专利名称：一种三维网络碳化硅表面制备氧化铁陶瓷薄膜的方法
技术领域：
本发明属于材料技术领域，特别涉及一种三维网络碳化硅表面制备氧化铁陶瓷薄膜的方法。
背景技术：
近来一种新型网络交叉的金属-陶瓷复合材料(interpenetrating phase composites)引起了 人们的重视。新型复合材料的特征为基体与增强相在整个材料中形成各自的三维空间连续网 络结构并互相缠绕在一起。它们有时被称为C4材料(co-continuous ceramic composites)。因为将陶瓷相作为增强相能提高耐磨性或断裂强度，而金属相能提高导电性或塑性，所以C4 材料比传统复合材料的机械强度更高，韧性更好，显示出网络交叉结构的优势。我们使用 3D-SiC作为增强相，将钢引入3D-SiC中，充分发挥3D-SiC的高硬度、高耐磨和高耐热性以 及钢的高强高韧性等优点，制备出C4特征的3D-SiC/钢复合材料。3D-SiC/钢的摩擦性能卓越， 有望成为一种可用于高速、重载刹车环境下的新型制动材料。但是钢与3D-SiC剧烈的化学反 应会严重腐蚀3D-SiC，大幅降低其强度，使材料的整体性能恶劣，制约了 3D-SiC/钢复合材 料的发展，因此如何控制钢与3D-SiC的界面反应成了亟待解决的关键问题，而在3D-SiC上 制备陶瓷薄膜作为界面反应阻挡层是一可行方法。二十世纪末，溶胶-凝胶法(Sol-Gd法)作为一种高新制造技术，受到科技界和企业界 的关注，在生产超细粉末、薄膜涂层、纤维等材料的工艺中受到广泛应用。利用Sol-Gd法制 备薄膜，具有工艺设备简单、不受基体形状材料的限制、易制得均匀多组分氧化物涂层等特 点，在近年来尤其得到飞速发展。Sol-Gel法制备薄膜的基本原理是将前驱物溶于溶剂(水或有机溶剂)中形成均匀的溶 液，加入各种添加剂(催化剂、水、络合剂或鳌合剂等)，在合适的环境温度下，使之发生水 解、縮聚、醇解等反应，反应生成物聚集成纳米级的粒子并形成溶胶，再以溶胶为原料对各 种基材进行涂膜处理，溶胶膜经凝胶化及干燥处理后得到干凝胶膜，最后在一定的温度下烧 结即得到所需的涂层。但是，由于目前所使用前驱物原料价格比较昂贵，有些原料为有机物，对健康有害，整 个Sol-Gd过程所需时间很长，制备的凝胶中存在大量微孔,在干燥过程中又将除去许多气体、 有机物，故干燥时产生收縮等，使其应用受到极大限制。为了克服Sol-Gd法以上的缺点，研究人员针对前驱体原料、添加剂种类等进行了一系 列研究，并取得了一些进展。徐锁平、朱广军以无机盐硝酸铁和尿素为原料成功制备了 a-F203粒子，而在无规则三维网络(3D)基体上利用Sol-Gel法制备氧化铁薄膜的研究还未见报道。 发明内容针对以上技术问题，本发明提供一种三维网络碳化硅表面制备氧化铁陶瓷薄膜的方法。 本发明的方法包括以下步骤1、 溶胶制备将硝酸铁配制成0.05 0.5mol/L硝酸铁溶液，在溶液中加入尿素[CO (NH2) 2]，尿素的加 入量按摩尔比为尿素铁离子=2~4 : 1;将获得的溶液在搅拌条件下升温，搅拌速度为 100 200rpm,升温至40~55°C,保温25 35min，然后冷却至室温，静置至少6h，再加热至 70~95°C,保温20 40min，获得含铁溶胶。2、 薄膜涂覆将三维网络碳化硅在真空条件下浸没在含铁溶胶中，浸渍20 30min,然后取出在室温下 干燥10 25min，加热至46 55。C干燥10 25min，加热至75 9(TC干燥2(K40min，完成涂覆。3、 烧结将涂覆含铁溶胶完成后的三维网络碳化硅升温至120 18(TC保温50 80min，升温至 250 340。C保温100 170min，升温至400 600。C保温150 200min;升温速度为2~8°C/min， 在三维网络碳化硅表面制备出陶瓷薄膜。采用上述方法在三维网络碳化硅表面制备的氧化铁陶瓷薄膜厚度为0.5-1.2ixm，薄膜覆 盖均匀，没有裂纹，适合做阻挡SiC与钢反应的保护膜。本发明所采用的技术方案是采用Sol-Gel法，以无机铁盐为先驱体，成功在3D-SiC基体 表面制备了氧化铁陶瓷薄膜。本发明以廉价的原料、简单的制备方法、简短的制备周期，在3D-SiC基体表面制备均匀、 致密、气孔率低的氧化铁陶瓷薄膜，薄膜与基体有较强的结合强度，薄膜的抗热震性优良， 从而实现对3D-SiC/钢的界面反应进行控制。
图1为本发明实施例2的三维网络碳化硅表面氧化铁薄膜的XRD图。 图2为本发明实施例2的三维网络碳化硅表面氧化铁薄膜表面的SBSE图。 图3为本发明实施例2的三维网络碳化硅表面氧化铁薄膜断面的SBSE图。
具体实施方式
本发明实施例中采用的硝酸铁为分析纯试剂，配制溶液时采用的水为去离子水。 本发明实施例中釆用的尿素为分析纯试剂。本发明实施例中的真空条件为-0.10MPa。 本发明实施例中烧结时采用的设备为电阻炉。 本发明实施例中制备溶胶时采用的加热设备为恒温水浴箱。 实施例1将硝酸铁配制成O.lmol/L硝酸铁溶液，在溶液中加入尿素，尿素的加入量按摩尔比为尿 素铁离子=2:1;将获得的溶液在搅拌条件下升温，搅拌速度为100rpm，升温至4(TC,保 温25min，然后冷却至室温，静置7h，再加热至7(TC，保温40min,获得含铁溶胶。将三维网络碳化硅在真空条件下浸没在含铁溶胶中，浸渍30min，然后取出在室温下干燥 25min，加热至55'C干燥10min，加热至75。C千燥40min，完成涂覆。将涂覆含铁溶胶完成后的三维网络碳化硅升温至120'C保温80min，升温至250。C保温 170min，升温至40(TC保温200min;升温速度为2°C/min。三维网络碳化硅表面得到均匀、 致密的氧化铁薄膜。薄膜厚度为0.5um。 实施例2将硝酸铁配制成0.3mol/L硝酸铁溶液，在溶液中加入尿素，尿素的加入量按摩尔比为尿 素铁离子=3:1;将获得的溶液在搅拌条件下升温，搅拌速度为160rpm，升温至5(TC，保 温30min，然后冷却至室温，静置7.5h，再加热至80。C，保温30min，获得含铁溶胶。将三维网络碳化硅在真空条件下浸没在含铁溶胶中，浸渍25min,然后取出在室温下干燥 15min，加热至5(TC干燥15min，加热至85'C干燥30min，完成涂覆。将涂覆含铁溶胶完成后的三维网络碳化硅升温至14(TC保温60min，升温至300。C保温 150min，升温至450'C保温170min;升温速度为5'C/min。三维网络碳化硅表面得到均匀、 致密的氧化铁薄膜。薄膜厚度为0.9um。 实施例3将硝酸铁配制成0.5mol/L硝酸铁溶液，在溶液中加入尿素，尿素的加入量按摩尔比为尿 素铁离子=4:1;将获得的溶液在搅拌条件下升温，搅拌速度为200rpm，升温至55'C，保 温35min，然后冷却至室温，静置6.5h，再加热至95。C，保温20min，获得含铁溶胶。将三维网络碳化硅在真空条件下浸没在含铁溶胶中，浸渍20min，然后取出在室温下干燥 10min，加热至46r干燥25min，加热至9(TC干燥20min，完成涂覆。将涂覆含铁溶胶完成后的三维网络碳化硅升温至180。C保温50min，升温至34(TC保温 100min，升温至60(TC保温150min;升温速度为8tVmin。三维网络碳化硅表面得到均匀、 致密的氧化铁薄膜。薄膜厚度为1.2!1111。
权利要求
1、一种三维网络碳化硅表面制备氧化铁陶瓷薄膜的方法，包括溶胶制备，薄膜涂覆和烧结，其特征在于按以下步骤进行(1)将硝酸铁配制成0.05～0.5mol/L硝酸铁溶液，在溶液中加入尿素，尿素的加入量按摩尔比为尿素∶铁离子＝2～4∶1；将获得的溶液在搅拌条件下升温，搅拌速度为100～200rpm，升温至40～55℃，保温25～35min，然后冷却至室温，静置至少6h，再加热至70～95℃，保温20～40min，获得含铁溶胶；(2)将三维网络碳化硅在真空条件下浸没在含铁溶胶中，浸渍20～30min，然后取出在室温下干燥10～25min，加热至46～55℃干燥10～25min，加热至75～90℃干燥20～40min，完成涂覆；(3)将涂覆含铁溶胶完成后的三维网络碳化硅升温至120～180℃保温50～80min，升温至250～340℃保温100～170min，升温至400～600℃保温150～200min；升温速度为2～8℃/min，在三维网络碳化硅表面制备出氧化铁陶瓷薄膜。
2、 根据权利要求1所述的三维网络碳化硅表面制备氧化铁陶瓷薄膜的方法，其特征在 于所述的三维网络碳化硅表面制备的氧化铁陶瓷薄膜厚度为0.5 1.2"m。
全文摘要
一种三维网络碳化硅表面制备氧化铁陶瓷薄膜的方法，属于材料技术领域，包括以下步骤(1)采用溶胶-凝胶法制备含铁溶胶；(2)采用真空浸渍法在3D-SiC上进行涂覆；(3)涂覆含铁溶胶完成后的三维网络碳化硅进行烧结。本发明以廉价的原料、简单的制备方法、简短的制备周期，在3D-SiC基体表面制备均匀、致密、气孔率低的氧化铁陶瓷薄膜，薄膜与基体有较强的结合强度，薄膜的抗热震性优良，从而实现对3D-SiC/钢的界面反应进行控制。
文档编号C04B41/87GK101555166SQ200910011490
公开日2009年10月14日 申请日期2009年5月12日 优先权日2009年5月12日
发明者亮 喻, 岳新艳, 明 房, 武艳君, 茹红强, 闫海乐, 马娅娜 申请人:东北大学