专利名称：氧化铝绝缘涂层及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种绝缘涂层及制法，尤其是氧化铝绝缘涂层及其制备方法。
背景技术：
氧化铝绝缘涂层因具有耐高温、耐酸碱腐蚀、耐磨、绝缘强度高等优点，在核能、冶金、矿山等领域有着广泛的应用前景。目前，人们为了获得它，作了一些努力，如在2000年6月出版的《大连铁道学院学报》第21卷第2期中“等离子喷涂陶瓷涂层性能的研究”一文曾公开了一种用等离子体喷涂将氧化铝喷涂在45号钢上的方法，该氧化铝涂层的厚度为40～90微米。但是，这种氧化铝涂层和其喷涂方法均存在着不足之处，首先，氧化铝涂层呈层状堆积，结合强度低，且涂层中存在大量的气孔，致使涂层疏松，从而导致其介电击穿强度较低，难以用作高性能的绝缘涂层；其次，等离子喷涂方法一是对设备的要求较高，二是作为影响涂层质量的关键因素的喷涂参数不易掌握，三是制备周期也较长，不适于大规模的工业化生产。
发明内容
本发明要解决的技术问题为克服现有技术中的不足之处，提供一种可用于较高温度下、使用方便且绝缘性能优良的氧化铝绝缘涂层及其制备方法。
氧化铝绝缘涂层包括基底上覆有氧化铝涂层，特别是所说氧化铝涂层的厚度为5～30μm，其由2～8层的粒径为20～150nm的α-Al2O3颗粒与勃姆石溶胶在高温下的产物构成。
氧化铝绝缘涂层的制备方法包括溶胶-凝胶法，特别是它是按以下步骤完成的(1)、将纳米级α-Al2O3粉体和水性勃姆石溶胶和无机酸或无机酸盐或有机酸或有机酸盐按照1～20∶100∶0.1～5的比例相混合，再将其球磨5～10小时后放置5～24小时得到复合浆料；(2)、用复合浆料涂覆基底，再将其于80～120℃下干燥10～30分钟，之后，将其于400～700℃下热处理5～20分钟；(3)、重复(2)的步骤2～8次，制得氧化铝绝缘涂层。
作为氧化铝绝缘涂层的制备方法的进一步改进，所述的纳米级α-Al2O3粉体的粒径为20～150nm；所述的水性勃姆石溶胶的成分为γ-AlOOH、浓度为1～10wt％、pH值为2～5；所述的无机酸为硝酸或硫酸或盐酸；所述的无机酸盐为硫酸铝或硝酸铝或氯化铝；所述的有机酸为醋酸或草酸或柠檬酸；所述的有机酸盐为醋酸铝或草酸铝或柠檬酸铝；所述的球磨是将混合浆料置于球磨罐中在行星式球磨机上进行混合与研磨；所述的涂覆为浸渍或旋涂或喷涂。
相对于现有技术的有益效果是，其一，对制得的氧化铝绝缘涂层和其断面分别使用场发射扫描电子显微镜、X-射线衍射仪和涂镀层测厚仪进行表征与测试后，从得到的扫描电镜照片、X-射线衍射图谱和厚度值可知，绝缘涂层致密、无裂纹，其由粒径为20～150nm的α-Al2O3颗粒与由勃姆石溶胶在高温下的产物均匀地分布于其中所构成，其厚度为5～30μm；其二，对制得的氧化铝绝缘涂层在不同的温度下使用自动高压击穿装置和绝缘电阻测试仪进行工频交流击穿电压和直流绝缘电阻的测试，其中，涂层的厚度为21.5μm，电极的面积为0.25cm2，结果如下表
由表中可看出，涂层拥有较高的击穿电压和直流电阻，其绝缘性能优良；其三，选用纳米级α-Al2O3粉体和水性勃姆石溶胶和无机酸或无机酸盐或有机酸或有机酸盐作为制备绝缘涂层的原料，既可发挥纳米α-Al2O3陶瓷粒子的1)阻止涂层在干燥和热处理过程中的开裂，2)能够获得比较厚的涂层，3)提高粒子之间的堆砌密度，从而提高涂层的致密度，4)使涂层的主相为α相氧化铝，而在众多的氧化铝相中α相拥有非常优良的绝缘性能的特性，又可发挥水性勃姆石溶胶的1)作为一种高温“粘结剂”，将体系中纳米陶瓷粒子紧密地粘结在一起，2)勃姆石是氧化铝的一种前驱体，在热处理过程中可以完全转变为氧化铝，与添加的氧化铝陶瓷粒子为同一物质，妥善缓解了涂层中由于材料热膨胀系数不匹配而造成的裂纹的特性，还可发挥无机酸或无机酸盐或有机酸或有机酸盐的1)可以调控勃姆石胶体胶凝的时间，从而获得具有一定粘度的复合浆料，便于涂覆施工，2)由于这些物质的添加，体系中电荷数量增加，利用静电稳定机制使纳米粒子在浆料体系中分散均匀，3)这种添加物在高温下要么完全分解要么产生与氧化铝同物相的材料，不会残留任何影响涂层绝缘性能的其他物质，4)这些添加物会对基体有着微弱的腐蚀、氧化作用，能在金属基底表面形成一层薄薄的致密氧化膜，该膜与氧化铝涂层匹配，提高了涂层的附着力的特性。从而妥善地解决了一次涂覆的厚度与由于材料热膨胀系数不匹配造成裂纹产生的矛盾，仅需较少的涂覆次数就可获得所需厚度的绝缘涂层；其四，经其它仪器的测试，绝缘涂层还具有较高的耐磨损、耐腐蚀、抗氧化、阻热的性能，这便于在较广阔的应用领域内大规模的使用；其五，制备工艺简单易操作，对设备要求不高，适于大规模工业化生产。
下面结合附图对本发明的优选方式作进一步详细的描述。
图1给出了利用(a)纯水性勃姆石溶胶，(b)10份纳米级α-Al2O3粉体和100份水性勃姆石溶胶，以及(c)10份纳米级α-Al2O3粉体和100份水性勃姆石溶胶和2份无机酸或无机酸盐或有机酸或有机酸盐的浆料所制备涂层的单次涂覆厚度。由图可看出，经过一次涂覆后，(c)的涂层的厚度约为5μm，在三个样品中最大；图2是对经两次涂覆的绝缘涂层用美国FEI公司Sirion 200 FEG型场发射扫描电子显微镜观察涂层的表面和断面的形貌后拍摄的照片，其中，(a)图为绝缘涂层的表面形貌图，(b)图为绝缘涂层的断面形貌图；图3是对绝缘涂层用荷兰Philips公司X’pert-PRO型X-射线衍射仪判别涂层的物相图，其中，横坐标为2θ角，纵坐标为相对强度，由此可看出，涂层的主相为α-Al2O3相结构，还有少量由勃姆石溶胶经热处理所形成的γ-Al2O3相结构；图4是对绝缘涂层使用常州微特电机总厂CW2672H型自动高压击穿装置测量其工频交流击穿电压后得到的交流介电击穿电压与温度的关系图，其中，横坐标为温度，纵坐标为击穿电压，涂层厚度为21.5μm。
具体实施例方式
首先用常规方法制得或从市场购得粒径为20～150nm的α-Al2O3粉体、水性勃姆石溶胶和无机酸、无机酸盐、有机酸、有机酸盐。接着实施例1按以下步骤完成制备1)、将纳米级α-Al2O3粉体和水性勃姆石溶胶和无机酸按照1∶100∶0.1的比例相混合，其中，纳米级α-Al2O3粉体的粒径为150nm，水性勃姆石溶胶的成分为γ-AlOOH、浓度为1wt％、pH值为2，无机酸为硝酸(或硫酸或盐酸)，再将混合浆料置于球磨罐中在行星式球磨机上进行混合与研磨5小时后放置5小时得到复合浆料；2)、对铜基底打磨、去油和清洗后用复合浆料涂覆于其上，涂覆的方式为喷涂(或浸渍或旋涂)，再将其于80℃下干燥30分钟，之后，将其于400℃下热处理20分钟；3)、重复2)的步骤2次，制得如图2、图3和图4所示的氧化铝绝缘涂层。
实施例2按以下步骤完成制备1)、将纳米级α-Al2O3粉体和水性勃姆石溶胶和无机酸按照5∶100∶1.5的比例相混合，其中，纳米级α-Al2O3粉体的粒径为110nm，水性勃姆石溶胶的成分为γ-AlOOH、浓度为3wt％、pH值为3，无机酸为硝酸(或硫酸或盐酸)，再将混合浆料置于球磨罐中在行星式球磨机上进行混合与研磨6小时后放置10小时得到复合浆料；2)、对铜基底打磨、去油和清洗后用复合浆料涂覆于其上，涂覆的方式为喷涂(或浸渍或旋涂)，再将其于90℃下干燥25分钟，之后，将其于480℃下热处理17分钟；3)、重复2)的步骤4次，制得近似于图2和如图3、图4所示的氧化铝绝缘涂层。
实施例3按以下步骤完成制备1)、将纳米级α-Al2O3粉体和水性勃姆石溶胶和无机酸按照10∶100∶3的比例相混合，其中，纳米级α-Al2O3粉体的粒径为85nm，水性勃姆石溶胶的成分为γ-AlOOH、浓度为5wt％、pH值为3.5，无机酸为硝酸(或硫酸或盐酸)，再将混合浆料置于球磨罐中在行星式球磨机上进行混合与研磨7.5小时后放置15小时得到复合浆料；2)、对铜基底打磨、去油和清洗后用复合浆料涂覆于其上，涂覆的方式为喷涂(或浸渍或旋涂)，再将其于100℃下干燥20分钟，之后，将其于550℃下热处理13分钟；3)、重复2)的步骤5次，制得近似于图2和如图3、图4所示的氧化铝绝缘涂层。
实施例4按以下步骤完成制备1)、将纳米级α-Al2O3粉体和水性勃姆石溶胶和无机酸按照15∶100∶4的比例相混合，其中，纳米级α-Al2O3粉体的粒径为55nm，水性勃姆石溶胶的成分为γ-AlOOH、浓度为8wt％、pH值为4，无机酸为硝酸(或硫酸或盐酸)，再将混合浆料置于球磨罐中在行星式球磨机上进行混合与研磨9小时后放置20小时得到复合浆料；2)、对铜基底打磨、去油和清洗后用复合浆料涂覆于其上，涂覆的方式为喷涂(或浸渍或旋涂)，再将其于110℃下干燥15分钟，之后，将其于630℃下热处理9分钟；3)、重复2)的步骤6次，制得近似于图2和如图3、图4所示的氧化铝绝缘涂层。
实施例5按以下步骤完成制备1)、将纳米级α-Al2O3粉体和水性勃姆石溶胶和无机酸按照20∶100∶5的比例相混合，其中，纳米级α-Al2O3粉体的粒径为20nm，水性勃姆石溶胶的成分为γ-AlOOH、浓度为10wt％、pH值为5，无机酸为硝酸(或硫酸或盐酸)，再将混合浆料置于球磨罐中在行星式球磨机上进行混合与研磨10小时后放置24小时得到复合浆料；2)、对铜基底打磨、去油和清洗后用复合浆料涂覆于其上，涂覆的方式为喷涂(或浸渍或旋涂)，再将其于120℃下干燥10分钟，之后，将其于700℃下热处理5分钟；3)、重复2)的步骤8次，制得近似于图2和如图3、图4所示的氧化铝绝缘涂层。
再分别以无机酸盐或有机酸或有机酸盐来替换无机酸，其中，无机酸盐为硫酸铝或硝酸铝或氯化铝、有机酸为醋酸或草酸或柠檬酸、有机酸盐为醋酸铝或草酸铝或柠檬酸铝，以及再选用半导体或超导体来作为基底，重复上述实施例1～5，同样制得如或近似于图2和如图3、图4所示的氧化铝绝缘涂层。
显然，本领域的技术人员可以对本发明的氧化铝绝缘涂层及其制备方法进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
权利要求
1.一种氧化铝绝缘涂层，包括基底上覆有氧化铝涂层，其特征在于所说氧化铝涂层的厚度为5～30μm，其由2～8层的粒径为20～150nm的α-Al2O3颗粒与勃姆石溶胶在高温下的产物构成。
2.根据权利要求1所述的氧化铝绝缘涂层的制备方法，包括溶胶-凝胶法，其特征在于是按以下步骤完成的2.1、将纳米级α-Al2O3粉体和水性勃姆石溶胶和无机酸或无机酸盐或有机酸或有机酸盐按照1～20∶100∶0.1～5的比例相混合，再将其球磨5～10小时后放置5～24小时得到复合浆料；2.2、用复合浆料涂覆基底，再将其于80～120℃下干燥10～30分钟，之后，将其于400～700℃下热处理5～20分钟；2.3、重复2.2的步骤2～8次，制得氧化铝绝缘涂层。
3.根据权利要求2所述的氧化铝绝缘涂层的制备方法，其特征是纳米级α-Al2O3粉体的粒径为20～150nm。
4.根据权利要求2所述的氧化铝绝缘涂层的制备方法，其特征是水性勃姆石溶胶的成分为γ-AlOOH、浓度为1～10wt％、pH值为2～5。
5.根据权利要求2所述的氧化铝绝缘涂层的制备方法，其特征是无机酸为硝酸或硫酸或盐酸。
6.根据权利要求2所述的氧化铝绝缘涂层的制备方法，其特征是无机酸盐为硫酸铝或硝酸铝或氯化铝。
7.根据权利要求2所述的氧化铝绝缘涂层的制备方法，其特征是有机酸为醋酸或草酸或柠檬酸。
8.根据权利要求2所述的氧化铝绝缘涂层的制备方法，其特征是有机酸盐为醋酸铝或草酸铝或柠檬酸铝。
9.根据权利要求2所述的氧化铝绝缘涂层的制备方法，其特征是球磨是将混合浆料置于球磨罐中在行星式球磨机上进行混合与研磨。
10.根据权利要求2所述的氧化铝绝缘涂层的制备方法，其特征是涂覆为浸渍或旋涂或喷涂。
全文摘要
本发明公开了一种氧化铝绝缘涂层及其制备方法。涂层包括基底上覆有氧化铝涂层，特别是氧化铝涂层的厚度为5～30μm，其由2～8层的粒径为20～150nm的α－Al
文档编号C09D5/25GK1884398SQ200510040770
公开日2006年12月27日 申请日期2005年6月21日 优先权日2005年6月21日
发明者杨晔, 胡坤, 郑康, 陈林, 段雷, 李勇, 崔平, 方前锋, 田兴友 申请人:中国科学院合肥物质科学研究院