[发明专利]一种利用CO2激光裂解聚硅氧烷材料制备SiOC陶瓷涂层的方法

说明书

本发明涉及一种利用CO₂激光裂解聚硅氧烷材料制备SiOC陶瓷涂层的方法。该方法首先制备聚硅氧烷材料的混合溶液，采用刷涂或喷涂法在铁基金属表面制备涂层A；在惰性气体保护下，使用连续高能可控激光扫描涂层A，使其发生反应，生成SiOC陶瓷涂层。本发明通过激光裂解聚硅氧烷材料制备陶瓷涂层，其制备周期短，陶瓷表面光滑且孔隙率低，所得陶瓷涂层具有良好的防腐耐磨特性。本发明为解决单纯铁基金属材料难以在某些苛刻工况下可靠服役提供了新的方法。

技术领域

本发明涉及一种利用CO₂激光裂解在铁基金属表面制备SiOC陶瓷涂层的方法，属于金属表面改性技术领域。主要用于改善铁基金属表面防腐蚀、耐磨损、抗高温性能。

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，其滑动摩擦运动件必须面对日益苛刻的工作环境，如抗高温、防腐蚀、耐磨损等，单纯金属材料已难以满足这些要求，在金属零部件表面制备涂层材料，赋予金属材料特殊的高性能，已成为解决金属零部件在某些苛刻环境下可靠服役的有效途径。陶瓷涂层材料具有抗高温、防磨损、耐腐蚀等优异性能，在金属零部件表面原位制备陶瓷涂层，使零部件既具备金属材料的强度和韧性，又能具有陶瓷材料的耐高温、耐腐蚀、耐磨损的优点。近年来，人们发展了一些制备陶瓷涂层材料的有效方法，如激光熔覆法、化学气相沉积法(CVD)、溶胶 -凝胶法、先驱体转化陶瓷(PDC)法，其中先驱体转化法(PDC)是一种很有前途的原位制备陶瓷涂层技术。PDC法是将聚合物先驱体经高温裂解处理,使之从聚合物转变为无机陶瓷材料的方法与工艺，具有制备工艺简单，先驱体丰富，陶瓷组成、结构和性能可设计和调控，成型和加工容易等优势。但目前先驱体转化法制备陶瓷涂层材料还存在孔隙、裂纹不容易控制、加热裂解时间长，不能满足人们大规模、高质量、结构可控的制备需求。激光具有能量密度高和集中、超快速加热与冷却、材料逐点熔凝和凝固速度快、易于控制等诸多优点等特点。因此，利用可控高能激光对有机聚合物材料体系通过快速加热和凝固制备陶瓷涂层是一种新的方法，具有制备周期短，陶瓷产率高且陶瓷孔隙率低，可满足大规模、高质量、结构可控的在金属表面制备陶瓷涂层的要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种激光裂解聚硅氧烷材料在铁基金属表面制备陶瓷涂层的方法，以及该方法所涉及的材料体系和激光扫描工艺。该方法获得的陶瓷涂层，能显著提高铁基金属表面的防腐蚀、耐磨损、抗高温的性能。该方法具有工艺简单，制备周期短，效率高，质量可靠，可大规模生产的特点。

本发明是通过聚硅氧烷材料的设计优化，并将其配成混合溶液，采用刷涂或喷涂法在铁基金属表面制备有机涂层，在惰性气体的保护下，通过高能可控激光扫描，在铁基金属表面获得性能良好的陶瓷涂层。具体地，本发明的方法体现在：

为了实现以上优异技术效果，本发明提供了一种CO₂激光裂解有机硅聚合物材料制备SiOC陶瓷涂层的方法，所述方法依次包括如下步骤：(1)制备有机硅聚合物材料的混合溶液；(2)采用刷涂或喷涂法将步骤(1)所得混合溶液均匀涂覆在铁基金属表面；(3)室温干燥后获得涂层A；(4)在惰性气体保护下采用连续高能可控激光扫描涂层A，从而在铁基金属表面制备出SiOC陶瓷涂层。

优选地，步骤(1)中，所述材料包括：聚硅氧烷或聚硅氧烷+填料。其中聚硅氧烷的分子量为770～13900，熔点＜40°，沸点大于＞205°，相对密度为 0.918～0.977，填料包括：Ti、Fe、Ni、Si和Al中的一种或者两种，填料颗粒直径不大于75μm。

步骤(1)中，将聚硅氧烷或者聚硅氧烷+填料在二甲苯中超声分散10～ 30min，其中控制聚硅氧烷溶液的质量分数在50％～75％之间，聚硅氧烷+填料混合溶液的质量分数在75％～88％之间，聚硅氧烷和填料的质量比为1:2～3:1；并且，优选将所得混合溶液均匀刷涂或喷涂于经预处理的铁基金属表面。

另外，步骤(3)中，优选在室温下干燥1～3h，得厚度在0.2～0.6mm之间的涂层A。