陶瓷复合涂层的制备方法

刘乃强　　吴修德　　魏世忠　　吴　　亮　　王　　西

（长江大学，荆州434023）

陶瓷复合涂层的制备方法

刘乃强吴修德魏世忠吴亮王西

（长江大学，荆州434023）

简介制备陶瓷复合涂层的方法，探析其基本原理和优缺点，以期为相关研究提供借鉴。关键词：陶瓷复合涂层制备方法原理

引言

近年来，材料的工作环境越来越恶劣。单一的金属材料不耐高温，腐蚀速率快，耐磨性不好，已经不能满足现今社会对材料的需求。研究新型材料是解决社会材料要求的最佳途径。陶瓷材料耐高温、腐蚀速率低及耐磨性良好，因此金属表面有了陶瓷涂层保护，就有了有两种材料的优点，大大提高了使用寿命和安全系数。

1制备陶瓷复合涂层技术

如何制备结合两种材料优点的复合材料，成为摆在人们面前的难题。到目前为止，人们研究出的多种方法各有优缺点。国内外普遍使用的金属和陶瓷复合材料制备的方法有喷涂法、化学气相沉积法、物理气相沉积法、复合镀层、溶胶凝胶法、高温熔烧法、热化学反应法（粘结法）等。我国早在秦代制造大型彩绘铜车马过程中，使用过无机胶粘剂。北美在20世纪初开始深入研究。1939年，美国率先用等离子喷涂法应用于航天，现在已经成功应用于航天、医疗、石油、电子和汽车等。

1.1喷涂法

喷涂法是涂层材料通过高温高压形成融化或雾状的粒子流，用专门的喷涂设备制造极高的速度，喷涂在金属基体表面。常见的喷涂法形式不同，有火焰形式、等离子形式、用电形式和气体爆炸形式等。

喷涂法具有以下优点：

（1）由于喷涂有很多方法，适宜喷涂的材料也很多，如陶瓷、金属、塑料、玻璃和它们相互组合，材料可以喷多样涂层；

（2）由于其独特的方法，可以喷涂小物件也可以喷涂大型物，涂层厚度可以通过多次喷涂达到想要的厚度；

（3）由于采用的是火焰，这对所喷涂零件热变形影响小；

（4）使用设备方便，易操作，涂层形成效率高。

当然，喷涂法也有一定的缺点：喷涂作业产生大量粉尘和有害物质，对环境产生影响；喷涂材料不能被有效利用，浪费材料。

热喷涂技术虽发展历史较短，但自80年代以来，从单一喷涂方法的研究发展到了复合喷涂。涂层开始是为了保护材料，现在可以作为各种功能件使用。随着涂层质量和功能的发展，它的应用越来越广泛。

1.2 CVD法

CVD法是高温条件下特殊材料变为气体，和基体的表面产生反应，分解材料气体某些成分，附着在基体表面，粘结形成一层金属或者陶瓷涂层。根据化学反应时的条件不同，有常压的反应、低压的反应、高温的反应以及用等离子、超声波、脉冲和激光等。

CVD法用到化学平衡和化学动力学，受多重因素影响，如设备、气压、温度、气体和基体选择等。CVD法大体过程是反应气体由气相主体扩散流动，附着在基体表面，附着物之间或者附着物与气态物质之间产生化学反应，附着物从基体表面分解出来，扩散生成的气体引出到气相主体。这比较简单地说明了CVD工艺中的现象。

化学气相沉积法有很多优点：

（1）涂层材料种类多样化，可以形成金属、陶瓷和它们组合的涂层；

（2）可排列晶体结构，也可以排列结晶方向；

（3）可改变涂层的密度，可以控制涂层的纯度；

（4）材料形状不受限制；

（5）涂层均匀附着在基体表面，涂层与基体粘接强度高。

化学气相沉积也有缺点：涂层形成时间长，涂层很薄，晶体易缺陷和涂层容易含有很多杂质等，且某些金属产生的化合物活性高，易产生有害气体和液体，有一定的危险性。这些缺点往往制约了它的应用。目前，CVD法在表面科学与工程中得到了很大应用。

1.3 PVD法

物理气相沉积法（PVD法）根据条件不同，可分为三种方法：离子镀法、溅射法和蒸镀法。

离子镀法是在电子束的作用下，使陶瓷材料蒸发变成原子，把基体表面离子体进行离子化，利用电场使陶瓷材料原子附着在基体表面的涂层。

溅射法是利用动量，将陶瓷材料变为原子，进行溅射，沉积，在基体表面形成涂层。

蒸镀法是在电子束作用下，使材料成为粒子，沉积在基体表面上形成涂层。

物理气相沉积法有以下特点：

（1）可以控制涂层的密度和纯度；

（2）基体形状不受限制；

（3）比CVD法绿色安全；

（4）晶体缺陷小。

物理气相沉积法对气压要求很高。如果气压不同，薄膜涂层成分也不一样。因为离子直接附着在基体上，薄膜附着能力差。随着陶瓷涂层的发展，化学和物理气相沉积法互相渗透，化学气相沉积法加入物理过程出现了物理化学气相沉积法技术，物理气相沉积法技术中也可以有化学过程，使这两种涂层制备技术优势互补。

1.4复合镀层

复合镀层（Composite coating）需要含有分散均匀陶瓷微粒的镀液。通过电镀或化学镀，基体表面形成陶瓷镀层。

复合镀层的特点：

（1）使用设备简单；

（2）由于是在溶液中进行，材料形状复杂度不受限制；

（3）镀层密度高。

该技术制备较大厚度的覆层材料比较困难，镀液和填料难配比，催化剂、pH值、温度及搅拌方式对粒子的沉积有不同程度的影响。目前，复合镀层具有广泛用途，已被用于各行各业。

1.5溶胶凝胶法

溶胶凝胶法（Sol-Gel法）是易水解的金属醇盐或无机盐水解在水里，再经缩聚反应，形成溶胶。在基体表面涂抹上这种胶体，涂层通过干燥再进行热处理而形成。

该方法具有以下特点：

（1）反应条件温和，很容易实现；

（2）由于是在溶液胶体中进行，填料分散均匀，不会产生杂质；

（3）成分可精确控制；

（4）所需设备简单，操作方便。

该技术制备的涂层壁较薄，但是可以多次涂抹；制备周期长，从溶胶到均匀，再到最后的凝胶，需要较长时间；干燥时容易产生裂缝，热处理时容易产生气孔。溶胶—凝胶法制备涂层是最有发展潜力的，目前在科学家高度关注下蓬勃发展。

1.6高温熔烧法

高温熔烧法（High-temperature fusion法）是把涂层各种原料按一定的配比变成浆状物质，在基体表面均匀涂抹，经过高温高压进行熔烧而产生的涂层。

这种方法的优点：

（1）使用设备简单、操作简单；

（2）涂层原料配比要求不高，可进行大规模生产；

（3）涂层原料多样化，有硅酸盐、氧化物、非氧化、梯度陶瓷；

（4）涂层破损，修补方法简单，通过高温处理，也可以基体表面填补后再经过高温处理。

由于该方法环境恶劣，基料有很大限制，且反应物不均匀和不完全，在制备过程中很容易产生裂缝和气泡。高温熔烧法制备陶瓷涂层技术时，材料的耐磨性和硬度得到了有效提升，已经实际应用到核工业、冶金工业等。

1.7热化学反应法

热化学反应法（Thermochemically formed ceramic coatings）是一种或几种涂层材料通过粘结剂产生化学反应，将反应物均匀涂在基体表面，并且牢固粘在基体表面而形成的涂层。目前，国内外众多科研单位用该技术制备陶瓷涂层的方法多样，以制备钢基复合陶瓷涂层为主。

热化学反应法特点：

（1）成本低廉，工艺简单，施工方便；

（2）既有机械结合，也有化学结合，结合牢固，导热性佳；

（3）可以高效、均匀地与钢基体结合。

该方法反应不完全，陶瓷涂层较厚，环境影响很大。随着该技术不断发展，这种制备陶瓷涂层的方法得到了更广泛地应用。

2总结

陶瓷涂层能有效提高基体的耐磨性、耐腐蚀性和耐高温等。然而，陶瓷涂层还处于发展阶段，现有的陶瓷涂层的性能还不能满足现在社会的需要，还需要进一步研究。

（1）配方研究。进一步研究制备陶瓷涂层反应机理和过程，通过大量实验得到最佳配方，进一步优化配方。

（2）优化制作工艺。用更简单的工艺流程提升陶瓷涂层的质量，可以将各种方法相互结合，达到优势互补，共同发展。

（3）设备研究。为陶瓷涂层制备提供更好的反应条件，设备尤为重要。

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［4］徐建梅.溶胶——凝胶法的技术进展与应用现状［J］.地质科技情报，1999，（18）：104-106.

Method for Preparing Ceramic Composite Coating

LIU Naiqiang，WU Xiude，WEI Shizhong，WU Liang，WANG Xi
（Yangtze University，Jingzhou 434023）

Abriefintroductionto thepreparationofceramic compositecoating， thebasicprinciplesandadvantagesand disadvantages of the method，in order to provide reference for the relevant research.

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