涂层制备方法

涂层的制备方法CONTENTS涂层的概述01几种常见的涂层制备方法02新型的涂层制备方法03展望04涂层的概述0101涂层的概述01涂层是涂料一次施涂所得到的固态连续膜，是为了防护，绝缘，装饰等目的，涂布于金属，织物，塑料等基体上的塑料薄层。涂料可以为气态、液态、固态，通常根据需要喷涂的基质决定涂料的种类和状态。图片源自：百度图片1.1涂层的定义01涂层的概述02这些用以强化零件或材料表面的技术，赋予零件耐高温、防腐蚀、耐磨损、抗疲劳、防辐射、导电、导磁等各种新的特性。提高了可靠性、延长了使用寿命，具有很大的经济意义和推广价值。涂层技术是采用化学的、物理的方法改变材料或工件表面的化学成分或组织结构以提高机器零件或材料性能的一类处理技术。它包括表面涂层(低压等离子喷涂、低压电弧喷涂、激光重熔复合等薄膜镀层、物理气相沉积、化学气相沉积等)和非金属涂层技术等。技术作用几种常见的涂层制备方法022.1电镀04电镀是指在含有欲镀金属的盐类溶液中，以被镀基体金属为阴极，通过电解作用，使镀液中欲镀金属的阳离子在基体金属表面沉积出来，形成镀层的一种表面处理方法。电镀的主要用途包括防止金属氧化(如锈蚀)以及进行装饰。不少硬币的外层亦为电镀。电镀产生的污水（如失去效用的电解质）是水污染的重要来源，电镀工艺已经被广泛的使用在半导体及微电子部件引线框架的工艺。源自：百度图片注意2.1电镀04电镀根据镀层的功能分为防护性镀层、装饰性镀层及其他功能性镀层；根据镀层的种类分为合金电镀、单金属电镀、单层电镀、多层组合电镀及复合电镀。镀层大多是单一金属或合金，如钛钯、锌、镉、金或黄铜、青铜等；也有弥散层，如镍-碳化硅、镍-氟化石墨等；还有覆合层，如钢上的铜-镍-铬层、钢上的银-铟层等。电镀的基体材料除铁基的铸铁、钢和不锈钢外，还有非铁金属，或ABS塑料、聚丙烯、聚砜和酚醛塑料，但塑料电镀前，必须经过特殊的活化和敏化处理。2.1.1电镀的分类2.1电镀04工作原理图1.1：电镀原理图可以看出，电镀原理包含四个方面：电镀液、电镀反应、电极与反应原理、金属的电沉积过程。2.1电镀04电镀反应中的电化学反应：被镀的零件为阴极，与直流电源的负极相连，金属阳极与直流电源的正极联结，阳极与阴均浸入镀液中。当在阴阳两极间施加一定电位时，则在阴极发生如下反应：从镀液内部扩散到电极和镀液界面的金属离子Mn+从阴极上获得n个电子，还原成金属M。在阳极则发生与阴极完全相反的反应，即阳极界面上发生金属M的溶解，释放n个电子生成金属离子Mn+。具体工作原理：2.1电镀042.1.3未来电镀技术研究与开发重点更广泛的应用各种电流、超声以及各种其他物理机械作用。研究、开发应用新型非水镀液---熔盐。更广泛研究、应用新的镀层。研究、发展和应用清洁电镀技术。0403022.2化学镀04化学镀技术的原理是：化学镀是一种不需要通电，依据氧化还原反应原理，利用强还原剂在含有金属离子的溶液中，将金属离子还原成金属而沉积在各种材料表面形成致密镀层的方法。化学镀常用溶液：化学镀银、镀镍、镀铜、镀钴、镀镍磷液、镀镍磷硼液等。2.2.1化学镀技术的原理化学镀镍是利用镍盐溶液在强还原剂次亚磷酸钠的作用下，使镍离子还原成金属镍，同时次亚磷酸盐解析出磷，因而在具有催化表面的镀件上，获得Ni-P合金镀层。化学镀镍层实际上是含有3~15%磷的镍磷合金。源自：百度图片实例：2.2化学镀042.2.2化学镀的特点1234工艺简单，适应范围广，不需要电源，不需要制作阳极，只要一般操作人员均可操作。镀层与基体的结合强度好。无毒，有利于环保。成品率高，成本低，溶液可循环使用，副反应少。投资少，数百元设备即可，见效快。化学镀技术是比电镀技术更年轻的表面覆盖技术，正是由于化学镀技术的发展才使印刷线路板、计算机软盘和塑料电镀以及非金属表面金属化成为可能。2.3溶胶胶凝法04溶胶－凝胶法的化学过程首先是将原料分散在溶剂中，然后经过水解反应生成活性单体，活性单体进行聚合，开始成为溶胶，进而生成具有一定空间结构的凝胶，经过干燥和热处理制备出纳米粒子和所需要材料。水解反应：M(OR)n+H2O→M(OH)x(OR)n－x+xROH金属盐在水中的性质受金属离子半径、电负性、配位数等因素影响，如Si、Al盐，它们溶解于纯水中常电离出Mn+，并溶剂化。聚合反应：－M－OH+HO－M－→－M－O－M－+H2O－M－OR+HO－M－→－M－O－M－+ROH硅、磷、硼以及许多金属元素，如铝、钛、铁等的醇盐或无机盐在水解的同时均会发生聚合反应，如失水、失醇、缩聚、醇氧化、氧化、氢氧桥键合等都属于聚合反应。源自：百度图片2.2溶胶胶凝法04溶胶-凝胶法具有许多优点，如下：反应温度低，反应过程易于控制，制品的均匀度、纯度高。工艺简单，不需要昂贵的设备。化学计量准确，易于改性，掺杂的范围宽。从同一种原料出发，改变工艺过程即可获得不同的产品，如粉末、薄膜、纤维等。溶胶-凝胶法仍然存在着需要注意的缺点：（1）所用原料多为有机化合物，成本较高，有些对健康有害。（2）处理过程时间较长，制品易产生开裂。（3）若烧成不够完善，制品中会残留细孔及OH-或C，后者使制品带黑色。此种方法广泛应用于玻璃、陶瓷、高超导材料、纳米材料及各种复合材料的制备。2.4原位合成工艺04原位合成工艺是在一定条件下，通过元素和元素之间的物理化学反应（置换反应、氧化还原反应、相变、成核和结晶、化合和分解反应等），在基体表面原位形成一种或多种高强度、高硬度的增强颗粒，从而起到强化基体的作用。图1.2：原位合成工艺2.4原位合成工艺040102030405特点（1）避免了与基体相容性不良的问题，且界面结合强度高。（2）不易出现增强相的团聚或偏析，生成颗粒细小。（3）工艺简单，成本较低。（4）在保证材料具有较好韧性和高温性能的同时，可较大幅度地提高材料的强度和弹性模量。（5）工艺上可实现连续生产和近净成形工艺，能与铸造工艺结合，直接制造出形状复杂、尺寸变化大是近终形产品。2.5热喷涂04利用某种热源把细微而分散的金属和非金属喷涂材料加热到熔化或半熔化状态，并高速喷向基体材料的表面，而形成各种所需的涂料的一种技术。这种喷涂工艺几乎可以喷涂所有的工程材料，如硬质合金、陶瓷、金属、石墨和金属陶瓷。热喷涂的原理图1.3：热喷涂技术原理图2.5热喷涂04热喷涂的特点方便维修，适合多种基材。沉积效率较高。节约贵重材料。基体材料的热影响小。调整涂层成分比较容易。不受工件尺寸和施工场所的限制。容易对产品进行局部强化或改性。热喷涂的缺点有：（1）结合强度不大高。（2）涂层含有空隙并且夹杂。（3）热能利用率比较低。（4）工作环境恶劣。2.5热喷涂04几种常见的热喷涂方法1.等离子喷涂：等离子喷涂是由等离子喷枪产生等离子焰流来进行的，是在工作气体电离后将粉末用载气送进高温等离子焰流中，形成涂层。具有温度高，能量集中，弧稳定性好等特点。图1.4：等离子喷涂2.5热喷涂04首先在阴极和阳极（喷嘴）之间产生一直流电弧，该电弧把导入的工作气体加热电离成高温等离子体，并从喷嘴喷出，形成等离子焰，等离子焰的温度很高，其中心温度可达30000K，喷嘴出口的温度可达15000~20000K。焰流速度在喷嘴出口处可达1000~2000m/s，但迅速衰减。粉末由送粉气送入火焰中被熔化，并由焰流加速得到高于150m/s的速度，喷射到基体材料上形成涂层。等离子体喷涂的优点：（1）基体受热小。（2）能够喷涂的材料广泛。（3）工艺稳定，涂层质量高。等离子体缺点：（1）一次性投资较多。（2）需高纯度的氮气或氩气。（3）需加强安全防护措施。源自：百度图片2.5热喷涂042.超音速火焰喷涂：超音速火焰喷涂时火焰喷涂技术最新成果，燃气和氧气以较高压力和流量送入喷枪，混合气体燃烧后产生射流，其速度一般在M2以上，最高可达M7。图1.5：超音速火焰喷涂2.5热喷涂04超音速火焰喷涂的优点：（1）高速火焰连续燃烧，粉末颗粒在焰流中的加热时间较长，颗粒可均匀熔化。（2）由于颗粒高速飞行，与周围大气接触时间极短，与大气几乎不发生任何反应，喷涂材料未受到损害，最大程度上保持原始涂层材料的大部分特征。超音速火焰喷涂的缺点：相较于一般火焰喷涂，喷涂设备复杂且昂贵。源自：百度图片2.6化学热处理04化学热处理是指将金属或合金工件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。化学热处理的分类根据工艺科分为固体法、液体法、气体法及离子轰击法。根据渗入元素可分为渗碳、渗氮、渗硼、渗铬及碳氮共渗、铬铝共渗。根据能源可分为离子渗氮、高频渗碳、电解渗硼及激光合金化。图1.6：化学热处理过程它有四个基本过程，分别为渗剂介质的化学反应，活性组分向表面扩散，相界面反应以及产生新相。2.6化学热处理04化学热处理的基本方法介绍其中一种方法：包埋法。包埋法是将基体材料包埋于几种固体混合粉料中，然后在一定温度下热处理，是混合粉料与试样表面发生化学反应而形成涂层包埋法的优点：（1）过程简单，只需要一个单一过程就可以致密的涂层。（2）涂层制备前后基体材料尺寸变化很小。（3）涂层和基体间能形成一定的成分梯度，涂层与基体的结合较好。包埋法的缺点：（1）高温下容易发生化学反应使纤维受损，从而影响C/C基体的机械性能。（2）涂层的均匀性很难控制，往往由于重力等因素而使得涂层上下不均匀。2.7气相沉积法04利用气相中发生的物理、化学过程，在固体材料表面形成功能性或装饰性的金属、非金属或化合物覆盖层的工艺。123气相沉积法的分类1.物理气相沉积法（PVD）是用物理的方法（如蒸发、溅射等）使镀层材料气化，在基体表面沉积成膜的方法。2.化学气相沉积法（CVD）是利用气态物质在固体表面进行活血反应，生成固态沉积物的过程。3.等离子增强化学气相沉积(PCVD)是借助于气体辉光放电产生的低温等离子体增加了反应物质的化学活性,从而在低温下也能在基片上形成新的固体膜,这就突破了CVD只能在高温制膜的局限。2.7气相沉积法04化学气相沉积（CVD）基本原理：在一定温度下通过化学反应生成的固态物质在基体表面沉积形成涂层或薄膜材料。CVD法制备涂层的关键工艺在于以下4个方面：反应速率及产物的选择；基体准备；反应物质化学反应生成涂层；涂层热处理或后处理。CVD法可分为常压化学气相沉积（NPCVD）、低压化学气相沉积（LPCVD）、激光化学气相沉积（LCVD）及金属有机物化学气相沉积（MOCVD）。CVD法的优点：（1）利用CVD法所获得的涂层和化学成分可控。（2）涂层和基体结合牢固。（3）在相对较低的温度下，可沉积多种元素和化学物涂层，可使基体材料避免高温处理而造成的缺陷或力学性损伤。（4）可在常压或低真空下工作。镀膜的绕射性好，形状复杂的工件或工件中的深孔、细孔都能均匀镀膜。2.8表面粘涂技术04表面粘涂技术分类主要由粘涂材料决定，粘涂材料按用途可分为填料涂层、密封堵漏涂层、耐蚀涂层、耐磨涂层、耐温涂层以及特殊涂层。粘涂技术的基本方法料浆法是将涂层材料制成符合一定要求的粉料后与溶剂混合制成浆，加入适当的分散剂和粘结剂，经充分搅拌后涂刷于基体材料表或将基体浸渍于料浆中形成涂层，在一定温度下烘干后于高温惰性气体气氛下进行热处理。优点是涂层工艺较为简单，涂层的厚度较易控制。缺点是涂层与基体材料的结合性较差，涂层的抗热性差，涂层的致密性较难达到要求2.8表面粘涂技术04粘涂技术的适用范围表面粘涂技术适用范围广，可粘涂各种不同的材料，如金属、陶瓷、塑料、水泥制品、橡胶制品等。涂层摩度可以从几十微米到几毫米，均具有良好的结合强度，而电镀、电刷镀、热喷涂等工艺很难保证大厚度涂层不脱落。表面粘涂技术除能对一般零件进行修复外，尤其适用于以下特殊材料和特殊工况零件的修复。（1)难于或无法焊接的村料制成的零件，如铸铁、硬化钢板、铸铝、铝合金、塑料和有橡胶涂层的金属零部件，用表面粘涂技术修复很理想。（2)薄壁零件，用热修复方法(如堆焊)修复时容易变形和产生裂纹，用表面粘涂修复可以避免这些问题