专利名称：一种高能脉冲电沉积陶瓷涂层的方法
技术领域：
本发明是一种高能脉冲电沉积陶瓷涂层的方法，其主要是利用高能脉冲电产生的能量，将水膜中的物质反应沉积到基材表面形成一层陶瓷涂层，该方法属于表面技术领域。
众所周知，陶瓷涂层在科学技术和工程中发挥着重要的作用，陶瓷涂层按其作用，可以分为功能涂层和结构涂层两大类。而功能涂层则是利用涂层材料本身作成元器件，例如，利用光学薄膜、电子薄膜、光电子薄膜、集成光学薄膜等制成的元器件。而结构涂层则是在基材表面沉积一层陶瓷涂层，其主要作用是为了增加基材的使用寿命，使基材变得耐磨损、耐腐蚀、耐高温氧化、防热、防潮和起到一定的美化装饰作用。
目前，国内外制备陶瓷涂层的方法有三种有物理法、化学法和电化学法；其物理法包括有真空蒸发、磁控溅射、离子束溅射、分子外延等方法；化学法包括有化学气相沉积、溶胶-凝胶法、液相外延法等方法；电化学法有电化学沉积法。上述各种方法存在的不足之处是物理方法大多数需要昂贵的设备及真空系统。化学和电化学方法所获得的陶瓷涂层较薄，往往需要对该陶瓷涂层进行再烧结，才能提高其使用性能，较厚陶瓷涂层的制备一般采用热喷涂、等离子喷涂、爆炸喷涂等方法，但在喷涂过程中基材受到严重的热影响，而导至基材变形或损坏。
本发明的目的是利用高能电脉冲产生的能量将水膜中的金属盐、陶瓷溶胶-凝胶、或纳米级陶瓷颗粒反应沉积到金属基材或非金属基材表面，以获得各种陶瓷涂层的一种方法。采用该方法所获得的各种陶瓷涂层，其具有耐热、耐磨、耐腐蚀及具有高阻抗等性能。本发明无需复杂的真空系统和控制系统，设备简单，降低成本。
一种高能脉冲电沉积陶瓷涂层的方法，实现该方法须具有一高能脉冲电源、水膜和置入水膜中的基材，该方法是利用高能脉冲电源所产生的高能脉冲放电能量，将水膜中的金属盐、陶瓷溶胶-凝胶或纳米级陶瓷颗粒，反应沉积到置放于水膜中的基材表面，以形成陶瓷涂层，通过高能脉冲电源的电极和基材的相对运动，以及向基材表面施加的方式，可于基材表面沉积获得各种陶瓷涂层，可以制备功能陶瓷涂层，也可以制备耐热、耐腐蚀、耐磨损、高阻抗的结构陶瓷涂层。
其中，该基材可以是金属基材或非金属基材，该高能脉冲电源的电极有三种不同的连结方式第一种所选用的基材为金属基材，电极连结方式是高能脉冲电源的阴极与金属基材直接相连，在金属基材的表面施加厚度为0.5-1mm的水膜，高能脉冲电源的阳极处在空气中，阳极与水膜的空气间隙为0.1-2mm，当电源接通后，阳极与水膜和金属基材之间产生高能脉冲放电，使水膜中的物质发生反应沉积到金属基材表面，在金属基材表面形成陶瓷涂层；第二种所选用的基材为非金属基材，电极连结方式是高能脉冲电源的阴极通过金属或石墨与水膜相接触，该阴极距离高能脉冲电源的阳极较远，当电源接通时，阳极与阴极之间不能直接产生高能脉冲放电，但阳极与水膜之间可以产生高能放电，可使水膜中的物质发生反应沉积到非金属基材表面，在非金属基材表面形成陶瓷涂层；第三种所选用的基材为金属基材，电极连接方式是高能脉冲电源的阴极同时并联连接两点，一点是阴极的一端通过金属或石墨与水膜相接触，另一点是阴极的又一端直接与金属基材相连接，高能电源的阳极距阴极较远，所以，当电源接通时，阳极与阴极之间不能直接放电，但阳极与水膜和金属基材之间可以产生高能放电，可使水膜中的物质发生反应沉积到金属基材表面，在金属基材表面形成陶瓷涂层，此周期为沉积陶瓷涂层的初期阶段，当完整的一层陶瓷涂层在金属基材表面形成以后，该金属基材表面则变成非金属材料陶瓷，此时，高能脉冲放电方式改变成第二种电极连接结方式，由阳极与水膜之间产生高能放电，继续使水膜中的物质发生反应沉积到陶瓷涂层的表面，使陶瓷涂层继续增厚。
其中，该水膜的成份是由水和置放于水中的金属盐、陶瓷溶胶-凝胶、纳米级陶瓷颗粒或上述多种物质的混合物所组成的液体；该金属盐包括有硝酸盐、碳酸盐、草酸盐、硅酸盐、磷酸盐、硼酸盐等；该陶瓷溶胶-凝胶包括有氧化硅溶胶-凝胶、氧化锆溶胶-凝胶、氧化铝溶胶-凝胶等陶瓷溶胶--凝胶；该纳米级陶瓷颗粒包括有各种纳米级陶瓷颗粒；以及上述多种物质的混合物，改变种类、含量及比例可获得各种陶瓷涂层。
其中，该水膜可以是静止的、流动的或以超声波方式振动的。该水膜向基材表面的施加方式可以是将基材放置在水中，通过控制水液面，在基材表面具有一定厚度的水膜；还可以采用在基材上涂、滴、洒上一层水膜；也可以采用循环水膜，在基材脉冲放电处喷一层水膜，水膜厚度约为0.5-1mm。
其中，该高能脉冲电源的阴极和阳两极之间的脉冲电压值为0.1kV-5kV，其波形为方波，该电压的大小主要取决于阳极与水膜之间的间隙，间隙越大发生脉冲放电需要的临界电压越高，空气间隙一般为0.5-3mm，脉冲频率为100-10000Hz，占空比例为1∶1-1∶100，脉冲的宽度为1μs-10ms。
本发明的优点是设备简单，工艺流程简化，方法灵活简便，成本低廉，市埸竞争力强，可广泛应用于科学工程技术领域。
本发明具有如下附图图1为本发明第一种电极连结方式。
图2为本发明第二种电极连结方式。
图3为本发明第三种电极连结方式。
图中标号如下1．基材2．水膜 3．阳极(正极)4．高能脉冲电源5．阴极(负极)6．水膜与空气的界面7．基材8．金属或石墨兹列举具体实施例并配合
如下本发明的一种高能脉冲电沉积陶瓷涂层的方法，请参阅图1、2、3所示，实现该方法须具有一高能脉冲电源4、电源的阴、阳极5和3、水膜2及基材1、7等。该高能脉冲电源4，其电极5、3有三种连接方式第一种电极连结方式(如图1所示)，选用的基材1为金属基材，电极连结方式是高能脉冲电源4的阴极5与金属基材1直接相连，在金属基材1的表面施加厚度为0.5-1mm的水膜2，高能脉冲电源4的阳极3处在空气中，阳极3与水膜2的空气间隙为0.1-2mm，当电源接通后，阳极3与水膜2和金属基材1之间产生高能脉冲放电，使水膜2中的物质发生反应沉积到金属基材1表面，在金属基材表面形成陶瓷涂层；第二种电极连接方式(如图2所示)，选用的基材7为非金属基材7，电极的连结方式是高能脉冲电源4的阴极5通过金属或石墨8与水膜2相接触，该阴极5距离高能脉冲电源的阳极3较远，当电源接通时，阳极3与阴极5之间不能直接产生高能脉冲放电，但阳极3与水膜2之间可以产生高能放电，可使水膜中的物质发生反应沉积到非金属基材7表面，在非金属基材7表面形成陶瓷涂层；第三种电极连接方式(如图3所示)，选用的基材1为金属基材1，电极连接方式是高能脉冲电源4的阴极5同时并连连接两点，一点是阴极5的一端通过金属或石墨8与水膜2相接触，另一点是阴极5的又一端直接与金属基材1相连接，高能电源4的阳极3距阴极5较远，所以，当电源接通时，阳极3与阴极5之间不能直接放电，但阳极3与水膜2和金属基材1之间可以产生高能放电，可使水膜2中的物质发生反应沉积到金属基材1表面，在金属基材1表面形成陶瓷涂层，此周期为沉积陶瓷涂层的初期阶段，当完整的一层陶瓷涂层在金属基材1表面形成以后，该金属基材1表面则变成非金属材料陶瓷，此时，高能脉冲电源4的放电方式改变成第二种电极连接结方式，由阳极3与水膜2之间产生高能放电，继续使水膜2中的物质发生反应沉积到陶瓷涂层的表面，使陶瓷涂层继续增厚。
具体做法如下1．使用高能脉冲电源的输出脉冲电压为3kV，输出频率为200Hz，以1铬18镍9钛(1Cr18Ni9Ti)基材为阴极，以锆金属丝为阳极，水膜为0.1M硝酸锆[Zr(NO3)4]，控制液膜厚度为0.5mm，空气间隙为1mm，采用图1的电极结构，移动阳极连续脉冲放电得到氧化锆(ZrO2)陶瓷涂层。
2．使用高能脉冲电源的输出脉冲电压为3kV，输出频率为300Hz，以1铬18镍9钛(1Cr18Ni9Ti)基材为阴极，以铝金属丝为阳极，水膜为0.1M硝酸铝[Al(NO3)3]，控制液膜厚度为0.5mm，空气间隙为1mm，采用图1的电极结构，移动阳极连续脉冲放电得到氧化铝(Al2O3)陶瓷涂层。
3．使用高能脉冲电源的输出脉冲电压为3kV，输出频率为400Hz，以金属基材为阴极，以锆金属丝为阳极，水膜为0.1M硝酸铬[Cr(NO3)3]，采用图1的电极结构，移动阳极连续脉冲放电得到三氧化二铬(Cr2O3)陶瓷膜。
4．使用高能脉冲电源的输出脉冲电压为3kV，输出频率为200Hz，以金属基材为阴极，以锆金属丝为阳极，水膜为5克/升的氧化锫(ZrO2)纳米粉，采用图1的电极结构，移动阳极连续脉冲放电后得到氧化锆(ZrO2)陶瓷膜。
5．使用高能脉冲电源的输出脉冲电压为3kV，输出频率为200Hz，以金属基材为阴极，以锆金属丝为阳极，水膜为0.1M硝酸锆[Zr(NO3)4]和5克/升的氧化锆(ZrO2)纳米粉，采用图1的电极结构，移动阳极连续脉冲放电后得到氧化锆(ZrO2)陶瓷膜。
6．使用高能脉冲电源的输出脉冲电压为3kV，输出频率为200Hz，以金属基材为阴极，以石墨为阳极，水膜为氧化溶胶--凝胶，采用图1的电极结构，移动阳极连续脉冲放电得到二氧化硅(SiO2)陶瓷膜。
7．使用高能脉冲电源的输出脉冲电压为3kV，输出频率为200Hz，以1铬18镍9钛(1Cr18Ni9Ti)为阴极，以金属锫丝为阳极，水膜为0.09M硝酸锆[Zr(NO3)4]+O.01M硝酸钇[Y(NO3)3]，控制液膜厚度为O.5mm，空气间隙为1mm，采用图1的电极结构，移动阳极连续脉冲放电得到稳定化氧化锆(ZrO2)+氧化钇(Y2O3]陶瓷涂层。
8．使用高能脉冲电源的输出脉冲电压为3kV，输出频率为200Hz，以金属锆丝为阴极和阳极，基材为氧化锆(ZrO2)片，水膜为0.1M硝酸锆[Zr(NO3)4]，控制液膜厚度为0.5mm，空气间隙为1mm，采用图2的电极结构，移动阳极连续脉冲放电得到氧化锆(ZrO2)陶瓷涂层。
9．使用高能脉冲电源的输出脉冲电压为3kV，输出频率为200Hz，以金属锆丝为阳极和阴极，基材为1铬18镍9钛(1Cr18Ni9Ti)片，水膜为O.1M硝酸锆[Zr(NO3)4]，控制液膜厚度为0.5mm，空气间隙为1mm，采用图3的电极结构，移动阳极连续脉冲放电得到厚的氧化锆(ZrO2)陶瓷涂层。
权利要求
1．一种高能脉冲电沉积陶瓷涂层的方法，实现该方法须具有一高能脉冲电源、水膜和置入水膜中的基材，其特征在于该方法是利用高能脉冲电源所产生的高能脉冲放电能量，将水膜中的金属盐、陶瓷溶胶-凝胶或纳米级陶瓷颗粒，反应沉积到置放于水膜中的基材表面，以形成陶瓷涂层，通过高能脉冲电源的电极和置于水膜中基材的相对运动，以及向基材表面的施加水膜的方式，可于基材表面沉积获得各种陶瓷涂层，可以制备功能陶瓷涂层，也可以制备耐热、耐腐蚀、耐磨损、高阻抗的结构陶瓷涂层。
2．根据权利要求1所述的一种高能脉冲电沉积陶瓷涂层的方法，其特征在于该基材可以是金属基材或非金属基材，该高能脉冲电源的电极有三种不同的连结方式；第一种所选用的基材为金属基材，电极连结方式是高能脉冲电源的阴极与金属基材直接相连，在金属基材的表面施加厚度为0.5-1mm的水膜，高能脉冲电源的阳极处在空气中，阳极与水膜的空气间隙为0.1-2mm，当电源接通后，阳极与水膜和金属基材之间产生高能脉冲放电，使水膜中的物质发生反应沉积到金属基材表面，在金属基材表面形成陶瓷涂层；第二种所选用的基材为非金属基材，电极连结方式是高能脉冲电源的阴极通过金属或石墨与水膜相接触，该阴极距离高能脉冲电源的阳极较远，当电源接通时，阳极与阴极之间不能直接产生高能脉冲放电，但阳极与水膜之间可以产生高能放电，可使水膜中的物质发生反应沉积到非金属基材表面，在非金属表面形成陶瓷涂层；第三种所选用的基材为金属基材，电极连接方式是高能脉冲电源的阴极同时并联连接两点，一点是阴极的一端通过金属或石墨与水膜相接触，另一点是阴极的又一端直接与金属基材相连接，高能电源的阳极距阴极较远，所以，当电源接通时，阳极与阴极之间不能直接放电，但阳极与水膜和金属基材之间可以产生高能放电，可使水膜中的物质发生反应沉积到金属基材表面，在金属基材表面形成陶瓷涂层，此周期为沉积陶瓷涂层的初期阶段，当完整的一层陶瓷涂层在金属基材表面形成以后，该金属基材表面则变成非金属材料陶瓷，此时，高能脉冲放电方式改变成第二种电极连接结方式，由阳极与水膜之间产生高能放电，继续使水膜中的物质发生反应沉积到陶瓷涂层的表面，使陶瓷涂层继续增厚。
3．根据权利要求1或2所述的一种高能脉冲电沉积陶瓷涂层的方法，其特征在于该水膜的成份是由水和置放于水中的金属盐、陶瓷溶胶-凝胶、纳米级陶瓷颗粒或上述多种物质的混合物所组成的液体；该金属盐包括有硝酸盐、硫酸盐、草酸盐、硅酸盐、磷酸盐、硼酸盐等；该陶瓷溶胶-凝胶包括有氧化硅溶胶-凝胶、氧化锫溶胶-凝胶、氧化铝溶胶-凝胶等陶瓷溶胶-凝胶；该纳米级陶瓷颗粒包括有各种纳米级陶瓷颗粒；以及上述多种物质的混合物，改变种类、含量及比例可获得各种陶瓷涂层。
4．根据权利要求3所述的一种高能脉冲电沉积陶瓷涂层的方法，其特征在于该水膜可以是静止的、流动的或以超声波方式振动的，该水膜向基材表面的施加方式可以是将基材放置在水膜中，通过控制水液面，在基材表面具有一定厚度的水膜；还可以采用在基材上涂、滴、洒上一层水膜；也可以采用循环水膜，在基材脉冲放电处喷一层水膜，水膜厚度约为0.5-1mm。
5．根据权利要求1或2或4所述的一种高能脉冲电沉积陶瓷涂层的方法，其特征在于该高能脉冲电源的阴极和阳两极之间的脉冲电压值为0.1kV-5kV，其波形为方波，该电压的大小主要取决于阳极与水膜之间的间隙，间隙越大发生脉冲放电需要的临界电压越高，空气间隙一般为0.5-3mm，脉冲频率为100-10000Hz，占空比例为1∶1-1∶100，脉冲的宽度为1μs-10ms。
全文摘要
一种高能脉冲电沉积陶瓷涂层的方法，实现该方法须具有一高能脉冲电源、在基材表面施加水膜和特定的电极结构，该方法是利用高能脉冲电源所产生的高能脉冲放电能量，将水膜中的金属盐、陶瓷溶胶—凝胶或纳米级陶瓷颗粒反应沉积到基材表面，以形成陶瓷涂层，通过高能脉冲电源的电极和基材的相对运动，以及向基材表面的施加水膜的方式，可于基材表面沉积获得各种陶瓷涂层，可以制备功能陶瓷涂层，也可以制备耐热、耐腐蚀、耐磨损、高阻抗的结构陶瓷涂层。
文档编号B05D3/06GK1227143SQ98100569
公开日1999年9月1日 申请日期1998年2月24日 优先权日1998年2月24日
发明者于维平, 何业东 申请人:北京航空航天大学