增强金具耐磨性的氧化物涂料及其应用的制作方法

本发明涉及电力金具涂料领域，具体涉及一种增强金具耐磨性的氧化物涂料及其应用。

背景技术：

电力金具是连接和组合电力系统中各类装置，以传递机械、电气负荷及起到某种防护作用的金属附件，它与电缆和铁塔的安全有着重要的联系。其中在新疆等环境恶劣地区，电缆与金具之间由于风沙的作用会产生巨大的摩擦力，导致金具的磨损，进而造成金具的断裂。一旦金具断裂，电缆因无支撑物而会造成线路上一系列的安全问题。

如何来增强金具的耐磨性，对于环境恶劣的地区来说是急需要解决的问题。电力金具是由铁质或铝制金属构成，其承重范围大概是4000n～8000n，涂覆在金具表面涂层的硬度足够大来支撑几千牛的电缆，并且涂层能够很好的粘附在金具上，不易脱落。溶胶凝胶的方法相对于pvd和cvd制备涂层而言，不需要过高的温度和严格的真空环境下进行，操作简便，形成的凝胶能够在短时间内获得分子水平上的均匀性，能够合成各种新型的材料。氧化铝(al2o3)薄膜具有优良的化学惰性，热稳定性好，耐高温等优点；氧化锆(zro2)薄膜具有很好地物理性能和化学性能，例如优良的光传导、禁带宽度较大、高熔点和低的导热系数等优点。al2o3薄膜和zro2薄膜的合成工艺简单，原材料来源广泛。然而al2o3薄膜和zro2薄膜的粘附性差，在外力作用于涂层表面时易脱落，从而达不到增强样品的耐磨性的要求。酸性处理过的磷酸锌具有增强涂层化学键的性质，让样品表面形成稠密且附着力强的涂层，于是al2o3薄膜或zro2薄膜与钢板很好的连接起来，是增强金具耐磨性的有效措施。

关于用al2o3薄膜和zro2薄膜增强金具耐磨性的制备方法的设想及实践，未见于已公开的文献或专利技术中。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种增强金具耐磨性的氧化物涂料及其应用，该氧化物涂料采用磷酸锌作为涂层粘剂，将氧化物涂料涂抹在金具表面，形成浓密的薄膜，该涂层薄膜具有低的摩擦系数的特点，增加了金具的耐磨性，在摩擦样品的过程中能有效的增加样品的使用寿命，该涂料薄膜为氧化铝薄膜或氧化锆薄膜，原材料来源广泛、价格适宜，制备涂层工艺简单，无有毒有害物质产生。

为实现上述目的，本发明所设计一种增强金具耐磨性的氧化物涂料，所述氧化物涂料的原料按重量份数计包括1～3份醇化物、0～6份的磷酸锌、4～6份的磷酸和0.001～0.030份的浓硝酸。

进一步地，所述氧化物涂料的原料按重量份数计包括1～3份醇化物、4～6份的磷酸锌、4～6份的磷酸和0.001～0.030份的浓硝酸。

再进一步地，所述醇化物为异丙醇铝或正丁醇锆(异丙醇铝溶于去离子水、正丁醇锆溶于无水乙醇)；所述浓硝酸的浓度为65.0～68.0％(分析纯)；所述磷酸的浓度为80～90％(分析纯)。

再进一步地，所述氧化物涂料的原料按重量份数计包括1份的异丙醇铝、5份的磷酸锌、5份的磷酸和0.025份的浓硝酸。

再进一步地，所述氧化物涂料的原料按重量份数计包括3份的正丁醇锆、5份的磷酸锌、5份的磷酸和0.001份的浓硝酸。

本发明还提供了一种使用氧化物涂料增强金具耐磨性的方法，包括以下步骤：

1)获得氧化物涂料的原料按重量份数计包括1～3份醇化物、0～6份的磷酸锌、4～6份的磷酸和0.001～0.030份的浓硝酸；

2)将磷酸锌加入到去离子水中，加入磷酸使磷酸锌溶解，再加入去离子水调节溶液的ph值，均匀搅拌，得第一ph值的磷酸锌溶液；

3)将醇化物溶于去离子水或无水乙醇中，用浓硝酸调节溶液的ph值，达到第二ph值；搅拌反应，得到醇化物溶液；

4)将磷酸锌溶液均匀的涂抹在洁净的金具表面并烘干，重复涂抹和烘干多次；

5)再将醇化物溶液均匀的涂抹在步骤4)的金具表面并烘干，重复涂抹和烘干多次；

6)将步骤5)涂抹醇化物溶液的金具放置在电炉中烧结，退火，金具表面形成氧化薄膜(氧化薄膜能够增强金具的耐磨性)。

作为优选方案，所述步骤2)中，磷酸锌溶液的第一ph值为2.0～3.0；

所述步骤3)中，浓硝酸的浓度为65.0～68.0％，第二ph值为3.0～4.0。

搅拌条件为：温度为85℃水浴磁式搅拌，搅拌3h；

或者，室温条件下搅拌0.5h，然后静置反应24h。

作为优选方案，所述步骤4)中，金具的洁净方法如下步骤：

a.用丙酮对金具进行清洗去除表面油脂，

b.用无水乙醇和去离子水清洗，洁净后在常温下进行烘干密封；

烘干温度为60～70℃，重复次数为3～4次；

所述步骤5)中，烘干温度为60～70℃，重复次数为3～4次；

作为优选方案，所述步骤4)中，烘干温度为60℃，时间为10min；

所述步骤5)中，烘干温度为60℃，时间为10min。

作为优选方案，所述步骤6)中，电炉温度为400～500℃；

氧化薄膜为al2o3薄膜时，电炉的温度为400℃，烧结时间为60min；

或者，氧化薄膜为zro2薄膜时，电炉的温度为500℃，烧结时间为60min。

本发明的有益效果：

本发明采用溶胶凝胶方法在金具表面烧结氧化铝薄膜或氧化锆薄膜提高金具的耐磨性，相对于无涂层的金具来说，这种表面烧结了氧化铝薄膜或氧化锆薄膜的金具能够有效的减少摩擦，在金具表面形成致密的保护层保护金具，因此，在同样的摩擦环境下，烧结了氧化铝薄膜的金具的使用寿命变长，摩擦系数减少，更好的起到了保护作用。

本发明采用标准的溶胶凝胶方法制备al-溶胶和zr-溶胶，相比于其他制作涂层的方法，这种溶胶凝胶法制备涂层操作更加简便，不易产生有毒有害物质，易于涂覆在样品表面，进行批量生产。基于涂层与样品之间附着力不强的缺点，磷酸锌能够作为粘接剂进行使用，将涂层和样品紧密粘接起来，更好的起到保护样品的作用，延长样品的使用寿命。

与其他制作涂层的制作材料、制作工艺、制备方法以及性能等优缺点相比较，本发明不仅克服了工艺复杂、条件苛刻、污染、耗能等缺点，而且具有如下明显优势：

1.使用异丙醇铝和正丁醇锆作为原材料，来源广泛，成本低，制作al-溶胶和zr-溶胶工艺简单，耗能低，确保了优良涂层的制作；

2.由于制作溶胶凝胶的操作十分简单，得到的目标产物的产量高，产物清洁无污染，能够重复在样品表面涂覆涂层，得到一定厚度的涂层，便于测量；

3.制备好的样品能够延长样品的使用寿命，耐高温、承受重物等特点，应用范围广泛。

附图说明

图1是在烧结氧化铝(al2o3)薄膜金具前后的厚度测量图；

图2是在金具表面形成al2o3薄膜的光学显微镜图(实施例1)；

图3是摩擦测试后烧结al2o3薄膜金具状态好的表面的sem图；

图中，a是未涂覆al2o3薄膜的表面放大1k的sem图；

b是涂覆al2o3薄膜的表面放大1k的sem图；

c是涂覆al2o3薄膜的表面放大10k的sem图；

图4是在烧结(氧化锆)zro2薄膜金具前后的厚度测量图；

图5是在金具表面形成zro2薄膜的光学显微镜图(实施例2)；

图6是摩擦测试后烧结zro2薄膜样品表面的sem图(实施例2)；

图中，a是涂覆zro2薄膜的表面放大1k的sem图；

b是涂覆zro2薄膜的表面放大5k的sem图；

图7是在金具表面形成al2o3薄膜的光学显微镜图(实施例3)；

图8是在金具表面形成al2o3薄膜的光学显微镜图(实施例4)；

图9是在金具表面形成zro2薄膜的光学显微镜图(实施例5)；

图10是摩擦测试后烧结zro2薄膜样品表面的sem图(实施例2)；

图中，a是涂覆zro2薄膜的表面放大1k的sem图；

b是涂覆zro2薄膜的表面放大5k的sem图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细描述，以便本领域技术人员理解。

实施例1

增强金具耐磨性的氧化铝涂料1，它的原料按重量份数计包括1份的异丙醇铝、5份的磷酸锌、5份的浓度为85％的磷酸、0.025份的浓度为65.0～68.0％的浓硝酸。

浓硝酸为分析纯，纯度大于99％。

利用上述氧化铝涂料1增强金具耐磨性的方法，包括以下步骤：

1)按上述重量份数比称取异丙醇铝、磷酸锌、磷酸和浓硝酸，备用；

2)首先将磷酸锌加入到150份的去离子水中，然后加入磷酸使磷酸锌溶解，再加入50份的去离子水调节溶液，均匀搅拌，得到ph＝2.0～3.0的磷酸锌溶液；

3)再将异丙醇铝溶于9份的去离子水中，再用浓度为65.0～68.0％的浓硝酸调节溶液的ph＝4，再置于温度为85℃水浴磁式搅拌器中加热搅拌3h，得到异丙醇铝溶液；

4)用丙酮对金具进行清洗去除表面油脂，再用无水乙醇和去离子水超声清洗45min(清洗功率：40～100w)，洁净后在常温下进行烘干密封；

5)将磷酸锌溶液均匀的涂抹在烘干的金具表面，在温度为60℃条件下烘干10min，重复3～4次；

6)再将异丙醇铝溶液均匀的涂抹在步骤5)的金具表面，在温度为60℃条件下烘干10min，重复3～4次；

7)将步骤6)涂抹异丙醇铝溶液的金具放置在温度为400℃电炉中烧结60min，退火80min；金具表面形成氧化铝薄膜。

将步骤4)中未涂覆薄膜的金具与步骤7)中涂覆氧化铝薄膜的金具分别用游标卡尺测量厚度，分别为15.05mm和15.07mm(如图1所示)

将上述涂覆氧化铝薄膜的金具在光学显微镜下观测样品的烧结程度(如图2所示)；结果：金具表面上均匀涂覆一层致密的耐磨性良好的氧化铝涂层。

将上述涂覆氧化铝薄膜的金具负载100kg重量进行200次摩擦测试，测试完毕后用洗耳球吹净样品表面的残渣并称量样品的重量，进行记录，用sem观测样品表面的形貌(如图3所示)；结果：金具表面薄膜有轻微磨损，但未损害到原始金具表面。

实施例2

增强金具耐磨性的氧化锆涂料1，它的原料按重量份数计包括3份的正丁醇锆、5份的磷酸锌、5份的浓度为85％的磷酸、0.001份的浓度为65.0～68.0％的浓硝酸。

上述浓硝酸为分析纯，纯度大于99％。

利用上述氧化锆涂料1增强金具耐磨性的方法，包括以下步骤：

1)按上述重量份数比称取正丁醇锆、磷酸锌、磷酸和浓硝酸；，备用；

2)首先将磷酸锌加入到150份的去离子水中，然后加入磷酸使磷酸锌溶解，再加入50份的去离子水调节溶液，均匀搅拌，得到ph＝2.5的磷酸锌溶液；

3)再将正丁醇锆溶于12份的无水乙醇中，再用浓度为65.0～68.0％的浓硝酸(分析纯)调节溶液的ph＝3.2，在室温下搅拌0.5h，然后静置反应24h得到正丁醇锆溶液；

4)用丙酮对金具进行清洗去除表面油脂，再用无水乙醇和去离子水超声清洗45min(清洗功率：40～100w)，洁净后在常温下进行烘干密封；

5)将磷酸锌溶液均匀的涂抹在烘干的金具表面，在温度为60℃条件下烘干10min，重复3～4次；

6)再将正丁醇锆溶液均匀的涂抹在步骤5)的金具表面，在温度为60℃条件下烘干10min，重复3～4次；

7)将步骤6)涂抹正丁醇锆溶液的金具放置在温度为500℃电炉中烧结60min，退火100min，即金具表面形成氧化锆薄膜。

将步骤4)中未涂覆薄膜的金具与步骤7)中涂覆氧化锆薄膜的金具分别用游标卡尺测量厚度，分别为15.08mm和15.11mm(如图4所示)

将上述涂覆氧化锆薄膜的金具在光学显微镜下观测样品的烧结程度(如图5所示)；结果：金具表面上均匀涂覆一层致密的耐磨性良好的氧化锆涂层。

将上述涂覆氧化锆薄膜的金具负载100kg重量进行200次摩擦测试，测试完毕后用洗耳球吹净样品表面的残渣并称量样品的重量，进行记录，用sem观测样品表面的形貌(如图6所示)；结果：金具表面薄膜有轻微磨损，但未损害到原始金具表面。

实施例3

本实施例与实施例1方法基本相同，不同之处在于：

氧化铝涂料2的原料按重量份数计包括1份的异丙醇铝、6份的磷酸锌、4份的磷酸、0.001份的浓硝酸。

实施例4

本实施例与实施例1方法基本相同，不同之处在于：

氧化铝涂料3的原料按重量份数计包括1份的异丙醇铝、4份的磷酸锌、6份的磷酸、0.03份的浓硝酸。

实施例5

本实施例与实施例1方法基本相同，不同之处在于：

氧化锆涂料2的原料按重量份数计包括3份的正丁醇锆、4份的磷酸、0.005份的浓硝酸。

实施例6

本实施例与实施例1方法基本相同，不同之处在于：

氧化锆涂料3的原料按重量份数计包括3份的异丙醇铝、6份的磷酸锌、6份的磷酸、0.03份的浓硝酸。

其它未详细说明的部分均为现有技术。尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。