激光裂解鈦酸酯改性聚硅氧烷制備陶瓷涂層

喬玉林， 趙吉鑫， 薛胤昌， 梁秀兵

(陸軍裝甲兵學院 機械產品再制造國家工程研究中心， 北京 100072)

引 言

先驅體轉化陶瓷(polymer drived ceramics，PDC)法是首先將聚合物先驅體經過成形、交聯，而后在高溫條件下裂解先驅體并結晶制備陶瓷材料的一種工藝方法。目前PDC法已經廣泛應用于制備陶瓷涂層的研究領域內[1-2]，PDC法中陶瓷相經原位合成，與基體具有優異的結合強度，且具有優異的力學、電化學和摩擦學等性能，而廣泛應用于金屬表面的防腐蝕、抗高溫氧化及抗磨損等領域[3-7]。GOERKE等人在1000℃惰性氣體氛圍中進行熱裂解聚硅氧烷先驅體，在材料表面制備了0.2μm～3μm的非晶態SiOC陶瓷層，研究表明陶瓷涂層極大地提升了基底的防氧化性[8]。但是經PDC法制備的陶瓷材料中往往存在較多孔隙和裂紋，這是由于先驅體在陶瓷化過程中會出現體積收縮和密度變化。因此，常采用添加活性填料制備有機高聚物填料體系，通過熱裂解生成新的陶瓷相來填補因體積收縮產生的孔隙，以降低所制備陶瓷涂層的孔隙率和裂紋[9]。ERNY等人以添加了Ti和MoSi2活性填料聚硅氧烷為先驅體體系，在加熱溫度超過800℃條件下制備了含TiC陶瓷相的復相陶瓷，發現其彎曲強度可達到330MPa[10]。但由于活性填料在先驅體難以分散均勻，導致生成的陶瓷涂層組成分布不均勻。為了解決活性填料在先驅體難以分散均勻的問題，通過制備含金屬元素的有機硅聚合物先驅體進行高溫裂解制備涂層，金屬元素有機硅先驅體可以經化學反應生成新生陶瓷相，提升陶瓷產率，賦予陶瓷材料一些特殊功能，同時避免了金屬粉末的分散問題[11-12]。MOTZ等人通過高溫裂解涂覆在金屬材料表面的經金屬鈦有機化合物改性的聚硅氮烷先驅體涂層，制備了與金屬基體結合性能十分優異的陶瓷涂層[13]。近年來，人們開始用高能激光作為熱源裂解聚合物先驅體制備陶瓷涂層，克服了熱裂解制備涂層材料時間周期長的不足，如XUE等人用CO2激光裂解液態硅氧烷先驅體(polydimethylsiloxane,PDMS)制備出由非晶態SiO2、晶態SiC組成的陶瓷涂層[14]。FRIEDELA等人采用選擇性激光固化(selective laser curing，SLC)對工件表面常溫下為固態粉末的聚甲基硅倍半氧烷(polymethylquisiloxane, PMS)進行裂解制備了SiOC陶瓷涂層，發現工件力學性能有明顯提升[15]。但激光裂解聚合物先驅體制備陶瓷涂層的反應過程、作用機理等很多方面并不清楚。本文中對激光裂解鈦酸四丁酯改性硅氧烷先驅體所制備陶瓷涂層的組成、結構進行了表征，初步研究了其形成機理。

1 實驗部分

試驗中所用聚硅氧烷先驅體為聚二甲基硅氧烷(PDMS，化學純)，其分子量為770～13900、相對密度為0.94，其分子式為(—Si(CH3)2—O—)n。鈦酸四丁酯為工業純，其分子式為Ti(OC4H9)4。

鈦酸四丁酯改性聚硅氧烷的方法如下：按4∶1質量分數分別稱取80g聚二甲基硅氧烷和20g二甲苯后，放入容器中超聲混合5min～10min，然后稱取不同質量的鈦酸四丁酯緩慢滴入聚二甲基硅氧烷和二甲苯的混合溶液中，并繼續超聲分散5min左右，獲得分散均勻質量分數分別為0.05,0.10,0.15和0.20的鈦酸四丁酯改性聚二甲基硅氧烷混合溶液。

激光裂解鈦酸四丁酯改性聚二甲基硅氧烷制備陶瓷涂層的方法：將鈦酸四丁酯改性聚二甲基硅氧烷混合溶液均勻噴涂到清潔的45#鋼表面，80℃下固化1.0h，獲得表面平整、厚度約為0.4mm～0.5mm的透明有機涂層。將該有機涂層放入氬氣保護的裝置內，采用大族激光科技有限公司生產的CST2200型CO2連續高能激光掃描裂解有機涂層，其中激光波長為1.06μm、激光功率為900W、掃描次數為2次、掃描線速率為14mm/s、掃描路徑為S型。激光裂解結束后在空氣中自然冷卻到室溫，即可獲得陶瓷涂層，其工藝流程簡圖如圖1所示。

Fig.1 Process flow chart for the preparation of ceramic coatings by laser pyrolysis of polysiloxane modified by butyl titanate

采用激光裂解鈦酸丁酯改性聚硅氧烷制備陶瓷涂層，其工藝流程主要包括先驅體體系制備-涂覆-固化-裂解-結晶。相對于PDC法的成形-交聯-裂解-結晶過程所需較長制備周期而言[16]，激光裂解先驅體制備陶瓷涂層的過程大幅度減少了先驅體體系裂解所需時間，其裂解時間主要取決于激光的掃描速率及掃描次數，高能激光的快速注入在極短時間內為先驅體陶瓷化提供了反應條件，使其迅速加熱裂解，生成陶瓷涂層。

用Nova NanoSEM50型掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM) 分析陶瓷涂層的表面形貌，用DX-2700型X射線衍射儀(X-ray diffraction,XRD)分析陶瓷涂層物相組成，用K-Alpha型X射光電子能譜儀(X-ray photoelectron spectroscope,XPS)分析陶瓷涂層表面特征元素的化學價態，結合能測量精度為±0.1eV。

2 結果與討論

圖2是激光解不同質量分數w的鈦酸四丁酯改性聚硅氧烷制備陶瓷涂層的SEM照片?？梢钥闯?，鈦酸四丁酯的質量分數對激光裂解鈦酸四丁酯改性聚二甲基硅氧烷制備陶瓷涂層的表面形貌有很大影響。當鈦酸四丁酯的質量分數為0.00時，所制備的陶瓷涂層的表面堆積了大量絮狀物，而且存在大量微小孔隙，見圖2a；當鈦酸四丁酯質量分數為0.05時，涂層表面的絮狀物和微小孔隙基本消失，出現大量的顆粒物，表面較為平整，見圖2b。鈦酸四丁酯添加質量分數的不同對所制備陶瓷涂層表面陶瓷涂層表面形貌和顆粒物大小及孔隙都有較大影響，見圖2c～圖2e。

Fig.2 SEM images of ceramic coatings prepared by laser pyrolysis of polydimethylsiloxanes modified by titanyl titanat

圖3是激光裂解質量分數為0.05鈦酸四丁酯改性聚二甲基硅氧烷所制備陶瓷涂層不同區域的能譜儀(energy dispersive spectroscopy，EDS)分析。其中區域Ⅰ中特征元素C，O，Si和Ti的相對含量分別為9.27%,8.98%,78.79%和2.96%，區域Ⅱ中特征元素C,O,Si和Ti的相對含量分別為9.45%,9.33%,77.97%和3.25%?？梢钥闯?，不同區域相同元素的相對含量基本接近，其中Ti元素的相對含量均在3%左右，說明Ti元素在涂層表面分布均勻，并未出現添加金屬粉末時該元素在涂層表面出現的分散不均問題。

Fig.3 EDS analysis of different areas of ceramic coatings prepared by laser pyrolysis of polydimethylsiloxane modified by butyl titanate(mass fractionw=0.05)

圖4中給出了激光裂解不同質量分數鈦酸四丁酯改性聚硅氧烷制備的陶瓷涂層的XRD圖。從圖4可以看出，激光裂解鈦酸四丁酯改性聚二甲基硅氧烷獲得的涂層中存在SiC，TiO2和Fe的衍射峰，說明涂層中含有晶態的β-SiC,TiO2和Fe。其中晶態β-SiC和TiO2的衍射峰是激光裂解鈦酸四丁酯改性聚二甲基硅氧烷過程中的新產物引起的，而Fe的衍射峰是由45#鋼基體引起的[14]。

Fig.4 XRD patterns of ceramic coatings prepared by laser pyrolysis of polydimethylsiloxanes modified by butyl titanate of different mass fraction

圖4在7.9°附近出現了TiO2-SiO2的彌散衍射峰，說明TiO2-SiO2以非晶態的形式存在。從圖中還可以看出，隨著鈦酸四丁酯質量分數的增加，TiO2,TiO2-SiO2的衍射峰強度也在增強，說明涂層中含鈦化合物的含量隨鈦酸四丁酯質量分數的增加而增加。

圖5是激光裂解鈦酸四丁酯改性聚二甲基硅氧烷制備的陶瓷涂層表面特征元素的XPS解疊圖譜?？梢钥闯?，激光裂解鈦酸四丁酯改性聚二甲基硅氧烷制備的陶瓷涂層主要由SiO2,SiC,C6H18OSi2,TiO2和(TiO2)56(SiO2)44以及單質C等物質組成。

由上述分析可知，除了激光裂解聚二甲基硅氧烷可生成晶態β-SiC、非晶態SiO2和單質C外[14]，激光裂解鈦酸四丁酯改性聚二甲基硅氧烷還生成了新的陶瓷相TiO2和(TiO2)56(SiO2)44，這些新的陶瓷相由于體積的增加對陶瓷涂層孔隙具有填補作用[9]，因此隨著鈦酸四丁酯質量分數的增大，陶瓷涂層表面變得更為平整，孔隙逐漸減少。

鈦酸四丁酯改性聚二甲基硅氧烷在高能連續激光作用下，激光與鈦酸四丁酯改性聚二甲基硅氧烷發生非平衡態化學反應。由于聚二甲基硅氧烷中Si—O(422.5kJ/mol)的鍵能比C—Si(334.7kJ/mol)的鍵能高，在激光作用下C—Si鍵首先斷裂，生成CH3自由基，在激光粒子的繼續作用下，CH3自由基有一部分可以進一步生成碳自由基和H自由基，Si—O鍵斷裂生成Si和O自由基。

(Si(CH3)2—O—)n+

↓laser particle↓

C+·H ·Si+·O(1)

Fig.5 Curve-fitted XPS spectra of ceramic coatings prepared by laser pyrolysis of polydimethylsiloxanes modified by butyl titanate

這些自由基與自由基之間可能發生下列反應：

·C(free radical)+·Si(free radical)→SiC(s)

·Si(free radical)+·O(free radical)→SiO2(s)

·CH3(free radical)+·Si(free radical)+

·O(free radical)→C6H18OSi2(s)

·C(free radical)+·O(free radical)→CO(g)

·CH3(free radical)+·CH3(free radical)→C2H6↑

·CO(g)+·O(free radical)→CO2(g)↑

·H(free radical)+·H(free radical)→H2(g)↑

(2)

而鈦酸四丁酯在高能粒子的作用下發生下酯化列反應：

TiO2+2H9C4—O—C4H9(3)

新生的TiO2與通過自由基反應生成的SiO2發生混融，生成(TiO2)56(SiO2)44。

因此，鈦酸四丁酯改性聚二甲基硅氧烷在高能連續激光作用，生成了氣態的CO2,CO和 H2，固態的SiO2,SiC,C6H18OSi2,TiO2,(TiO2)56(SiO2)44等物質。反應方程式如下：

SiC(crystalline state)+SiO2(amorphous state)+

(crystalline state)+C6H8OSi2+CO2↑+CO↑+

H2↑+C2H6↑(Si(CH3)2—O—)n+Ti(OC4H9)4(4)

3 結 論

(1)激光裂解鈦酸四丁酯改性聚二甲基硅氧烷制備的陶瓷涂層主要由晶態的SiC,TiO2、非晶態SiO2,(TiO2)56(SiO2)44單質C和C6H18OSi2組成，陶瓷涂層中含鈦化合物的含量隨鈦酸四丁酯質量分數的增加而增加。

(2)激光裂解鈦酸四丁酯改性聚二甲基硅氧烷過程中生成的TiO2,(TiO2)56(SiO2)44等陶瓷相對陶瓷涂層孔隙具有填補作用。隨著鈦酸四丁酯質量分數的增大，陶瓷涂層表面變得更為平整致密，孔隙逐漸減少，涂層表面的顆粒物逐漸變小。

(3)鈦酸四丁酯改性聚二甲基硅氧烷在激光作用下發生非平衡態化學反應，聚二甲基硅氧烷在激光作用下主要發生自由基反應，而鈦酸四丁酯在激光作用下主要發生酯化反應。

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