[發明專利]一種適用于鐵基復雜結構部件的仿生復合阻氚涂層及其制備方法

有效

• 申請號: 201811324769.3
• 申請日: 2018-11-08
• 公開（公告）號: CN109594064B
• 公開（公告）日: 2021-02-26
• 發明（設計）人: 吳宜燦;王偉;劉少軍;胡麗琴;王芳
• 申請（專利權）人: 中國科學院合肥物質科學研究院
• 主分類號: C23C18/12
• 分類號: C23C18/12
• 代理公司: 北京理工大學專利中心 11120
• 代理人: 張潔;仇蕾安

本發明公開了一種適用于復雜部件的仿生復合阻氚涂層及其制備方法，屬于涂層技術領域。所述涂層由片狀納米石墨烯和Er₂O₃陶瓷涂層組成，片狀納米石墨烯均勻的分散在Er₂O₃陶瓷涂層中。所述方法首先通過鉀鹽石墨層間化合物與四氫呋喃混合制備均勻分散的石墨烯的四氫呋喃溶液；其次將四水合醋酸鉺、乙二醇單甲醚和二乙醇胺制成醋酸鉺溶膠，再與均勻分散的石墨烯的四氫呋喃溶液混合；隨后，將經過表面處理的鐵基復雜部件浸入石墨烯均勻摻雜的醋酸鉺溶膠中，利用浸漬提拉鍍膜法將鐵基復雜部件表面鍍膜；最后經烘干、高溫退火處理后得到。本發明所述涂層具有優良的韌性，所述方法工藝簡單，適合鐵基復雜部件表面涂層的制備。

技術領域

本發明涉及一種適用于鐵基復雜結構部件的仿生復合阻氚涂層及其制備方法，屬于涂層技術領域。

背景技術

自然界貝殼、骨骼等天然陶瓷材料，是基于硬材料(碳酸鈣)與軟材料(生物高分子)的復合，可大幅增加其韌性。例如貝殼的珍珠層是有硬脆的碳酸鈣和軟相有機物組成的“磚-泥”結構，其斷裂韌性是碳酸鈣陶瓷的3000倍。生物骨骼也是由碳酸鈣和纖維層組成的復合材料，當微裂紋擴展到顯微層時，纖維層阻礙裂紋繼續擴展或改變裂紋拓展方向，使骨骼具有較高強韌性。受此啟發，研究發現，將碳納米材料如碳納米管、石墨烯等與陶瓷材料復合，構成骨骼仿生的纖維層復合結構，可有效提高陶瓷材料的強度和韌性等。

石墨烯納米材料由于優良的力學性能，在復合材料中可有效阻礙或抑制裂紋擴展，有效改善陶瓷材料的韌性、延展性、增強陶瓷材料的熱沖擊阻抗。通過裂紋擴展行為分析表明裂紋擴展到石墨烯界面時具有以下不同行為：1)增加應力，拉斷石墨烯；2)改變擴展路徑繞過石墨烯；無論哪種行為，都有效阻礙了裂紋擴展，提高材料的斷裂韌性。

氧化鉺陶瓷材料由于具有熱力學穩定性高(在2300℃以下不會發生相變)、能明顯阻止氫及其同位素滲透、與液態Li的相容性好、同時在中子輻照下能保持原有的電絕緣性，氧化鉺陶瓷材料被認為是一種新型的防氫及其同位素滲透材料，在未來聚變堆以及鉛鋰產氚堆中具有廣泛的應用前景。相關研究表明1μm厚的氧化鉺陶瓷涂層可使鐵基結構材料的氫滲透因子降低1000倍。然而，目前的氧化鉺陶瓷涂層研究存在以下問題：首先陶瓷材料普遍存在斷裂韌性低等問題。在長期服役過程中，氧化鉺陶瓷涂層由于應力累積損傷引發裂紋萌生和擴展，逐漸導致其開裂脫落，降低了氧化鉺陶瓷涂層的使用壽命以及防氫及其同位素滲透的能力。為提高氧化鉺陶瓷涂層使用壽命、減少其在長期服役過程中偶發裂紋對其功能的影響，亟需進一步提高氧化鉺陶瓷涂層韌性。其次，目前報道的文獻都是在簡單的片狀鐵基樣品表面制備高質量的氧化鉺陶瓷涂層，在鐵基復雜結構部件如彎管、葉片等表面制備高質量的氧化鉺陶瓷涂層尚未見報道。

發明內容

有鑒于此，本發明的目的在于提供一種適用于鐵基復雜結構部件的仿生復合阻氚涂層及其制備方法。本發明首先利用靜電排斥作用將石墨烯均勻分散在醋酸鉺溶膠中，隨后將經過表面處理的鐵基復雜結構部件浸入石墨烯摻雜的醋酸鉺溶膠溶液中，利用浸漬提拉鍍膜法將鐵基復雜結構部件表面鍍上所需厚度的涂層。由于液態溶膠優異的流動性，使石墨烯摻雜的醋酸鉺溶膠均勻的涂敷在鐵基復雜結構部件表面。最后經過烘干、結晶處理，最終在鐵基復雜結構部件表面獲得石墨烯復合Er₂O₃涂層。此外，由于石墨烯優異的力學性能，可以改變裂紋擴展路徑、阻礙裂紋擴展，使Er₂O₃陶瓷涂層增韌，緩解了陶瓷基復合材料在應用環境下的損傷性和偶然性，促進了陶瓷涂層的發展，所述制備方法，工藝簡單、易操作，適合鐵基復雜結構部件表面涂層制備。

為實現上述目的，本發明的技術方案如下：