一种多孔氮化硅陶瓷表面涂层的结构及制备方法

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Si

BN纳米片由于具有与石墨烯类似的二维平面结构，是一种柔性、超轻、超强、高弹性、高导热材料，常用来改性陶瓷材料的力学性能和热学性能。一些研究人员通过在碳化硅陶瓷中掺入BN纳米片制备出力学性能良好的陶瓷基复合材料，当加入1wt％的BN纳米片时，复合SiC陶瓷材料的抗弯强度达到了507MPa，提高了123％；断裂韧性达到了5.41MPa·m

发明内容

发明目的

本发明针对涂层材料强度不够、断裂韧性不好和热导率差等问题，提供了一种多孔氮化硅陶瓷表面涂层的结构及制备方法。

技术方案

一种多孔氮化硅陶瓷表面涂层的结构，在多孔氮化硅陶瓷基体表面设置有涂层，该涂层特征为：该涂层为软相BN纳米片与硬相陶瓷颗粒相结合的贝壳珍珠层仿生结构。

所述陶瓷颗粒为α-Si

一种多孔氮化硅陶瓷表面涂层的制备方法，步骤如下：

步骤1，基体处理：选取多孔氮化硅陶瓷为基体，使用600～1000目砂纸研磨至基体表面光滑平整，然后将研磨后的多孔氮化硅陶瓷基体放入去离子水中超声清洗15-30min，清洗两次后放入烘箱，在70-80℃下烘干10-12h。

所述多孔氮化硅陶瓷基体的气孔率为30-60％。

步骤2，BN纳米片修饰：将BN纳米片和氢氧化纳水溶液混合，搅拌并超声震荡1h；将混合溶液放入反应釜，在120℃下水热反应12h，将溶液洗涤至一定PH值，真空抽滤，对抽滤出的粉体进行60℃，12h的干燥，得到修饰后的BN纳米片产物。

所述氢氧化钠水溶液的浓度是5mol/L，BN纳米片与氢氧化钠的质量比为1：20，所得溶液的PH值为9。

步骤3，陶瓷粉体修饰：将陶瓷粉体加入到乙醇和去离子水的混合溶液中，进行室温超声处理15-30min，加入硅烷偶联剂，再进行超声震荡15-30min后，搅拌10-12h，搅拌混合均匀后对产物进行洗涤，洗涤至一定PH值，真空抽滤得到最终产物，对最终产物进行60-80℃，12-24h的干燥，得到修饰后的陶瓷粉体产物。

所述乙醇与去离子水混合的体积比是98：2；加入陶瓷粉体的固含量为4％，硅烷偶联剂含量为0.38wt％，所得溶液的PH值为3.8-4.2。

步骤4，料浆制备：将修饰后的BN纳米片和去离子水混合，搅拌1h，得到BN纳米片料浆；同时将修饰后的陶瓷粉体和去离子水混合，搅拌1h，得到陶瓷粉体料浆。然后，将BN纳米片料浆逐滴滴加到陶瓷粉体料浆中，搅拌1-2h，超声震荡30-60min，使两者充分混合，制备出BN纳米片/陶瓷粉体的混合料浆。将玻璃粉体和去离子水混合，搅拌2h，超声震荡30min后，得到玻璃粉体料浆。

所述BN纳米片料浆的固含量是0.09％，陶瓷粉体料浆的固含量是0.99％，在混合料浆中BN纳米片与陶瓷粉体的体积比为3/97～10/90；所述玻璃粉体是B-Si-Al-O和Y-Si-Al-O玻璃粉体，玻璃粉体料浆的固含量为10％。

步骤5，在多孔氮化硅陶瓷表面制备双层粉体层：首先将制备的混合料浆涂刷在预处理后的多孔氮化硅基体上，形成一层内层粉体层；然后再将玻璃粉体料浆涂刷在内层粉体层表面，形成外层粉体层。之后，在60℃温度下干燥30min，得到双层粉体层。

所述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；所述外层玻璃粉体层为玻璃粉体料浆。

步骤6，试样烧结：将干燥后的试样放到气氛烧结炉中进行烧结，烧结温度为1450-1550℃，保温时间1h，烧结气氛为N

优点及效果

本发明提出一种多孔氮化硅陶瓷表面涂层的结构及制备方法。该方法通过对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。

与现有方法相比，本发明具有如下优点：(1)该方法具有工艺简单，成本低，涂覆比较均匀，并且不受基体的尺寸和外形的限制等优点。因此，该工艺非常适合在复杂形状的多孔氮化硅陶瓷表面制备陶瓷涂层。(2)在仿生结构涂层中，高强高韧的BN纳米片会产生裂纹偏转、桥联、微裂纹分支等增韧机制提高涂层的力学性能，同时，利用BN纳米片高导热性，可以提高涂层的热导率。从而提高涂层的抗热冲击能力。(3)该制备方法减少了BN纳米片的团聚现象，能够获得结构均匀的仿生结构陶瓷涂层。

附图说明

图1为BNNSs/α-Si

图2为BNNSs/α-Si

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

一种多孔氮化硅陶瓷表面涂层的结构，在多孔氮化硅陶瓷基体表面设置有涂层，多孔氮化硅陶瓷基体的气孔率为30-60％。该涂层包括：该涂层为软相BN纳米片与硬相陶瓷颗粒相结合的贝壳珍珠层仿生结构。陶瓷颗粒为α-Si

一种多孔氮化硅陶瓷表面涂层结构的制备方法，其制备方法为：首先，对BN纳米片与陶瓷颗粒表面进行修饰，通过自组装形成BN纳米片和陶瓷颗粒的混合料浆；然后，在多孔氮化硅陶瓷基体表面涂刷BN纳米片和陶瓷颗粒混合料浆，作为内层粉体层，再在内层粉体层的基础上刷涂一层玻璃粉体料浆，作为外层粉体层，通过高温，外层先形成液相，浸渗到内层粉体层中，促进内层粉体的烧结，形成致密涂层；该结构的陶瓷涂层具有良好的防水性能和力学性能，提高了多孔氮化硅基体的硬度、热导率和抗热冲击能力。

实施例1

本实施例是在多孔氮化硅陶瓷基体表面制备BNNSs/α-Si

步骤1，基体处理：选取气孔率是50％的多孔氮化硅为基体，使用600目，800目，1000目砂纸逐次对多孔氮化硅进行细磨，磨至基体表面光滑平整，然后将细磨后的多孔氮化硅陶瓷基体放入去离子水中超声清洗30min，清洗两次后在80℃下烘干10h；

步骤2，BN纳米片修饰：将BN纳米片和氢氧化纳水溶液混合，氢氧化钠水溶液的浓度是5mol/L，BN纳米片与氢氧化钠的质量比为1：20，搅拌并超声震荡1h；将混合溶液放入反应釜，在120℃下水热反应12h，洗涤溶液PH值为9，真空抽滤，对抽滤出的粉体进行60℃，12h的干燥，得到修饰后的BN纳米片产物。

步骤3，陶瓷粉体修饰：将陶瓷粉体加入到乙醇和去离子水体积比为98：2的混合溶液中，陶瓷粉体的固含量为4％，进行室温超声处理30min，加入硅烷偶联剂，含量为0.38wt％，再进行超声震荡15min后，搅拌10h，搅拌混合均匀后对产物进行洗涤，洗涤溶液PH值为4，真空抽滤得到最终产物，对最终产物进行60℃，24h的干燥，得到修饰后的陶瓷粉体产物。

步骤4，料浆制备：将修饰后的BN纳米片和去离子水混合，固含量是0.09％，搅拌1h，得到BN纳米片料浆；同时将修饰后的陶瓷粉体和去离子水混合，固含量是0.99％，搅拌1h，得到陶瓷粉体料浆。然后，将BN纳米片料浆逐滴滴加到陶瓷粉体料浆中，搅拌1h，超声震荡60min，使两者充分混合，在混合料浆中BN纳米片与陶瓷粉体的体积比为5：95，制备出BN纳米片/陶瓷颗粒的混合料浆。将玻璃粉体和去离子水混合，其固含量为10％，搅拌2h，超声震荡30min后，得到玻璃粉体料浆。

步骤5，在多孔氮化硅陶瓷表面制备双层粉体层：首先将制备的混合料浆涂刷在预处理后的多孔氮化硅陶瓷基体上，形成一层内层粉体层；然后再将玻璃粉体料浆涂刷在内层粉体层表面，形成外层粉体层。之后，60℃干燥30min，得到双层粉体层。

步骤6，试样烧结：将干燥后的试样放到气氛烧结炉中进行烧结，烧结温度为1550℃，保温时间1h，烧结气氛为N

本实施例制备的BNNSs/α-Si

实施例2

本实施例是在多孔氮化硅陶瓷基体表面制备BNNSs/SiO

步骤1，基体处理：选取气孔率是60％的多孔氮化硅为基体，使用600目，800目，1000目砂纸逐次对多孔氮化硅进行细磨，磨至基体表面光滑平整，然后将细磨后的多孔氮化硅陶瓷基体放入去离子水中超声清洗30min，清洗两次后在80℃下烘干12h；

步骤2，BN纳米片修饰：将BN纳米片和氢氧化纳水溶液混合，氢氧化钠水溶液的浓度是5mol/L，BN纳米片与氢氧化钠的质量比为1：20，搅拌并超声震荡1h；将混合溶液放入反应釜，在120℃下水热反应12h，将溶液PH值洗涤为9，真空抽滤，对抽滤出的粉体进行60℃，12h的干燥，得到修饰后的BN纳米片产物。

步骤3，陶瓷粉体修饰：将陶瓷粉体加入到乙醇和去离子水体积比为98：2的混合溶液中，陶瓷粉体的固含量为4％，进行室温超声处理30min，加入硅烷偶联剂，含量为0.38wt％，再进行超声震荡30min后，搅拌10h，搅拌混合均匀后对产物进行洗涤，洗涤溶液PH值至3.8，真空抽滤得到最终产物，对最终产物进行70℃，20h的干燥，得到修饰后的陶瓷粉体产物。

步骤4，料浆制备：将修饰后的BN纳米片和去离子水混合，固含量是0.09％，搅拌1h，得到BN纳米片料浆；同时将修饰后的陶瓷粉体和去离子水混合，固含量是0.99％，搅拌1h，得到陶瓷粉体料浆。然后，将BN纳米片料浆逐滴滴加到陶瓷粉体料浆中，搅拌2h，超声震荡30min，使两者充分混合，在混合料浆中BN纳米片与陶瓷粉体的体积比为10：90，制备出BN纳米片/陶瓷颗粒的混合料浆。将玻璃粉体和去离子水混合，其固含量为10％，搅拌2h，超声震荡30min后，得到玻璃粉体料浆。

步骤5，在多孔氮化硅陶瓷表面制备双层粉体层：首先将制备的混合料浆涂刷在预处理后的多孔氮化硅陶瓷基体上，形成一层内层粉体层；然后再将玻璃粉体料浆涂刷在内层粉体层表面，形成外层粉体层。之后，60℃干燥30min，得到双层粉体层。

步骤6，试样烧结：将干燥后的试样放到气氛烧结炉中进行烧结，烧结温度为1500℃，保温时间1h，烧结气氛为N

本实施例制备的BNNSs/SiO

实施例3

本实施例是在多孔氮化硅陶瓷基体表面制备BNNSs/α-Si

步骤1，基体处理：选取气孔率是30％的多孔氮化硅为基体，使用600目，800目，1000目砂纸逐次对多孔氮化硅进行细磨，磨至基体表面光滑平整，然后将细磨后的多孔氮化硅陶瓷基体放入去离子水中超声清洗15min，清洗两次后在70℃下烘干12h；

步骤2，BN纳米片修饰：将BN纳米片和氢氧化纳水溶液混合，氢氧化钠水溶液的浓度是5mol/L，BN纳米片与氢氧化钠的质量比为1：20，搅拌并超声震荡1h；将混合溶液放入反应釜，在120℃下水热反应12h，将溶液PH值洗涤为9，真空抽滤，对抽滤出的粉体进行60℃，12h的干燥，得到修饰后的BN纳米片产物。

步骤3，陶瓷粉体修饰：将陶瓷粉体加入到乙醇和去离子水体积比为98：2的混合溶液中，陶瓷粉体的固含量为4％，进行室温超声处理15min，加入硅烷偶联剂，含量为0.38wt％，再进行超声震荡15min后，搅拌12h，搅拌混合均匀后对产物进行洗涤，洗涤溶液PH值至4.2，真空抽滤得到最终产物，对最终产物进行80℃，12h的干燥，得到修饰后的陶瓷粉体产物。

步骤4，料浆制备：将修饰后的BN纳米片和去离子水混合，固含量是0.09％，搅拌1h，得到BN纳米片料浆；同时将修饰后的陶瓷粉体和去离子水混合，固含量是0.99％，搅拌1h，得到陶瓷粉体料浆。然后，将BN纳米片料浆逐滴滴加到陶瓷粉体料浆中，搅拌1h，超声震荡60min，使两者充分混合，在混合料浆中BN纳米片与陶瓷粉体的体积比为3：97，制备出BN纳米片/陶瓷颗粒的混合料浆。将玻璃粉体和去离子水混合，其固含量为10％，搅拌2h，超声震荡30min后，得到玻璃粉体料浆。

步骤5，在多孔氮化硅陶瓷表面制备双层粉体层：首先将制备的混合料浆涂刷在预处理后的多孔氮化硅陶瓷基体上，形成一层内层粉体层；然后再将玻璃粉体料浆涂刷在内层粉体层表面，形成外层粉体层。之后，60℃干燥30min，得到双层粉体层。

步骤6，试样烧结：将干燥后的试样放到气氛烧结炉中进行烧结，烧结温度为1450℃，保温时间1h，烧结气氛为N

本实施例制备的BNNSs/α-Si

实施例4

本实施例是在多孔氮化硅陶瓷基体表面制备BNNSs/SiO

步骤1，基体处理：选取气孔率是30％的多孔氮化硅为基体，使用600目，800目，1000目砂纸逐次对多孔氮化硅进行细磨，磨至基体表面光滑平整，然后将细磨后的多孔氮化硅陶瓷基体放入去离子水中超声清洗15min，清洗两次后在70℃下烘干12h；

步骤2，BN纳米片修饰：将BN纳米片和氢氧化纳水溶液混合，氢氧化钠水溶液的浓度是5mol/L，BN纳米片与氢氧化钠的质量比为1：20，搅拌并超声震荡1h；将混合溶液放入反应釜，在120℃下水热反应12h，洗涤溶液PH值为9，真空抽滤，对抽滤出的粉体进行60℃，12h的干燥，得到修饰后的BN纳米片产物。

步骤3，陶瓷粉体修饰：将陶瓷粉体加入到乙醇和去离子水体积比为98：2的混合溶液中，陶瓷粉体的固含量为4％，进行室温超声处理15min，加入硅烷偶联剂，含量为0.38wt％，再进行超声震荡30min后，搅拌12h，搅拌混合均匀后对产物进行洗涤，洗涤溶液PH值至4.2，真空抽滤得到最终产物，对最终产物进行80℃，12h的干燥，得到修饰后的陶瓷粉体产物。

步骤4，料浆制备：将修饰后的BN纳米片和去离子水混合，固含量是0.09％，搅拌1h，得到BN纳米片料浆；同时将修饰后的陶瓷粉体和去离子水混合，固含量是0.99％，搅拌1h，得到陶瓷粉体料浆。然后，将BN纳米片料浆逐滴滴加到陶瓷粉体料浆中，搅拌2h，超声震荡60min，使两者充分混合，在混合料浆中BN纳米片与陶瓷粉体的体积比为3：97，制备出BN纳米片/陶瓷颗粒的混合料浆。将玻璃粉体和去离子水混合，其固含量为10％，搅拌2h，超声震荡30min后，得到玻璃粉体料浆。

步骤5，在多孔氮化硅陶瓷表面制备双层粉体层：首先将制备的混合料浆涂刷在预处理后的多孔氮化硅陶瓷基体上，形成一层内层粉体层；然后再将玻璃粉体料浆涂刷在内层粉体层表面，形成外层粉体层。之后，60℃干燥30min，得到双层粉体层。

步骤6，试样烧结：将干燥后的试样放到气氛烧结炉中进行烧结，烧结温度为1500℃，保温时间1h，烧结气氛为N

本实施例制备的BNNSs/SiO