[发明专利]一种杂化碳纳米管增强耐磨减摩陶瓷涂层及制备方法

说明书

本发明公开了一种杂化碳纳米管增强耐磨减摩陶瓷涂层及制备方法，属于金属陶瓷涂层技术领域。本发明通过溶胶‑凝胶法制备微米氧化锌溶胶，然后与经过混酸氧化法处理的杂化碳纳米管反应生成氧化锌/碳纳米管复合物，并进一步作为纳米添加剂加入到胶粘陶瓷涂层中，固化得到耐磨减摩陶瓷涂层。与未杂化处理的碳纳米管增强陶瓷涂层相比较，本发明制备的杂化碳纳米管增强耐磨减摩陶瓷涂层，与涂层陶瓷相结合强度高，无论室温还是高温环境下，均可以显著降低摩擦系数和磨损率，可以应用于各种承受冲击和磨损零件表面，应用前景十分广阔。

技术领域

本发明涉及一种杂化碳纳米管增强耐磨减摩陶瓷涂层及制备方法，属于金属陶瓷涂层技术领域。

背景技术

工业水平快速发展对金属零部件的性能要求也越来越高，在能源行业、航空航天、电力、冶金化工工业中，机械设备不可避免地受到磨损破坏，大大降低了设备的使用寿命，同时机械设备可靠性受到严重挑战，而设备的保养和修复同样带来极大的成本压力。因此开发出一种高性价比、低能耗、易于现场施工的耐磨损、耐腐蚀和耐高温的涂层技术以保证工程设备和构件长期稳定服役迫在眉睫。同时此类涂层技术也是国内外金属材料科学研究领域的研究热点之一。

胶黏陶瓷涂层，由于制备简单，不需要结构复杂的涂覆设备，操作要求低，同时对于施工对象以及场所基本没有要求，而且其固化温度低，不会产生残余热应力，节约能源等优点得到材料保护领域研究学者的青睐，此技术也被广泛应用于船舶、冶金、核电、航空航天、石油化工等领域中。

由于胶黏陶瓷涂层制备所用粘结剂仍为无机粘结剂，相对于有机粘结剂，其耐磨性能仍有一定差距。但是有机粘结剂耐高温性能差，高温条件下无法使用，而无机粘结剂在高温条件下，由于热应力影响，服役一段时间也会产生裂纹，在摩擦作用下，造成大面积的磨损。为了进一步获取具有优异耐磨减摩性能，特别是高温条件下耐磨的胶黏陶瓷涂层，通过在胶黏陶瓷涂层中植入耐磨减摩性能的功能性添加剂成为行之有效的方法之一。碳纳米管，具有良好的自润滑性、耐磨损、耐腐蚀等特性，得到广大学者的青睐。然而碳纳米管表面很难与其它材料牢靠结合，因此将碳纳米管添加在涂层中，容易发生碳纳米管和涂层相结合不牢靠，甚至结合面存在间隙，虽然可以一定程度提高涂层相应性能，但这种弱结合无法充分发挥高强度的碳纳米管提高涂层抗裂纹和耐磨性的优势。因此，开发一种碳纳米管/涂层相结合牢靠的陶瓷涂层是涂层耐磨损性能有效途径之一，也是提升陶瓷服役寿命关键办法之一。

目前，在添加碳纳米管涂层方面，取得了一定的研究进展。在无机陶瓷涂层领域，中国专利(CN201710140531.4)将石墨烯/碳纳米管添加到氧化铝陶瓷涂层中，获得耐磨耐腐蚀陶瓷涂层。然而专利中并未对提高碳纳米管与涂层相结合强度展开研究。中国专利(CN201710839455.6)报道了碳纳米管增韧金属基陶瓷涂层的制备方法，但仍然未提出提高碳纳米管与涂层相结合强度有效办法。此外，碳纳米管在有机涂层中应用也十分广泛。其中中国专利(CN201510991985.3)报道了一种SiO₂包覆多壁碳纳米管-环氧树脂复合涂层的制备方法，其专利通过溶胶-凝胶法将SiO₂包覆于多壁碳纳米管表面，然后加入到环氧树脂中，得到相应的复合涂层。该复合涂层具有较好的抗渗透性能，较大程度的提高了复合涂层的阻抗性能,同时其抗冲击性能以及热稳定性能也有所提高。虽然专利中对碳纳米管进行表面杂化修饰，但并不能通过该方法提高碳纳米管和涂层相结合强度。另外中国专利(CN201810612294.1)公开了一种纳米杂化材料改性环氧树脂自润滑复合涂层及其制备方法，通过水热法制备出碳纳米管/氧化石墨烯/二硫化钼纳米杂化材料，将碳纳米管/氧化石墨烯/二硫化钼纳米杂化材料加入环氧树脂中，获得高减摩耐磨环氧树脂自润滑复合涂层，所得到的复合涂层致密、均匀，表现出低的摩擦系数和高的抗磨性能。此专利也仅是利用碳纳米管/氧化石墨烯/二硫化钼三种材料均具备耐磨减摩特性，通过杂化的办法提高基体中碳纳米管/氧化石墨烯/二硫化钼协同耐磨减摩特性，并未从根本上解决提高碳纳米管和涂层相结合强度。综上所述，碳纳米虽然已广泛应用与耐磨减摩涂层中，但仍存在碳纳米管和涂层相结合强度低的问题，无法充分发挥碳纳米管增强涂层抗裂纹和耐磨性特征。