陶瓷的加工和改性陶瓷的加工改性和改性.ppt

第五章 陶瓷的加工及改性 第六节 陶瓷表面改性新技术 一、热喷涂法（thermal spraying）：利用氧乙炔（丙烷）火焰、电弧或等离子等高温热源将欲涂覆的各种涂层材料熔化或软化，并用高速射流使之雾化成微细颗粒液滴或高温颗粒，喷射到经过预处理的基体表面工件表面，从而与基体形成一层牢固的涂层的技术，达到高度耐磨、减摩、耐蚀、耐高温以及修补恢复尺寸等目的 二、冷喷涂法：利用高压气体携带粉末颗粒从轴向进入喷枪产生超音速流，粉末颗粒经喷枪加速后在完全固态下撞击基体，通过产生较大的塑性变形而沉积于基体表面形成涂层 三、溶胶－凝胶法（sol-gel）：用易水解的金属醇盐或无机盐，在某种溶剂中发生水解反应，经水解缩聚形成均匀的溶胶，将溶胶涂覆在金属的表面，再经干燥、热处理（焙烧）后形成涂层 5.6.1 陶瓷材料传统的表面改性技术 四、物理－化学气相沉积法（physical – chemical vapor deposition）： 气相沉积是指以材料的气态（或蒸汽）或气态物质化学反应的产物在工件表面形成涂层的技术，前者称为物理气相沉积（PVD），后者称为化学气相沉积（CVD） 。 物理气相沉积有溅射法、离子镀法、真空蒸镀法等。对于陶瓷基体来说，用的较多的是溅射法。溅射法是通过待镀材料源和基板一起放入真空室内，然后利用正离子轰击作为阴极的靶，以动量传递的方法使靶材中的原子、分子溢出并在基板表面上凝聚成膜 。 化学气相沉积是指在相当高的温度下，混合气体与基体的表面相互作用，使混合气体中的某些成分分解，并在基体表面形成一种金属或化合物的固态薄膜或镀层。 五、熔盐反应法（molten salt reaction）：其原理是利用过渡金属在熔盐里歧化反应，在陶瓷表面沉积金属薄膜和涂层，从而改善陶瓷表面的润湿性能 5.6.2 陶瓷表面改性新技术 一、离子注入技术（ion implanting）： 它是将所需的元素（气体或金属蒸汽）通入电离室电离后形成正离子，将正离子从电离室引出进入几十至几百千伏的高压电场中加速后注入材料表面，在零点几微米的表层中增加注入元素的浓度，同时产生辐照损伤，从而改变材料的结构和各种性能。 （1）离子注入技术原理及装置 离子注入是指从离子源中引出离子，经过加速电位加速，离子获得一定的初速度尔后进入磁分析器，使离子纯化，从磁分析器中引出所需要注入的纯度极高的离子。加速管将选出的离子进一步加速到所需的能量，以控制注入的深度。聚焦扫描系统将粒子束聚焦扫描，有控制地注入陶瓷材料表面。离子注入装置如右图所示 离子注入机示意图 离子注入技术的特点 ： ①离子注入是一个非平衡过程，注入元素不受扩散系数、固溶度和平衡相图的限制，理论上可将任何元素注入到任何基体材料中去。 ②离子注入是原子的直接混合，注入层厚度为0.1μm，但在摩擦条件下工作时，由于摩擦热作用，注入原子不断向内迁移，其深度可达原始注入深度的100~1000倍，使用寿命延长。 ③离子注入元素是分散停留在基体内部，没有界面，故改性层与基体之间的结合强度很高，附着性好； ④离子注入是在高真空（10-4~10-5Pa）和较低的温度下进行的，因此工件不产生氧化脱碳现象，也没有明显的尺寸变化，故适宜工件的最后表面处理。 ⑤缺点：有时无法处理复杂的凹面和内腔；注入层较薄；离子注入机价格昂贵，加工成本较高。 ①金属蒸汽真空弧离子源是利用阴、阳极间的真空电弧放电原理来建立等离子体的右图为MEVVA源的电源原理。 （2）金属蒸汽真空离子源技术（metal vapor vacuum arc） MEVVA源的电源原理 ②特点： （1）能给出的离子种类多 （2）注入效率高 （3）离子电荷态高，可大幅度地降低注入机的制造成本 （4）离子束纯度高，进一步降低注入机的制造成本 （5）可实现多种元素的离子在相同条件下的注入和掺杂，并省去重复抽真空的时间。 （3）离子注入对陶瓷表面材料表面力学性能的影响 ①离子注入对陶瓷表面材料断裂韧性的影响： 陶瓷材料的致命缺陷是脆性大，利用离子注入可以在一定程度上提高陶瓷的断裂韧性。 ②离子注入对陶瓷抗弯强度的影响： 因为离子注入使材料表面产生辐照损伤，体积膨胀，产生表面压应力，这是材料强度增加的主要原因，但是如果材料表面的裂纹尺寸超过了注入引起的表面压应力的厚度，其增强效果会减小。 ③离子注入对陶瓷硬度的影响： 一般来说，低剂量注入时，离子束引起表面硬化，使得材料硬度会增大，但是剂量增到一定程度时，当陶瓷表面呈无定形后，硬度就会急剧下降。 ④离子注入对陶瓷摩擦性能的影响： 陶瓷材料的摩擦损失常与表面性能有密切关系