[发明专利]抗擦耐磨耐腐蚀抗氧化阻燃吸波多功能纳米复合薄膜材料

说明书

本发明涉及一种纳米复合薄膜材料及其制备方法，特别提供了一种具有抗擦、耐磨、耐腐蚀、抗氧化、阻燃、吸波等多种功能的纳米复合薄膜材料及其制备技术。

有机高分子材料具有密度小、强度高、透明等一系列优点，但由于硬度低，很容易因表面划伤而失去这些性能，同时由于其易燃性也限制了其使用范围。金属材料尤其是钢铁材料在各个领域得到了广泛应用，但是金属材料在各种腐蚀介质会腐蚀失效，在高温氧化气氛下会产生氧化。陶瓷材料材料相对于高分子材料、金属材料具有很高的硬度，其化学稳定性也很高，在这些材料表面一层透明的致密陶瓷薄膜，将克服这些材料的缺点，拓宽其使用范围。传统的技术通常是通过真空溅射或化学气相沉积等的方法来获得这样的陶瓷薄膜的，这类方法的缺点是，需要在真空的环境下进行，生产成本高，对形状复杂、尺寸大的工件无法进行。

溶胶-凝胶法是近些年发展起来制备氧化物薄膜的新的方法，其基本原理是利用金属或非金属元素的盐或烷氧化物的醇溶液水解聚合反应，其中烷氧化物作为原料比较理想，反应过程如下：

        水解

       聚合

M：Si、Al、Zr等，

R：甲基、乙基、异丙基，丁基等

反应的结果是在基体表面形成一层均匀的透明氧化物薄膜。这种工艺的特点是低温成型，设备和工艺简单，可大面积镀膜，适合于工业生产。但这种制备氧化物薄膜的工艺也存在一些不足之处：

由于聚合过程中膜层收缩率大，使膜层-基体之间产生很大的应力，结果降低了膜层与基体之间的结合力，在膜层厚度超过300nm以上时，还会因此产生裂纹。这对于基材的保护尤其是防腐、抗氧化是极为不利的。目前的技术对策是，在溶胶中加入不同的有机基团，形成有机改性的陶瓷薄膜(Omorcerms，德国新材料研究所注册商标)，这可以提高膜层的韧性和成膜性能，防止裂纹的产生。但是有机基团的存在会降低膜层的硬度，使膜层的抗擦伤性能降低，同时，为保证有机基团不分解，膜层的使用温度限制在250℃以下，极大地缩小了薄膜的应用范围。另一方面，目前溶胶凝胶法工艺中，为促进金属烷氧化物的水解聚合过程，通常需要加入一定量的酸或碱作为催化剂，但酸、碱会对许多基体材料(如碳素钢、有色金属)造成腐蚀，使镀膜无法进行。

本发明的目的在于提供一种纳米复合薄膜材料，其集抗擦、耐磨、耐腐蚀、抗氧化、阻燃、吸波等多种功能于一身，因而具有广阔的发展前景。

本发明提供了一种抗擦耐磨耐腐蚀抗氧化阻燃吸波多功能纳米复合薄膜材料，其特征在于材料组成如下：

(a)氧化物薄膜载体材料，选自SiO₂、ZrO₂、Al₂O₃或其复合氧化物；

(b)至少一种纳米陶瓷颗粒添加剂，其尺寸在2nm-100nm之间，

    纳米颗粒选自IIA-IVA族元素、过渡族金属元素的氧化物、碳

    化物、氮化物、碳氮化物、硼化物、硅化物，含量在0.001-50vol％

    之间；

当(b)为氧化物的情况下，(a)和(b)分别来源于不同的元素。

本发明中纳米陶瓷颗粒可以选自Si、Mg、Al、锆、钛的氧化物、碳化物、氮化物、碳氮化物、硼化物、硅化物；较佳选自SiC、Si₃N₄、Si/C/N，尺寸≤50nm；纳米颗粒可以选自以有机硅烷单体或聚合物为硅源合成的SiC、Si₃N₄、Si/C/N；最好是以有机硅烷单体或聚合物为硅源用激光气相法合成的SiC、Si₃N₄、Si/C/N，尺寸为5-30nm。

本发明还提供上述多功能纳米复合薄膜材料的制备方法，其特征在于：纳米粉体经分散后与Si、Zr、Al的盐或烷氧化物的醇溶液混合，加入水和酸或碱形成均匀悬浮液，经过在室温-150℃进行0-30天的回流或静止陈化，通过提拉法、旋转镀膜法、喷镀法、刷镀法或电泳沉积法对不同的基体施镀。基体需经各种方法去除表面的氧化皮、锈迹、油污等，进行干燥处理。