[發(fā)明專利]在石墨表面制備硬質(zhì)金屬碳化物涂層的方法

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• 申請日: 2021-06-16
• 公開（公告）號: CN113582727A
• 公開（公告）日: 2021-11-02
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 吳振宇;陳益鋼;卿鏵文
• 申請（專利權(quán)）人: 上海大學
• 主分類號: C04B41/87
• 分類號: C04B41/87
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙) 31205
• 代理人: 顧勇華

本發(fā)明公開了一種在石墨材料表面制備硬質(zhì)金屬碳化物涂層的方法，將石墨材料埋入以硼砂為基鹽的混合鹽浴中，并加熱至熔融狀態(tài)，進行涂層的制備反應。反應一段時間后，取出石墨樣品，淬火至室溫，洗凈樣品表面殘鹽后干燥，即可在石墨表面獲得一層致密耐磨的金屬碳化物涂層。本發(fā)明方法用于多種含碳材料表面致密化改性，制備工藝簡單、設(shè)備要求低、成本低廉。所制備的金屬碳化物涂層具有極高的硬度和極佳的耐磨性能，和優(yōu)良的耐腐蝕性能；本發(fā)明方法廣泛應用于各種復雜惡劣環(huán)境下及相關(guān)特種應用條件，包括航空航天工程和惡劣海洋環(huán)境。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于材料表面改性和薄膜材料制備的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種在石墨材料表面制備硬質(zhì)金屬碳化物涂層的方法。

背景技術(shù)

石墨材料具有導電導熱性好、熱膨脹系數(shù)低、抗熱震性優(yōu)良、耐腐蝕、密度低、化學穩(wěn)定性好等優(yōu)點，在電子、機械、冶金、石油化工、半導體、核工業(yè)、以及航空航天等各種國防民用領(lǐng)域得到了廣泛的應用。與金屬材料相比，石墨材料質(zhì)地柔軟，硬度低，易于加工，這些優(yōu)良的理化特性使得石墨在人類的生產(chǎn)生活和未來的發(fā)展中發(fā)揮著舉足輕重的作用。但是石墨材料由于其潤滑特性和強度較低，在使用過程中容易產(chǎn)生粉末和碎屑，從而對其自身的力學強度和穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。尤其是當石墨被用于相對惡劣的環(huán)境中，如模具、耐腐蝕保護層等，這大大限制了其在機械、力學和腐蝕科學等領(lǐng)域的深度應用。一般石墨材料的改性的方法主要分為兩大類：基體改性法和表面涂層法。

基體改性法是指在基體中加入添加劑，如在材料基體中加入一些氧化物或填充陶瓷物質(zhì)，使得材料的高溫抗氧化性能得到改善或者增強。但是，這些添加劑一般會降低石墨材料本身的一些優(yōu)良特性。比如，這些廣泛使用的添加劑大多數(shù)都是優(yōu)良的絕緣體，當添加進基體中時會致使石墨的導電性能的降低。

涂層法則是目前使用最廣泛的石墨表面改進方法。該方法是在基體表面制備不同于基體材質(zhì)的涂層，以期實現(xiàn)防護、隔離、增強、改性等功能，其基本原理如圖1所示。

目前涂層法表面改進技術(shù)主要有以下幾種：漿料涂刷法、溶液浸漬法、粉末包埋法、化學氣相沉積法(CVD)等。其中，漿料涂刷法工藝簡單，操作方便，無需專門的設(shè)備。但是，由于其涂覆時的覆蓋均勻性較差，很容易導致所制備的涂層開裂。該方法目前主要還是停留在手工涂覆的階段，且大都停留在滿足少數(shù)特定需求上，無法實現(xiàn)大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化應用。溶液浸漬法多用于石墨材料在500-1200℃中低溫域下的抗氧化。由于其原理上的限制，該方法無法實現(xiàn)石墨表面硬質(zhì)涂層的制備。包埋法是目前石墨表面致密化改性處理中廣泛使用的方法，但是該方法所制備的涂層界面結(jié)合力差，易開裂脫落；在制備過程中高溫下生成的涂層會導致基體熱應力大，影響涂層的使用壽命。同時包埋法對高溫條件、真空系統(tǒng)和氣體保護系統(tǒng)有一定的要求。這些缺陷也大大限制了包埋法的適用范圍。而化學氣相沉積所制備的涂層會存在與石墨基體結(jié)合力差，易脫落這樣的難以解決的原理性問題，同時該方法對設(shè)備要求高，原料存在一定的毒性和環(huán)境危害問題。這些缺點進一步制約了其在實際生產(chǎn)中的應用。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決現(xiàn)有技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)存在的不足，提供一種在石墨表面制備硬質(zhì)金屬碳化物涂層的方法，石墨材料由于質(zhì)地柔軟，具有潤滑的特性，在使用的過程中可能會帶來一些問題。比如電子真空泵中的石墨轉(zhuǎn)子會因為運轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)的粉末碎屑導致轉(zhuǎn)子碎裂。傳統(tǒng)的石墨表面改性技術(shù)會破壞石墨本身的許多優(yōu)良性能，如導電性、導熱性，耐腐蝕性等。因此，本發(fā)明目的是在保持石墨材料自身優(yōu)良特性的同時，提升其力學性能。

為達到上述目的，本發(fā)明采用如下發(fā)明構(gòu)思：

本發(fā)明方法的基本原理是：金屬氧化物在高溫下的熔融鹽中與還原劑發(fā)生氧化還原反應，形成金屬單質(zhì)，并與熔融鹽中浸沒的石墨材料發(fā)生反應，在其表面生成金屬碳化物涂層。