复材板上,室温固化即可。
1.5性能测试
1.5.1涂层与碳纤维复板材的附着力
在碳纤维复材板涂上刷上涂料,采用画格法测定附着力。 按照QJ 990.14—86测试,在样板上3个不同位置分别画3mm×3mm的小格子25个,且划透至底材表面。用胶粘带粘附其上,并均匀压实,然后快速将胶粘带撕下,观察涂层脱落情况。
1.5.2热失重分析
采用热失重仪(TG209F3型,德国耐驰公司),按照GB/T 27761—2011进行热失重测试,升温速率为10℃/min,氮气作为保护气体,记录试样质量从25~900℃ 温度范围内的变化情况。
1.5.3涂层隔热性能测试
涂层隔热性能测试:采用马弗炉作为加热设备,炉口开有ф50mm的小孔,在小孔处放置1根温度传感线,并与测温仪器连接,可实时显示小孔温度。表面涂覆有涂层的碳纤维复材板背面同样放置1根温度传感线,并用铝箔胶带将其固定,最后将板材有涂料的一面盖住炉口小孔,通过温度传感器,实时记录复材板背面温度随着时间的变化。
1.5.4涂层的氧-乙炔烧蚀性能
氧-乙炔烧蚀测试:按照GJB 323A—96标准;试样尺寸为 ф30mm×10mm;烧蚀喷嘴直径为2mm,设置好氧气流量与乙炔流量之比为2∶1,烧蚀火焰温度为1400℃,并以90°的角度冲刷试样表面;测量试样烧蚀前后的烧蚀中心厚度和质量的变化,再除以烧蚀时间,即得试样平均线烧蚀率和质量烧蚀率,计算公式见式(1)、(2)。
式中,Rl为线烧蚀率,mm/s;l0和lt分别为烧蚀前后中心厚度,mm;Rm为质量烧蚀率,g/s;m0和mt分别是烧蚀前后试样质量,g;t为烧蚀时间,s。
1.5.5涂层热物理性能
导热系数测定:依据标准Q/G 261—2012,试样尺寸为ф12.7mm×2mm,采用激光导热仪测定样品的热扩散系数、比热容和密度,计算样品的导热系数见式(3)。
式中,λ 为导热系数,W/(m·℃);α 为热扩散率,10-6m2/s;Cp为比热容,J/(kg·℃);ρ为材料的表观密度g/cm3。
2结果与讨论
2.1环氧改性有机硅树脂的热失重性能
有机硅树脂具有优良的耐热耐寒、电绝缘、耐候及耐化学腐蚀等性能[8]。尤其是主链中含有Si—O—Si键,其中Si—O键键能为443.7kJ/mol,比C—O键(351kJ/mol)和C—C键(347kJ/mol)的键能都大许多,因此有机硅树脂具有优异的耐高温性能。但有机硅树脂的表面能低,摩擦系数小,与板材之间的粘接力较弱,不能形成粘接牢靠的防护涂层。使用环氧改性有机硅树脂便很好的综合了环氧树脂的优异粘接性、可室温固化和有机硅树脂优异的耐高温性等优点。环氧改性有机硅树脂固化后的热失重曲线见图1。
由图1可看出环氧改性有机硅树脂的起始分解温度在370.1℃附近,刚开始失重较为缓慢。随着温度升高,失重速率不断增加,当温度升至446.9℃ 时,环氧改性有机硅树脂的失重速率达到峰值。这是由于刚开始温度较低,环氧改性有机硅树脂的取代基或侧链上的基团首先发生分解;随着温度的逐渐升高,此时环氧改性有机硅树脂的主链中Si—O键、环氧基团,发生严重的断裂、降解等一系列反应。最终环氧改性有机硅树脂在900℃ 时失重率为51.07%。说明树脂的耐热性能良好。
2.2涂层热失重性能
将环氧改性有机硅树脂、固化剂和各种填料按一定比例配制而成的涂层,热失重曲线见图2。
由图2可看出,涂层的起始分解温度在379.6℃ 附近,起始失重较缓慢。当温度升至449.6℃时,涂层的失重率达到峰值。这是由于刚开始温度较低,树脂的取代基或侧链上的基团首先发生分解;随着温度的升高,树脂的主链发生严重的断裂、降解等一系列反应。同时,涂层里面复合型阻燃剂中的氢氧化铝在300℃时即会分解,失去水分。最终涂层在900℃时失重率为68.73%,比环氧改性有机硅树脂提高了17.66%。 可见,涂层的热失重性能较为优异。
2.3涂层与板材的附着力
胶粘带撕下后,在涂层切口交叉处有少许涂层脱落,但交叉切割面积受影响低于5%,测试结果表明其附着力达1级。 说明涂层与碳纤维复材板的界面粘接性能较好,在实际应用中,涂层不易脱落。
2.4涂层氧-乙炔烧蚀性能
涂层氧-乙炔烧蚀时间为10s,实验结果为氧-乙炔线烧蚀率为0.278mm/s,质量烧蚀率为0.0758g/s。该涂层具有较好的抗烧蚀性能。可从以下方面解释:(1)环氧改性有机硅树脂首先发生分解,生成的小分子挥发带走一定的热量;其中空心玻璃微珠可降低涂料的导热系数,较少热量传入内部;在400℃时会发生吸热熔融现象,可代替环氧改性有机硅树脂生成新的致密膜,从而进一步阻止热量向内部传播;(2)其他填料如钛白粉、云母粉、高岭土,均具有很高的耐热性能,能很好地提高涂料的耐高温抗烧蚀性能;(3)涂层里面含有复合型阻燃剂,可减少涂料的燃烧,其阻燃机理:树脂燃烧时会产生游离基·H、·OH和·O·的链式反应,十溴联苯醚在高温下分解生成溴化氢,溴化氢与·H、·OH和·O·反应生成水和氢气,终止链式反应,产生阻燃效果;此外氢氧化铝在300℃下便会分解,失去水分,生成氧化铝,吸收掉大量的热量;三氧化二锑在高温下会与十溴联苯醚分解产生的溴化氢发生反应,生成密度更大的溴化锑气体,而产生覆盖作用,从而隔绝或是稀释了空气,提高阻燃效果。
2.5涂层的热物理性能
涂层的热物理性能见表2。
材料的隔热性能主要取决于材料的导热性能,导热系数愈低,则材料的隔热性能愈好。由表2可知,涂层室温下的比热容为1107J/(kg·℃),导热系数为0.235W/(m·℃),热扩散系数为0.196×10-6m2/s。由室温升至150℃时,比热容增加了34.5%;热扩散系数逐渐降低;导热系数变化不大。可见, 涂层从室温到150℃范围内的导热系数均较低,具有较好的隔热性能。
2.6涂层的隔热性能
碳纤维复材板上涂层厚度为1mm,碳纤维复合板材正面温度为530℃,测定复材板的背壁温度随时间的变化,测试时间为30s,时间间隔为0.5s,测试结果见图3。
背壁温试验结果表明,空白复材板的背面温度在30s时间内由室温升至155℃。而表面涂有隔热涂层的复材板背面温度在30s时间内由室温升至60.8℃,比空白复材板降低了94.2℃,且复材板上的涂层没有发生脱落。可见该涂层短时间内对碳纤维复材板具有较好的隔热效果。
3结论
(1)热防护涂层主要由环氧改性有机硅树脂、空心玻璃微珠、滑石粉、高岭土、云母粉和阻燃剂等组成,二甲苯作为溶剂。
(2)该热防护涂层氧-乙炔线烧蚀率为0.278mm/s,质量烧蚀率为0.0758g/s,附着力良好,导热系数为0.235W/(m·℃), 且具有较好的隔热性能。
(3)涂料固化工艺简单,室温固化即可,可短时间用于碳纤维复材板的热防护。
参考文献
[1]徐光磊.含内衬纤维复合材料发射筒力学性能研究[D].南京:南京理工大学,2013.
[2]张友华,陈连忠,张骞.导弹发射筒防热材料气动热冲击试验[J].宇航材料工艺,2011,41(2):128-130.
[3]陆洪彬,陈建华.隔热涂料的隔热机理及其研究进展[J].材料导报,2005,19(4):71-73.
[4]江伟辉,周健儿,等.烧蚀防热材料的显微结构研究[J].无机材料学报,2002,17(6):1233-1235.
[5]马天信.有机消融涂层防热隔热机理及组成分析[J].航天制造技术,2013(2):10-13.
[6]靳涛,刘立强.玻璃微珠在涂料中的隔热性能研究[J].涂料工业,2008,38(9):15-17,21.
[7]董中强,张良均,郑志强,等.复合阻燃材料和纳米气相二氧化硅对长效防污闪涂料性能的影响[J].绝缘材料,2009,42(1):59-62.
粉煤灰复合涂层 篇6
纳米材料具有优异的物理、化学、力学、光学以及磁学等性能,在材料界备受关注。将纳米粒子作为填充材料与传统材料进行复合提高其性能,已成为当前研究和应用的热点[1]。传统的防腐蚀涂料富含锌、铬、铜等,在环境保护、资源及成本等方面有一定的局限性。将纳米材料应用于涂料,能提高涂层的各项性能,进而可以提高涂覆件的档次和竞争力[2]。在某些场合,涂层的疏水性能十分重要。而疏水性复合涂层的制备较为复杂,常用的工艺有相分离法、自组装法、化学沉积法等,不太适合工业化生产。目前,对涂层的疏水性能影响其防护性能的研究比较少。
本工作采用溶胶-凝胶工艺[3,4,5,6,7,8],用浸渍-提拉法制备掺杂纳米粒子有机-无机复合涂层,并用不同的修饰剂以物理法进行修饰,研究了其对涂层疏水性能和防护性能的影响。
1 试 验
1.1 复合涂层的制备及修饰
(1)基材处理
基材选用LY12CZ铝合金,尺寸为30 mm×20 mm×1 mm。用400目水磨砂纸将其表面打磨光滑、平整,用蒸馏水冲洗;分别用5%NaOH和5%HNO3溶液清洗,用蒸馏水冲洗干净,室温下吹干。
(2)溶胶配制
以正硅酸乙酯[Si(OC2H5)4,TEOS,分析纯]和蒸馏水为原料,冰醋酸(分析纯)为催化剂,硅烷为偶联剂(KH550,化学纯),配制3份TEOS ∶H2O ∶HAc ∶KH550体积比为3.50 ∶50.00 ∶1.00 ∶0.50的溶液;用WCJ-802型磁力搅拌器搅拌3 h;在3份溶液中依次加入0.02 g SiO2[粒径(30±1) nm,含量≥99.0%],0.02 g TiO2 [粒径(10±5) nm,含量≥99.0%]和羟基化多壁碳纳米管(MWCNTs-OH,羟基3.06%,粒径10～20 nm,含量≥95.0%);用CQ50型超声波清洗45 min后,磁力搅拌72 h,控制pH值为5～6,得到3份溶胶。
(3)复合涂层的制备及修饰
将铝合金在3份溶胶中浸泡20 min,用浸渍-提拉法制备复合涂层,室温晾干。以正十二烷基三甲氧基硅烷(含量为93.0%)、正辛基三乙氧基硅烷(含量为97.0%)、十六烷基三甲氧基硅烷(含量为95.0%)、十七氟癸基三甲氧基硅烷(含量为97.0%)、聚氧乙烯单-4-辛基苯基醚(含量为70.0%)为修饰剂(编号依次为1～5),以异丙醇(分析纯)为溶剂;将复合涂层在2%修饰剂中浸20 min,进行表面修饰,然后取出室温下自然风干,置入DHG-9140型电热恒温干燥箱,100 ℃烘1 h,取出自然冷却至室温;用石蜡和松香封边。
1.2 复合涂层的性能测试与表征
通过SL100C型光学接触角测定仪测量复合涂层的水接触角,并分析其疏水性能。用QUANTA200型扫描电镜观察复合涂层的微观形貌。用CHI750型电化学工作站测定复合涂层的电化学腐蚀行为:三电极体系,以铂电极为辅助电极,饱和甘汞电极为参比电极,试样为工作电极,面积1 cm2;介质为3.5%NaCl溶液。
2 结果与讨论
2.1 5种修饰剂对3种复合涂层疏水性能的影响
图1为5种修饰剂对纳米 SiO2 ,纳米 TiO2 及MWCNTs-OH复合涂层疏水性能的影响。从图1可以看出:1～4号修饰剂一定程度上增加了复合涂层的疏水性能,其水接触角都大于90°,具有良好的疏水性能,这是因为4种修饰剂都含有一定量的疏水基团,复合涂层经过修饰,表面自由能降低,疏水性能增加,但是不同的修饰剂疏水基团不同,对涂层疏水性能的改变幅度也不同,所以4号修饰剂对3种复合涂层的疏水性能效果最好,相应的接触角达到了120.95°,121.62°和 146.58°,均大于 120°,表明3种复合涂层表面都具有超疏水性能。其原因是4号修饰剂在涂层表面形成了大量的疏水性氟基团,更大幅度地降低了复合涂层表面的自由能;5号修饰剂由于亲水性良好,使涂层的亲水性加强,因而使其接触角都小于90°。
2.2 盐水浸泡对3种修饰复合涂层疏水性能的影响
以4号修饰剂修饰的3种复合涂层为例,其在3.5%NaCl溶液中的疏水性能与浸泡时间的关系见表1。从表1可知,3种复合涂层修饰前后的水接触角都随其浸泡时间的延长有一定的降低:修饰前复合涂层的水接触角下降很快,浸泡前水接触角都大于90°,具有疏水性,浸泡6 h后,前两者降至90°以下;浸泡时间越长,水接触角越小,浸泡为25 h,分别降至21.31°,17.72°和37.03°,远低于90°,已由疏水性转变为亲水性;修饰后的3种复合涂层随着浸泡时间的延长,水接触角降低的幅度非常小,浸泡15 h后,基本趋向稳定,浸泡25 h时,分别降至102.14°,102.75°和126.28°,依然大于90°,仍具有较好的疏水性能,其中MWCNTs-OH复合涂层的水接触角仍然大于120°,具有超疏水性,而纳米 SiO2 和纳米 TiO2 复合涂层已由浸泡前的超疏水性降为疏水性。
由上可以认为,良好的疏水性能需要基础涂层及涂层表面合理的修饰共同作用才能获得和维持,仅用一种方法往往不行。
图2为以上3种复合涂层的SEM形貌。从图2可以看到,3种复合涂层表面都没有开裂和气孔等缺陷,且较厚实,致密性良好,在铝合金表面形成了良好的保护膜,与铝合金结合性很强。图2a,2b显示,复合涂层表面有白色颗粒,这主要是由纳米 SiO2、纳米 TiO2 粒子团聚而引起的。图2c中没有这些颗粒,说明 MWCNTs-OH在复合涂层中分散性更好,表面致密、平整,对基体的保护效果优于前2种,这与其前面的疏水性能最强相一致。
2.3 3种复合涂层的防护性能
2.3.1 浸泡初期的极化曲线
将4号修饰剂修饰的3种复合涂层置于3.5%NaCl溶液中浸泡,初期的极化曲线见图3,拟合的数据见表2。由图3和表2可以看出:铝合金在腐蚀性介质中阳极表现为金属失电子溶解,阴极表现为析氢去极化过程,腐蚀电位最负,耐腐蚀性最差;3种复合涂层的腐蚀电位均较铝合金明显正移,腐蚀电流密度降低了3个数量级,极化电阻增加了2～3个数量级。这表明3种复合涂层明显提高了铝合金的耐蚀性,MWCNTs-OH 复合涂层的腐蚀电流密度虽比纳米 TiO2 复合涂层偏大一点,但腐蚀电位正很多,极化电阻也明显大,因而对铝合金的防护效果最好。总之,3种复合涂层都对铝合金有非常好的防护,但防护程度有一定的差异。
2.3.2 浸泡初期后的极化曲线
图4为纳米 SiO2 复合涂层在3.5%NaCl溶液中经初期浸泡后的极化曲线。由图4可以看出:浸泡时间对纳米SiO2复合涂层的腐蚀电位影响较小,腐蚀电位集中在-0.5～-0.6 V;浸泡25 h时,腐蚀电位最负,可能是纳米 SiO2 复合涂层有了轻微破坏,少量的腐蚀液渗到铝合金表面,发生了反应,同时腐蚀电流密度也有一定的升高, 由初期的 3.309×10-8A/cm2 升为 1.469×10-6A/cm2,防护性有所降低。其实,浸泡初期的腐蚀电位并非最正,纳米SiO2复合涂层浸泡,刚开始不稳定,后来逐渐向饱和稳定的状态转变;刚浸入3.5%NaCl溶液时,纳米SiO2复合涂层吸入了少量腐蚀液,导致腐蚀电位偏负,随着浸泡时间的延长,和腐蚀溶液之间逐渐形成了一种平衡,使腐蚀电位逐渐变正,且维持在 一定的范围内,仅作微弱变化,此时水接触角也趋于稳定,处于动态平衡。
图5为纳米 TiO2复合涂层在 3.5%NaCl溶液中浸泡的极化曲线。由图5可看出,随着浸泡时间的延长,腐蚀电位有一定变化,且较纳米 SiO2 复合涂层的大:浸泡20 h时,TiO2复合涂层的腐蚀电位向负向变化的趋势增大,浸泡25 h时,腐蚀电位已小于-0.7 V。这表明纳米 TiO2 复合涂层已逐渐遭到破坏,腐蚀溶液已渗到铝合金表面,产生了腐蚀,其腐蚀电流密度由浸泡初期的1.081×10-8 A/cm2 变为2.330×10-6A/cm2,但相对于铝合金还是较低,依然能有一定的防护作用。
图6为 MWCNTs-OH复合涂层在 3.5%NaCl溶液中浸泡的极化曲线。从图6可以看出,随着浸泡时间的延长,其腐蚀电位逐渐负移:浸泡时间为10 h时,腐蚀电位降到-0.5 V左右,浸泡时间再延长,腐
蚀电位趋于稳定,并维持在-0.5～-0.6 V;腐蚀电流密度在不同浸泡时间下的变化幅度都很小,浸泡初期为1.155×10-8 A/cm2,浸泡25 h后为9.579×10-8A/cm2。由此可见,MWCNTs-OH复合涂层阻断了腐蚀溶液的渗透,防止了其对铝合金的腐蚀。
2.3.3 不同浸泡时间的腐蚀电流密度
图7为3种复合涂层在3.5%NaCl溶液中浸泡不同时间的腐蚀电流密度。从图7可以看出,随着浸泡时间的延长,3种复合涂层的腐蚀电流密度都逐渐增加:纳米 SiO2 复合涂层和纳米 TiO2 复合涂层浸泡20 h时,腐蚀电流密度快速上升,防护性能逐渐降低;MWCNTs-OH复合涂层的腐蚀电流密度随浸泡时间的延长基本维持稳定,表明腐蚀溶液难以渗至基体,其防护性能和疏水性能均良好。
由上可见,3种复合涂层对铝合金都具有较强的防护性能,但随着在浸泡时间的延长,防护性能的下降趋势不同:纳米SiO2复合涂层和纳米 TiO2 复合涂层下降偏大,MWCNTs-OH复合涂层下降很微弱,仍具有良好的防护性能,这与前面的疏水性分析结果相一致。对3种复合涂层表面修饰,在提高其表面疏水性能的同时,没有降低对铝合金的防护性能,表明得到了疏水性能和防护性能均优的纳米颗粒掺杂有机-无机复合涂层,其中以 MWCNTs-OH复合涂层的防护性能为最佳。
3 结 论
十七氟癸基三甲氧基硅烷修饰剂能提高3种复合涂层的疏水性能。3种复合涂层修饰后在 3.5%NaCl溶液中都具有良好的疏水性能和防护性能,其中以MWCNTs-OH复合涂层的为最好。
参考文献
[1]李恒,李澄,郑顺丽,等.热处理温度对铝合金纳米TiO2复合涂层耐蚀性的影响[J].材料保护,2010,43(12):51～53.
[2]王秀华,孙红霞,沈业青,等.铝合金表面新型有机-无机杂化纳米SiO2涂层的制备及其性能[J].材料保护,2008,41(7):42～44.
[3]潘建平,彭开萍,陈文哲.溶胶-凝胶法制备薄膜涂层的技术与应用[J].腐蚀与防护,2001,22(8):339～342.
[4]李青,黄元龙.溶胶-凝胶法与金属表面改性[J].电镀与涂饰,1997,16(1):47～55.
[5]李澄,周一扬,黄明珠.SiO2-TiO2-ZrO2涂层的制备及其特性[J].材料保护,2002,35(5):7～9.
[6]Tan A L K,SoutarA M,Annergren I F,et al.Multilayersol-gel coatings for corrosion protection of magnesium[J].Surface&Coatings Technology,2005,198(1～3):478～482.
[7]Supplit R,Koch T,Schubert U.Evaluationof the anticor-rosive effect of acid pickling and sol-gel coating on magne-sium AZ31 alloy[J].Corrosion Science,2007,49(7):3 015～3 023.