激光裂解制备SiMOC非晶纳米晶耐磨陶瓷涂层及磨损机理研究

The effective way to solve the pure metal material difficulty of reliable service in harsh conditions is the preparation of ceramic coating on metal surface preparation of high temperature resistance，corrosion resistance, abrasion resistance, Using a controlled high energy laser on organic polymer material system with point-by-point fast heating and solidification for preparing ceramic coating is a new preparation of ceramic coating technology. Therefore，this applications intends through laser cracking material system and laser cracking process parameter of optimization research, effective control the generation of pores and cracks in the ceramic coating of SiMOC (M=Ti, Al…), obtained a new method for preparing SiMOC ceramic coating. Through research freshmen metal carbide of exists form and interface features, clear its influence law on SiMOC ceramic coating microstructure, especially on the effect of existing form of carbon element. Combining SiMOC ceramic coating composition, mechanical properties and tribological properties, establish a relationship between laser crackingmaterial system-laser pyrolysis process -ceramic coating composition-friction reduction and antiwear performance, reveal the wear mechanism of SiMOC ceramic coating , for the development of high-quality ceramic coatings prepared technology on the metal surface to accumulate basic theoretical data and provide technical support.

解决单纯金属材料难以在苛刻工况下可靠服役的有效途径是在金属表面制备耐高温、耐腐蚀、耐磨损的陶瓷涂层，而利用可控高能激光对有机聚 合物材料体系逐点快速加热和凝固制备陶瓷涂层则是一项新的制备陶瓷涂层技术。因此，本申请拟通过激光裂解材料体系和激光裂解工艺参数的优化研究，有效控制SiMOC（M=Ti,Al....,下同）陶瓷涂层中孔隙和裂纹等缺陷产生，获得一种制备SiMOC陶瓷涂层的新方法；通过研究新生金属碳化物的存在形式和界面特征，明确其对SiMOC陶瓷涂层微结构、特别是碳元素的存在形式的影响规律；结合SiMOC陶瓷涂层组成结构、力学性能和摩擦性能等的研究，建立激光裂解材料体系-激光裂解工艺-陶瓷涂层组成-减摩抗磨性能之间的关系，揭示SiMOC陶瓷涂层的磨损机理，为发展金属表面高效制备高质量的陶瓷涂层积累基础理论数据和提供技术支持。

采用先驱体转化陶瓷法（PDC法）制备陶瓷涂层是一种近年来较为前沿的制备方法，在金属表面原位制备防腐耐磨陶瓷涂层是一种新型的方法。获得了激光裂解制备SiMOC陶瓷涂层的材料体系。通过研究不同类型有机高聚物在激光作用下的成膜性能，设计并优化出适合于激光裂解的聚硅氮烷和硅氧烷两个材料体系，其中含硅氢键的材料体系更适用于激光裂解制备陶瓷涂层。. 通过工艺参数控制获得了结构、性能可控的激光裂解陶瓷涂层，并明确了材料体系组成-激光裂解工艺-陶瓷涂层组成-减摩抗磨性能之间的内在规律，提出SiMOC陶瓷涂层的形成机理。在优化工艺参数下，激光裂解聚合物材料可制备出晶粒尺寸在100 nm以内，含单晶和多晶结构的β-SiC、SiO2陶瓷涂层，但其致密性和裂纹缺陷有待改善；通过添加微米级Al、Ti微粒，可在激光裂解过程中与硅氧烷中的C、O、Si发生反应生成新的陶瓷相，如加入Ti微粒可生成TiC和TiO2陶瓷相，新生陶瓷相使激光裂解制备的陶瓷涂层表面致密平滑，孔隙、裂纹基本消失，但存新生陶瓷相在涂层中分布不均匀的现象；选择二茂铁、钛酸四丁酯等金属有机化合物，通过超声分散使金属有机化合物均匀分散在高聚物先驱体中，使制备的陶瓷涂层表面平整致密，新生陶瓷相分散均匀，晶粒尺寸比较细小，大部分在100nm以内，陶瓷涂层主要由单晶和多晶结构的SiC，非晶态TiO2-SiO2组成。实验发现，激光裂解先驱体陶瓷化转变不仅仅是一个光化学反应过程，同时还伴随着一定是热裂解过程，是光和热复合物理化学作用过程。. 获得在金属表面原位制备SiMOC陶瓷涂层新方法。提出将钛酸四丁酯通过化学反应接枝到γ-缩水甘油氧丙基三甲氧基硅烷上，制备出了含钛有机硅高聚物材料体系，通过激光裂解一体化制备出由晶态TiO2和非晶态SiO2组成的SiTiOC陶瓷复合涂层，其中激光功率为500 W时激光裂解制备的SiTiOC陶瓷复合涂层具有优异的摩擦磨损性能，磨损 机理由基体的磨粒磨损与黏着磨损转变为陶瓷涂层的黏着磨损。