[发明专利]一种适用于铁基复杂结构部件的仿生复合阻氚涂层及其制备方法

说明书

本发明公开了一种适用于复杂部件的仿生复合阻氚涂层及其制备方法，属于涂层技术领域。所述涂层由片状纳米石墨烯和Er₂O₃陶瓷涂层组成，片状纳米石墨烯均匀的分散在Er₂O₃陶瓷涂层中。所述方法首先通过钾盐石墨层间化合物与四氢呋喃混合制备均匀分散的石墨烯的四氢呋喃溶液；其次将四水合醋酸铒、乙二醇单甲醚和二乙醇胺制成醋酸铒溶胶，再与均匀分散的石墨烯的四氢呋喃溶液混合；随后，将经过表面处理的铁基复杂部件浸入石墨烯均匀掺杂的醋酸铒溶胶中，利用浸渍提拉镀膜法将铁基复杂部件表面镀膜；最后经烘干、高温退火处理后得到。本发明所述涂层具有优良的韧性，所述方法工艺简单，适合铁基复杂部件表面涂层的制备。

技术领域

本发明涉及一种适用于铁基复杂结构部件的仿生复合阻氚涂层及其制备方法，属于涂层技术领域。

背景技术

自然界贝壳、骨骼等天然陶瓷材料，是基于硬材料(碳酸钙)与软材料(生物高分子)的复合，可大幅增加其韧性。例如贝壳的珍珠层是有硬脆的碳酸钙和软相有机物组成的“砖-泥”结构，其断裂韧性是碳酸钙陶瓷的3000倍。生物骨骼也是由碳酸钙和纤维层组成的复合材料，当微裂纹扩展到显微层时，纤维层阻碍裂纹继续扩展或改变裂纹拓展方向，使骨骼具有较高强韧性。受此启发，研究发现，将碳纳米材料如碳纳米管、石墨烯等与陶瓷材料复合，构成骨骼仿生的纤维层复合结构，可有效提高陶瓷材料的强度和韧性等。

石墨烯纳米材料由于优良的力学性能，在复合材料中可有效阻碍或抑制裂纹扩展，有效改善陶瓷材料的韧性、延展性、增强陶瓷材料的热冲击阻抗。通过裂纹扩展行为分析表明裂纹扩展到石墨烯界面时具有以下不同行为：1)增加应力，拉断石墨烯；2)改变扩展路径绕过石墨烯；无论哪种行为，都有效阻碍了裂纹扩展，提高材料的断裂韧性。

氧化铒陶瓷材料由于具有热力学稳定性高(在2300℃以下不会发生相变)、能明显阻止氢及其同位素渗透、与液态Li的相容性好、同时在中子辐照下能保持原有的电绝缘性，氧化铒陶瓷材料被认为是一种新型的防氢及其同位素渗透材料，在未来聚变堆以及铅锂产氚堆中具有广泛的应用前景。相关研究表明1μm厚的氧化铒陶瓷涂层可使铁基结构材料的氢渗透因子降低1000倍。然而，目前的氧化铒陶瓷涂层研究存在以下问题：首先陶瓷材料普遍存在断裂韧性低等问题。在长期服役过程中，氧化铒陶瓷涂层由于应力累积损伤引发裂纹萌生和扩展，逐渐导致其开裂脱落，降低了氧化铒陶瓷涂层的使用寿命以及防氢及其同位素渗透的能力。为提高氧化铒陶瓷涂层使用寿命、减少其在长期服役过程中偶发裂纹对其功能的影响，亟需进一步提高氧化铒陶瓷涂层韧性。其次，目前报道的文献都是在简单的片状铁基样品表面制备高质量的氧化铒陶瓷涂层，在铁基复杂结构部件如弯管、叶片等表面制备高质量的氧化铒陶瓷涂层尚未见报道。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种适用于铁基复杂结构部件的仿生复合阻氚涂层及其制备方法。本发明首先利用静电排斥作用将石墨烯均匀分散在醋酸铒溶胶中，随后将经过表面处理的铁基复杂结构部件浸入石墨烯掺杂的醋酸铒溶胶溶液中，利用浸渍提拉镀膜法将铁基复杂结构部件表面镀上所需厚度的涂层。由于液态溶胶优异的流动性，使石墨烯掺杂的醋酸铒溶胶均匀的涂敷在铁基复杂结构部件表面。最后经过烘干、结晶处理，最终在铁基复杂结构部件表面获得石墨烯复合Er₂O₃涂层。此外，由于石墨烯优异的力学性能，可以改变裂纹扩展路径、阻碍裂纹扩展，使Er₂O₃陶瓷涂层增韧，缓解了陶瓷基复合材料在应用环境下的损伤性和偶然性，促进了陶瓷涂层的发展，所述制备方法，工艺简单、易操作，适合铁基复杂结构部件表面涂层制备。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：