[发明专利]一种超疏水陶瓷化涂层及其制备方法

说明书

本发明提供了一种超疏水陶瓷化涂层及其制备方法。本发明的超疏水陶瓷化涂层是在对基体进行预处理后，向基体涂覆或喷涂聚硅氮烷类有机聚合物陶瓷先驱体与填料的混合物，所述填料为二茂铁或钛酸四丁酯，然后在惰性气体保护下对涂覆层进行激光扫描，实现陶瓷化转变，制备得到陶瓷涂层。本发明方法与传统高温烧结方法相比，不用烧结，减少能耗；激光能量集中，热影响区小，不影响基体相的组成，可有效解决单一聚硅氮烷类有机聚合物陶瓷先驱体制备陶瓷涂层时由于激光裂解小分子溢出造成涂层表面出现裂纹和气孔的缺陷，所得陶瓷化涂层具有较高的硬度、耐腐蚀性和优良的超疏水性。

技术领域

本发明涉及应用化学领域，具体涉及涂层制备领域，更具体来说涉及一种具有高硬度、高耐腐蚀性和优良超疏水性的陶瓷涂层及其制备方法。

背景技术

随着机械装备不断向高速、重载、集成化、高精度、长寿命等苛刻方向发展，其摩擦零部件服役的工作环境日益苛刻，单纯金属材料已难以满足要求。在金属零部件表面制备高性能的涂层材料，并赋予其特殊功能，已成为解决金属零部件在苛刻工况下可靠服役的有效途径。

金属具有较高的表面自由能，是典型的固有亲水材料。几乎所有的液体都能轻易地在金属表面铺展并润湿金属表面，容易造成金属氧化和腐蚀而影响机械装备的使用寿命，因此有必要研制疏水性的金属表面材料。超疏水的表面具有防雪、防污染、抗氧化及防止电流传导等特性，可广泛地应用于日常生活、国防及工农业生产等领域中，如高降雪地区的卫星天线、户外标牌或飞机防覆冰等；应用于船舶、舰艇的外壳或管道内壁，可以降低阻力提高速度，具有较高的工程应用价值。

材料亲水性与疏水性的直观示意图见图1，沿液体的切线方向与固液接触界面的夹角称为接触角，接触角90°是材料是否疏水的分界线，当接触角大于90°时，即可成为疏水。要做到材料的超疏水就要求接触角尽可能大，当接触角大于150°时就可以被称之为超疏水。制造超疏水性表面的方法有很多，其原则是表面结构粗糙和材料具有低表面能。即一方面是材料本身具有疏水性，在此基础上提高疏水性；二是先在材料表面形成微纳米结构，再用低表面能物质加以修饰。现有技术已报道利用激光烧蚀制备了超疏水PDMS表面 (林澄,等,皮秒激光制备大面积荷叶结构及其硅橡胶超疏水性压印研究[J].中国激光,2014，41(9):0903007-1-0903007-8.)，也有报道利用飞秒激光制备了不同的PDMS微纳多级表面结构，获得了六种极端润湿特性，如超疏水性、超亲水性、水下超疏油、水下超亲油、水下超疏气和水下超亲气性。

但是常规制备金属超疏水表面，通常需要在金属基体上构建粗糙结构并使用疏水材料对基体表面进行涂覆以降低金属材料的表面自由能，采用的金属表面化学修饰层大多为有机等热稳定性和机械稳定性较低的材料，在恶劣的环境中容易受到破坏失去超疏水性，从而限制其应用。

SiC具有优良的力学性能、热稳定性、传热稳定性和化学稳定性：密度低、弹性模量大、热膨胀吸收小、硬度高(莫氏硬度为9.2-9.3，克氏硬度为3000kg/mm²)、耐蚀性好(耐强酸、强碱，室温下能抵抗任何酸性刻蚀剂)、耐高温(温度低于1600℃时，SiC以为β-SiC 主，热稳定性号；当温度高于1600℃时，β-SiC缓慢转变为α-SiC的各种多型体；当温度为2000℃左右时，易生成4H-SiC的各种多型体；当温度在2100℃以上时，更易生成15R和6H多型体；当温度在2200℃以上时，生成的6H-SiC也很稳定)、以及击穿场强高、热导率大(5W/cm·K，远高于绝大多数半导体材料，室温下高于所有金属)、禁带宽度大、介电常数小等特点，这些性质使SiC可在高温下保持安全可靠，能在高温和腐蚀性环境中正常使用。然而SiC陶瓷材料不具有疏水性，水可以在常规的SiC陶瓷材料表面润湿。有必要研制一种具有超疏水性能的SiC陶瓷材料以应用于航空器、船舶、舰艇等装备制造业，以增加装备的服役期限。

发明内容