Progressi nella preparazione e nell'applicazione dei rivestimenti ceramici

1, Proprietà e classificazione dei rivestimenti ceramici

Il rivestimento ceramico è un termine generale per una classe di rivestimento inorganico non metallico, che non solo mantiene i vantaggi della resistenza alle alte temperature, della resistenza all'usura e della resistenza alla corrosione dei materiali ceramici tradizionali, ma mantiene anche la resistenza strutturale del materiale di base.

Rivestimento ceramico secondo la composizione chimica del materiale, rivestimento principale in ossido, rivestimento antiossidante, rivestimento ai silicati, rivestimento ceramico composito. I materiali di rivestimento comunemente utilizzati nelle ceramiche a base di ossido sono Al2O3, TiO2, ZrO2, Cr2O3, SiO2, MgO, BeO, Y2O3, ecc. Le ceramiche al carburo includono principalmente SiC, WC, BC, TiC, ecc. Le ceramiche al nitruro includono principalmente Si3N4, TiN, BN, AlN , ecc. Ceramiche boruri, TiB comunemente usate, ZrB2 e così via. Inoltre, con i requisiti sempre più rigorosi per i rivestimenti ceramici nelle applicazioni ingegneristiche, alcuni nuovi rivestimenti ceramici sono anche al centro della ricerca attuale, come i rivestimenti ceramici con terre rare, i rivestimenti multifase, i rivestimenti a fase MAX e così via.

Dal punto di vista applicativo, è anche suddiviso in rivestimenti ceramici con diverse proprietà speciali, come rivestimento isolante ad alta temperatura, rivestimento resistente all'usura e all'erosione, rivestimento protettivo per trattamento termico, rivestimento lubrificante ad alta temperatura, rivestimento a energia atomica e così via.

2, Tecnologia di preparazione del rivestimento ceramico

Allo stato attuale, la tecnologia di preparazione del rivestimento ceramico comunemente utilizzata comprende principalmente la tecnologia di rivestimento laser, la tecnologia di autodiffusione, la tecnologia di spruzzatura termica, il metodo sol-gel, la deposizione di vapore e altri metodi.

2.1

Tecnologia di rivestimento laser

La tecnologia di rivestimento laser utilizza il laser come fonte di calore per fondere contemporaneamente il materiale di rivestimento e la superficie del substrato per produrre una nuova tecnologia di rivestimento superficiale (vedere Figura 1). Questa tecnologia può fondere il materiale ceramico per superare le sue difficili caratteristiche di lavorazione, migliorare notevolmente la durata della matrice, la resistenza alle alte temperature, la resistenza alla corrosione, la resistenza alla pressione e una serie di indicatori di prestazione, può preparare un rivestimento ceramico di alta qualità, così tanti esperti e gli studiosi sono impegnati nella ricerca di questa tecnologia.

2.2

Processo di spruzzatura termica

La tecnologia di spruzzatura termica è uno dei metodi efficaci per preparare ceramiche nanostrutturate. Allo stato attuale, la tecnologia di spruzzatura termica si è differenziata in più tipologie nel processo di domanda del mercato e di sviluppo scientifico e tecnologico, tra cui i materiali di spruzzatura ad arco devono condurre elettricità e la spruzzatura al plasma può spruzzare la maggior parte dei materiali, con un alto grado di automazione , è la scelta migliore per spruzzare materiali ceramici ad alto punto di fusione.

2.3

Metodo sol-gel

Il metodo sol-gel è un metodo per preparare rivestimenti con una soluzione chimica, che può controllare la composizione, la formatura e la microstruttura del materiale. Questo metodo presenta i vantaggi di un'attrezzatura semplice e di una microstruttura controllabile del materiale. L'aggiunta di aggregato ceramico al sol e la combinazione con adesivo resistente al calore per preparare il rivestimento ceramico possono ridurre la frazione volumetrica del solvente e ridurre la tendenza alla fessurazione dello strato di pellicola dopo l'essiccazione e l'indurimento. La durezza, la resistenza all'usura, la resistenza alla corrosione e la resistenza all'ossidazione ad alta temperatura dei nuovi rivestimenti ceramici preparati con il metodo sol-gel sono state per lo più confermate dai ricercatori.

2.4 Tecnica di autopropagazione

La sintesi autopropagante ad alta temperatura (SHS), nota anche come sintesi a combustione, è un metodo di preparazione dei materiali apparso a metà del XX secolo. Questo metodo utilizza il principio del calore esotermico per riscaldare la combustione ad una certa temperatura attraverso i reagenti miscelati e si diffonde dalla combustione locale all'intero sistema per sintetizzare i materiali richiesti. Rispetto al processo tradizionale, il metodo presenta evidenti vantaggi: in primo luogo, il processo di produzione è semplice e l'attrezzatura è facile da usare; In secondo luogo, tempi di reazione rapidi e ciclo di produzione breve; In terzo luogo, basso consumo energetico; In quarto luogo, meno impurità ed elevata purezza del prodotto.

2.5

Deposizione di vapore

La deposizione da vapore si divide in deposizione fisica da vapore (PVD) e deposizione chimica da vapore (CVD).

2.5.1 Deposizione fisica da vapore (PVD)

Il PVD è una tecnologia in cui il materiale o il target da placcare viene evaporato in gas mediante riscaldamento o bombardamento con raggi ad alta energia in una camera a vuoto e depositato sulla superficie del pezzo per formare un rivestimento.

2.5.2 Deposizione chimica da fase vapore (CVD)

CVD è un processo che utilizza più gas per reagire chimicamente sulla superficie di una parte riscaldata per ottenere il rivestimento desiderato. Quando il rivestimento viene preparato mediante la tecnologia CVD, poiché il flusso del gas di reazione può far sì che l'elemento di rivestimento raggiunga qualsiasi parte della parte complessa o della parte cavità, la caratteristica più importante del processo è che ha un tasso di rivestimento superficiale molto elevato, e nessun processo può sostituirlo.

3.Progressi nell'applicazione dei rivestimenti ceramici

3.1

Protezione barriera termica (rivestimento ceramico barriera termica)

I requisiti di base del rivestimento con barriera termica sono la resistenza alle alte temperature e la resistenza all'ossidazione alle alte temperature. Saldamente combinato con matrice metallica; Bassa conduttività termica, buon isolamento; Il coefficiente di dilatazione lineare è ben adattato alla matrice metallica e il numero di cicli resistenti al calore è elevato. Viene utilizzato principalmente nelle parti riscaldanti delle turbine a gas aeronautiche, navali e terrestri, nonché nei motori civili a combustione interna, nelle turbine a pressione e nelle pistole a spruzzo di ossigeno per l'industria metallurgica.

3.2

Funzione anticorrosione

Un'applicazione classica del rivestimento ceramico è la protezione dalla corrosione di apparecchiature petrolchimiche, marine e di altro tipo. Il rivestimento utilizzato per la protezione dalla corrosione della tubazione è principalmente un rivestimento organico, ma a causa del deterioramento dovuto all'invecchiamento, dei problemi di resistenza al calore e al freddo, la durata della tubazione è limitata, il rivestimento nano ceramico ha le caratteristiche di anti-invecchiamento, resistenza alla temperatura, resistenza alla corrosione e e così via, il che può prolungare notevolmente la durata della pipeline. Inoltre, il rivestimento nano-ceramico ha una buona capacità di rimozione anticatodica e può adattarsi all'ambiente di lavoro marino.

3.3

Ridurre l'attrito

L'attrito e l'usura sono problemi comuni in natura e, per quanto riguarda le attrezzature di trasporto, circa l'80% delle parti si guasta a causa dell'usura dei materiali. Con il continuo sviluppo della scienza e della tecnologia e il rapido sviluppo dell’industria moderna, i requisiti delle parti meccaniche in termini di resistenza all’usura superficiale stanno diventando sempre più severi [9]. L'uso di un rivestimento ceramico resistente all'usura spruzzato sulla superficie dell'attrezzatura può migliorare la resistenza e la tenacità del metallo, la lavorabilità e la resistenza all'usura, la resistenza alle alte temperature, la resistenza alla corrosione, l'isolamento e altre proprietà della ceramica, che è di grande importanza per migliorare i benefici sociali ed economici e prolungare la durata delle parti. Ad esempio, nella ventola della centrale termica rivestita con rivestimento ceramico resistente all'usura può migliorarne la durata; L'uso dello stelo del pistone rivestito in ceramica resistente all'usura nella macchina di apertura e chiusura di grandi progetti di tutela dell'acqua può superare efficacemente il fenomeno della perdita di olio e rimanere bloccato per lungo tempo nello stelo del pistone tradizionale.

3.4

Isolamento elettrico

I rivestimenti ceramici hanno generalmente un buon isolamento e sono molto richiesti nell'industria meccanica, industriale e automobilistica, oltre alle applicazioni nell'industria elettronica ed elettrica. Nell'industria elettronica, il composito metallo-ceramica formato mediante spruzzatura termica del rivestimento ceramico isolante sulla piastra metallica è il materiale di substrato ideale nell'industria microelettronica. L'elevata conduttività termica del metallo dissiperà rapidamente il calore generato dalla forte corrente e lo strato ceramico fornisce eccellenti proprietà di isolamento dielettrico.

3.5

Altro

Anche in molti altri campi i rivestimenti ceramici trovano largo impiego. Ad esempio, nel campo della biomedicina, il rivestimento della superficie delle leghe metalliche mediche con rivestimenti ceramici biocompatibili con il corpo umano non solo migliora la durata dei materiali medici, ma risolve anche bene il problema della biocompatibilità dei materiali medici nell'organismo umano. corpo e le prestazioni sono più stabili e stabili dopo che il materiale è stato impiantato nel corpo.

4.Prospettive

Attualmente esistono molti tipi di rivestimenti ceramici e relativi processi di preparazione, che svolgono un ruolo enorme in vari campi, ma ci sono ancora molti problemi da risolvere. Dal punto di vista del rivestimento ceramico, le sue proprietà meccaniche e la forza di legame della matrice sono la chiave; Dal punto di vista della tecnologia di preparazione, il metodo di funzionamento semplice, a basso costo, di alta qualità, a basso costo e rispettoso dell'ambiente è la direzione degli sforzi attuali e futuri. In futuro, per lo sviluppo di rivestimenti ceramici, si dovrebbero innanzitutto migliorare le proprietà complessive del rivestimento e la resistenza del substrato; In secondo luogo, rafforzare la ricerca sulla preparazione del rivestimento ceramico, migliorare le carenze del processo di preparazione esistente e sviluppare un processo di preparazione migliore.

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