专利名称：致密陶瓷绝缘涂层及制备方法
技术领域：
本发明涉及一种绝缘涂层及制法，尤其是致密陶瓷绝缘涂层及制备方法。
背景技术：
目前，人们为了利用陶瓷材料中的金属氧化物材料所具有的较高的热稳定性和化学稳定性，以及绝缘、耐辐射和耐磨损的性能，常将其制备成涂层以作为电绝缘材料使用。如在1998年7月14日公开的美国专利说明书US5780525中披露了一种“电绝缘用可光处理复合物材料”。它意欲提供一种在可适应的基体上制备金属氧化物涂层的方法，该涂层对于光处理源而言是透明的，且对电应力有阻碍作用，从而提升涂层抗电晕的能力。其制备过程为先制备一个含有一种稳定剂和一种金属氧化物前驱体材料的前驱体复合物，再将其与可光处理的碱性树脂在较低的剪切速率下混合成复合物，之后，在基底材料上涂覆此复合物并对其进行光处理，而制得复合物涂层。但是，这种电绝缘用复合涂层及其制备方法均存在着不足之处，首先，复合物涂层中含有大量的有机高分子材料，包括稳定剂、碱性树脂等，而陶瓷材料却很少，实为一个有机高分子涂层，故其耐高温的能力有限，难于应用在大于400℃的高温场合；其次，要求材料的透明性较高，否则无法对其进行光处理，使制造的成本增加和难于大规模的应用。虽也有其他陶瓷涂层，如在1990年11月27日公开的美国专利说明书US4973526中曾描述过一种“陶瓷涂层的制备方法及所得的产品”。它是在电子器件的基底上，通过采用旋涂、浸渍、喷涂、流延等方式，将由溶剂、H-Si树脂和修饰过的陶瓷氧化物前驱体构成的浆料涂覆于其上，再将其于40～1000℃的臭氧环境下热处理而使涂层陶瓷化。然而，这种陶瓷涂层及其制备方法也有着缺陷，一是陶瓷涂层的厚度小于2微米，显然太薄了，不适合用作耐高压条件下的绝缘陶瓷涂层；二是需使用苯、甲苯、庚烷、十二烷等有机溶剂来溶解H-Si树脂及陶瓷氧化物前驱体，而这些有机溶剂通常对人体有害，会污染环境；三是由于臭氧的氧化性太强，虽然有利于获得较好的陶瓷涂层，但也会腐蚀金属基底。
发明内容
本发明要解决的技术问题为克服上述各种现有技术方案的局限性，提供一种耐高压，制备方便的致密陶瓷绝缘涂层及制备方法。
致密陶瓷绝缘涂层包括基底，特别是所说基底上覆有金属氧化物绝缘层，所说金属氧化物绝缘层的厚度为30～80μm，其由5～15层的金属氧化物粉体与该种金属氧化物的前驱体水性溶胶热处理后的产物所构成，所说金属氧化物粉体的粒径为20～150nm。
作为致密陶瓷绝缘涂层的进一步改进，所述的金属氧化物粉体为三氧化二铝粉体或二氧化钛粉体或二氧化锆粉体；所述的基底为金属基底或半导体基底或超导体基底。
致密陶瓷绝缘涂层的制备方法包括用常规方法获得基底，特别是它是按以下步骤完成的(1)、将金属氧化物粉体、该种金属氧化物的前驱体水性溶胶和水溶性高分子聚合物按照2～10∶1∶0.1～2的比例相混合，再将其球磨5～10小时得到混合浆料；(2)、用混合浆料涂覆基底，再将其于80～400℃下干燥10～50分钟，重复此过程5～15次；(3)、将多次涂覆过的基底于600～900℃下热处理20～40分钟，制得致密陶瓷绝缘涂层。
作为致密陶瓷绝缘涂层的制备方法的进一步改进，所述的金属氧化物粉体为三氧化二铝粉体或二氧化钛粉体或二氧化锆粉体；所述的金属氧化物的前驱体水性溶胶为利用该种金属氧化物的金属醇盐水解法或无机盐水解法制备而得到；所述的水溶性高分子聚合物为聚乙二醇或聚乙烯醇或聚乙烯吡咯烷酮；所述的球磨是将混合体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；所述的在涂覆基底前，先将其进行打磨、去油和清洗。
相对于现有技术的有益效果是，其一，对制得的致密陶瓷绝缘涂层分别使用场发射扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X-射线衍射仪和涂镀层测厚仪以及自动高压击穿装置进行表征与测试后，从得到的扫描电镜照片、透射电镜照片、X-射线衍射图谱和厚度值以及交流电压击穿值可知，绝缘涂层致密、无孔洞和裂纹，其由粒径为20～150nm的金属氧化物粉体和该种金属氧化物的前驱体水性溶胶热处理后的产物均匀地分布于其中所构成，其厚度为30～80μm，交流电压的击穿强度高达30kV/mm，且具有较高的涂层附着力；其二，采用和金属氧化物粉体同种类的金属氧化物的前驱体水性溶胶与其配用，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；其三，制备绝缘涂层的原料除了金属氧化物粉体、该种金属氧化物的前驱体水性溶胶之外，还于其中添加有水溶性高分子聚合物，该水溶性高分子聚合物在绝缘涂层的形成过程中，防止了金属氧化物粉体的团聚，使金属氧化物粉体、该种金属氧化物的前驱体水性溶胶、水溶性高分子聚合物三者得以均匀地混合，在涂覆后能牢固地附着于基底上，同时，高分子聚合物富有弹性，可以缓释涂层在热处理时收缩所产生的应力，有效地抑制了裂纹的产生，随着制备过程的进行，在高温的热处理下，此水溶性高分子聚合物逐渐地被氧化除去，剩下的只是由金属氧化物粉体和该种金属氧化物的前驱体水性溶胶热处理后的产物所构成的致密的绝缘涂层；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，制备过程中采用的溶剂仅为水性，清洁无污染，成膜的温度低，且只需在通常的环境下进行，对基底不会产生任何不良的影响，制备的工艺简单易操作，对设备的要求不高，适于大规模的工业化生产。
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是对绝缘涂层用日本JEOL公司的场发射扫描电子显微镜观察表面形貌后拍摄的照片，其中(a)图的放大倍数为500倍，(b)图的放大倍数为30000倍；图2是在绝缘涂层制备的过程中，用日本KETT公司的LZ-300C型涂镀层测厚仪测量所得涂层的厚度及相应的涂覆次数之间的关系图，图中的横坐标为涂覆次数、纵坐标为涂层厚度(单位为μm)，其中曲线a表示的是用本发明所制备的绝缘涂层的厚度与涂覆次数间的关系，曲线b表示的是单纯利用前驱体溶胶制备绝缘涂层的厚度与涂覆次数间的关系。
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的三氧化二铝粉体及勃姆石水性溶胶、二氧化钛粉体及二氧化钛水性溶胶和二氧化锆粉体及二氧化锆水性溶胶，以及作为水溶性高分子聚合物的聚乙二醇、聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮，作为基底的金属基底的铜、不锈钢、半导体基底的硅和超导体基底的YBCO、Bi-2122。接着，实施例1按以下步骤完成制备1)、将粒径为20nm的三氧化二铝粉体、勃姆石水性溶胶和聚乙二醇按照2∶1∶0.1的比例相混合，再将其置于球磨罐中在行星式球磨机上进行混合与研磨5小时得到混合浆料；2)、对铜基底打磨、去油和清洗后用混合浆料涂覆于其上，涂覆的方式为浸渍，再将其于80℃下干燥50分钟，重复此过程5次；3)、将多次涂覆过的基底于600℃下热处理40分钟，制得如图1和图2所示的致密陶瓷绝缘涂层。
实施例2按以下步骤完成制备1)、将粒径为50nm的三氧化二铝粉体、勃姆石水性溶胶和聚乙二醇按照4.5∶1∶0.5的比例相混合，再将其置于球磨罐中在行星式球磨机上进行混合与研磨6小时得到混合浆料；2)、对不锈钢基底打磨、去油和清洗后用混合浆料涂覆于其上，涂覆的方式为旋涂，再将其于160℃下干燥40分钟，重复此过程8次；3)、将多次涂覆过的基底于680℃下热处理35分钟，制得如图1和图2所示的致密陶瓷绝缘涂层。
实施例3按以下步骤完成制备1)、将粒径为85nm的三氧化二铝粉体、勃姆石水性溶胶和聚乙二醇按照6∶1∶1的比例相混合，再将其置于球磨罐中在行星式球磨机上进行混合与研磨7小时得到混合浆料；2)、对硅基底打磨、去油和清洗后用混合浆料涂覆于其上，涂覆的方式为喷涂，再将其于240℃下干燥30分钟，重复此过程10次；3)、将多次涂覆过的基底于750℃下热处理30分钟，制得如图1和图2所示的致密陶瓷绝缘涂层。
实施例4按以下步骤完成制备1)、将粒径为120nm的三氧化二铝粉体、勃姆石水性溶胶和聚乙二醇按照8.5∶1∶1.5的比例相混合，再将其置于球磨罐中在行星式球磨机上进行混合与研磨8小时得到混合浆料；2)、对YBCO基底打磨、去油和清洗后用混合浆料涂覆于其上，涂覆的方式为浸渍，再将其于320℃下干燥20分钟，重复此过程13次；3)、将多次涂覆过的基底于830℃下热处理25分钟，制得如图1和图2所示的致密陶瓷绝缘涂层。
实施例5按以下步骤完成制备1)、将粒径为150nm的三氧化二铝粉体、勃姆石YBCO和聚乙二醇按照10∶1∶2的比例相混合，再将其置于球磨罐中在行星式球磨机上进行混合与研磨10小时得到混合浆料；2)、对Bi-2122基底打磨、去油和清洗后用混合浆料涂覆于其上，涂覆的方式为旋涂，再将其于400℃下干燥50分钟，重复此过程15次；3)、将多次涂覆过的基底于900℃下热处理20分钟，制得如图1和图2所示的致密陶瓷绝缘涂层。
再分别选用粒径为20nm、50nm、85nm、120nm、150nm的二氧化钛粉体及二氧化钛水性溶胶和二氧化锆粉体及二氧化锆水性溶胶，以及分别选用作为水溶性高分子聚合物的聚乙烯醇或聚乙烯吡咯烷酮，分别选用作为基底的金属基底的铜、不锈钢、半导体基底的硅和超导体基底的YBCO、Bi-2122。重复上述实施例1～5，均制得了近似于如图1和图2所示的致密陶瓷绝缘涂层。
显然，本领域的技术人员可以对本发明的致密陶瓷绝缘涂层及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
1.一种致密陶瓷绝缘涂层，包括基底，其特征在于所说基底上覆有金属氧化物绝缘层，所说金属氧化物绝缘层的厚度为30～80μm，其由5～15层的金属氧化物粉体与该种金属氧化物的前驱体水性溶胶热处理后的产物所构成，所说金属氧化物粉体的粒径为20～150nm。
2.根据权利要求1所述的致密陶瓷绝缘涂层，其特征是金属氧化物粉体为三氧化二铝粉体或二氧化钛粉体或二氧化锆粉体。
3.根据权利要求1所述的致密陶瓷绝缘涂层，其特征是基底为金属基底或半导体基底或超导体基底。
4.根据权利要求1所述的致密陶瓷绝缘涂层的制备方法，包括用常规方法获得基底，其特征在于是按以下步骤完成的4.1、将金属氧化物粉体、该种金属氧化物的前驱体水性溶胶和水溶性高分子聚合物按照2～10∶1∶0.1～2的比例相混合，再将其球磨5～10小时得到混合浆料；4.2、用混合浆料涂覆基底，再将其于80～400℃下干燥10～50分钟，重复此过程5～15次；4.3、将多次涂覆过的基底于600～900℃下热处理20～40分钟，制得致密陶瓷绝缘涂层。
5.根据权利要求4所述的致密陶瓷绝缘涂层的制备方法，其特征是金属氧化物粉体为三氧化二铝粉体或二氧化钛粉体或二氧化锆粉体。
6.根据权利要求4所述的致密陶瓷绝缘涂层的制备方法，其特征是金属氧化物的前驱体水性溶胶为利用该种金属氧化物的金属醇盐水解法或无机盐水解法制备而得到。
7.根据权利要求4所述的致密陶瓷绝缘涂层的制备方法，其特征是水溶性高分子聚合物为聚乙二醇或聚乙烯醇或聚乙烯吡咯烷酮。
8.根据权利要求4所述的致密陶瓷绝缘涂层的制备方法，其特征是球磨是将混合体置于球磨罐中在行星式球磨机上进行混合与研磨。
9.根据权利要求4所述的致密陶瓷绝缘涂层的制备方法，其特征是涂覆为浸渍或旋涂或喷涂。
10.根据权利要求9所述的致密陶瓷绝缘涂层的制备方法，其特征是在涂覆基底前，先将其进行打磨、去油和清洗。
全文摘要
本发明公开了一种致密陶瓷绝缘涂层及制备方法。涂层包括基底，特别是基底上覆有厚度为30～80μm的金属氧化物绝缘层，其由5～15层的粒径为20～150nm的金属氧化物粉体与该种金属氧化物的前驱体水性溶胶热处理后的产物所构成。方法包括用常规方法获得基底，特别是按以下步骤完成的(1)将金属氧化物粉体、该种金属氧化物的前驱体水性溶胶和水溶性高分子聚合物按照2～10∶1∶0.1～2的比例混合，再将其球磨5～10小时得到混合浆料；(2)用混合浆料涂覆基底，再将其于80～400℃下干燥10～50分钟，重复此过程5～15次；(3)将多次涂覆过的基底于600～900℃下热处理20～40分钟，制得致密陶瓷绝缘涂层。它可广泛地用于耐高压的电绝缘领域。
文档编号C04B35/628GK1736957SQ20041004174
公开日2006年2月22日 申请日期2004年8月17日 优先权日2004年8月17日
发明者杨晔, 李勇, 崔平, 方前锋, 胡坤, 陈林, 陈莉 申请人:中国科学院合肥物质科学研究院