[发明专利]一种多孔氮化硅陶瓷表面涂层的结构及制备方法

说明书

一种多孔氮化硅陶瓷表面涂层的结构及制备方法，在多孔氮化硅陶瓷基体表面设置有涂层，该涂层包括：混合料浆内层和外层粉体层；混合料浆内层为软相BN纳米片与硬相陶瓷粉体颗粒混合料浆；外层粉体层为玻璃粉体料浆。陶瓷粉体为α‑Si₃N₄和SiO₂。外层的玻璃粉体是B‑Si‑Al‑O和Y‑Si‑Al‑O玻璃粉体。通过对BN纳米片与陶瓷颗粒表面进行修饰，通过自组装使大量BN纳米片和陶瓷颗粒的均匀混合，再通过反应熔渗技术形成软相BN纳米片与硬相陶瓷颗粒相结合的贝壳珍珠层仿生结构复合陶瓷涂层，所制备的涂层具有防水性能好、力学性能优异、抗热冲击能力强等优异的性能。

技术领域

本发明属于陶瓷涂层的制备技术领域，涉及一种在多孔氮化硅陶瓷基体表面制备仿生结构陶瓷涂层的方法。

背景技术

多孔氮化硅陶瓷材料是指经高温烧结制得，其内部含有较多相通或闭合气孔的陶瓷材料，因此除了具有高熔点、高硬度、高耐磨和耐腐蚀等普通陶瓷材料的优点外，还具有比重小、热导率小、弹性模量小等优异的机械、物理和化学性能，是一种良好的结构功能一体化材料，可以作为隔热材料、透波材料等。但由于气孔存在，极其容易吸潮，在吸附周围的水汽后，使得多孔陶瓷的电学性能和隔热能力受到严重影响。此外多孔结构导致材料的力学性能降低，从而降低其抗冲蚀性能和耐磨性能，所以在实际应用过程中会受到很大的限制。

针对多孔陶瓷在实际使用时存在的问题，需要在多孔陶瓷表面制备一层致密陶瓷涂层，来隔离环境中的水汽，提高多孔陶瓷的机械性能。目前，现有的涂层制备方法有化学气相沉积法，溶胶-凝胶法，等离子喷涂法及无压烧结法等。化学气相沉积(CVD)法是在基体表面利用空间气相化学反应沉积固态薄膜的制备技术。采用CVD法在多孔氮化物陶瓷表面制备出致密Si₃N₄涂层后，该涂层具有较高的机械强度、良好的耐雨蚀和耐砂蚀能力。在国内，一些研究人员也采用CVD法在多孔氮化物陶瓷表面制备出Si₃N₄涂层，所制备的涂层结构均匀且致密，不仅起到较好的防潮作用，而且明显地提高了多孔氮化物陶瓷的力学性能。但是，由CVD制备的Si₃N₄涂层通常是非晶Si₃N₄相，涂层的韧性和高温稳定性较差，导致涂层的抗热冲击能力较差。溶胶-凝胶法是一个溶胶-凝胶-固态涂层的转变过程，将酯类化合物或金属醇盐溶于有机溶剂中，均匀混合，发生水解或缩聚反应，形成稳定的溶胶体系，通过蒸发溶剂，形成凝胶，将凝胶干燥并热处理后，在基体表面形成所需涂层。采用溶胶-凝胶法制备涂层之后，多孔Si₃N₄的吸水率明显降低，强度明显提高。虽然采用溶胶-凝胶法能够在多孔陶瓷表面制备出致密的玻璃质涂层，但此种方法致使其抗热冲击能力较弱。等离子喷涂粒子快速沉积过程是一个非平衡态热力学过程，半熔融状态的粒子沉积后会迅速冷却形成陶瓷涂层。但是，此种方法使得涂层内的部分存在较多的非晶相，且涂层内产生较大的残余应力，使涂层表面容易产生微裂纹等缺陷。这将影响涂层的致密性以及涂层的力学性能。此外，一些研究人员采用无压烧结法在多孔氮化硅表面制备出玻璃质涂层。该涂层具有良好的抗冲蚀性、高温强度和高温宽频透波稳定，但是该涂层的抗热冲击能力较弱，在ΔT＝1000℃热冲击5次后，涂层就会产生大量贯穿性裂纹，导致涂层的隔绝水汽效果和力学性能明显降低。因此现有的涂层均无法满足高温极端环境下的使用要求。