一种用于金属基材的耐高温绝缘涂层及其制备方法

本发明涉及金属基材的高温电气绝缘涂层，具体涉及一种用于金属基材的耐高温绝缘涂层及其制备方法，属于陶瓷绝缘材料领域。

背景技术：

1、随着航天、航空、核电以及石油井下作业等领域的发展，极端工作环境对设备以及科学装置中金属部件的高温绝缘性能提出了更高的要求。要求金属材料在高温(大于600℃)环境下稳定使用。尤其是动力设备电机中的关键材料电磁线的性能和质量直接影响电机的工作寿命。尤其是无氧铜、弥散铜等具有电导率大、热导率高、适当的抗张强度和良好的柔软性等特性，已被广泛应用于电工器材和导热器材，并逐步取代铝合金应用于冷却装置和微电子领域。在高温环境或湿热环境领域，依赖无氧铜、弥散铜的高温下电阻变化小的特点，可将它们用于耐高温、耐辐射、耐湿热的电磁线制备。

2、耐高温绝缘涂层是解决电磁线或电磁泵绕组在实际应用过程中表面电气绝缘的关键。鉴于无氧铜、弥散铜等一般具有较大的热膨胀系数(～1.65×10-5/℃)，因此在铜基体表面制备耐高温绝缘涂层时，应优先考虑两者的热匹配。本发明以高温下材料的电气绝缘特性为主要特征，从涂层与铜导体的附着性、柔软性、耐温性、耐核辐射性、耐湿热性、耐磨性等多方面综合考虑选择涂层材料，并使用简单的工艺将陶瓷绝缘涂层涂覆、烧结在铜及铜合金基材表面。目前通常使用的耐高温绝缘材料是高温绝缘漆、复合绝缘材料以及无机绝缘材料等，高温绝缘漆主要为有机类，使用温度低于220℃，若在有机材料中添加无机粉料使用温度可以提升至300℃。复合绝缘材料则是在导电材料外缠云母带，然后涂敷漆层，可在400℃短时使用，但绝缘层厚度较厚。无机绝缘采用pbo-sio2-b2o3体系的玻璃作为绝缘材料其使用温度一般在450℃以下。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明的目的在于提供一种用于金属基材的耐高温绝缘涂层及其制备方法。

2、一方面，本发明提供了一种用于金属基材的耐高温绝缘涂层，所述陶瓷绝缘涂层所用原料包括玻璃微粉、耐高温陶瓷微粉和粘土；优选地，所述陶瓷绝缘涂层所用原料，按质量分数计包括：玻璃微粉：60～85wt％，耐高温陶瓷微粉：10～30wt％，粘土：3～5wt％。

3、本发明中，在金属基材表面制备可在600℃及以上高温使用的绝缘涂层，包括：特点1是绝缘涂层，特点2是可高温使用。本发明制备的耐高温陶瓷绝缘涂层，其长期使用温度可达600℃，短期(48小时)最高使用温度可达1000℃。

4、较佳的，所述玻璃微粉的组成为bao-sio2-b2o3-al2o3，各组成氧化物的质量百分比为bao：25～70wt％、sio2：15～40wt％、b2o3：10～15wt％和al2o3：5～12wt％。本发明中玻璃粉料的特定组成配置主要考虑两个因素：(1)与涂层的热膨胀系数与过渡层相匹配。本发明中铜的热膨胀系数约为1.67×10-5/℃，镍的热膨胀系数约为1.3×10-5/℃，因此本发明需要制备具有高热膨胀系数的玻璃粉料。(2)玻璃粉料的玻璃软化温度必须高于600℃，使其能够在高温下长期使用。

5、较佳的，所述玻璃微粉的粒径为200nm～5μm。

6、较佳的，所述耐高温陶瓷微粉为cr2o3粉或/和al2o3粉；所述耐高温陶瓷微粉的纯度99％以上；所述耐高温陶瓷微粉的细度不大于0.5μm。其中，陶瓷微粉选择了cr2o3或al2o3，这两种材料都具有优异的抗氧化性能，可以有效增强涂层的抗氧化性能，能够在高温下长期使用。

7、较佳的，所述金属基材包括：金属镍基材、镍基合金基材(如镍铬合金基材等)、不锈钢基材、难熔高温合金(如铌钨合金等)和铜及铜合金基材。除了铜及铜合金基材之外，其他金属基材具有很好的高温抗氧化性能，不需要制备镍过渡层，可以直接涂敷制备陶瓷绝缘涂层。

8、又，较佳的，当金属基材为铜及铜合金基材时，还包含依次形成在铜及铜合金基材和陶瓷绝缘涂层之间的金属镍过渡层；所述金属镍过渡层的厚度为10～20μm；所述陶瓷绝缘涂层的厚度为20～40μm，具有很好的绕曲性。中间为金属镍过渡层，主要起到三个作用：(1)金属镍具有一定的抗氧化作用，外层料浆在高温烧结过程中能对铜基材起到很好的抗氧化保护作用，如果不制备金属镍过渡层，烧结过程中铜原子将扩散至陶瓷涂层表面生成氧化铜，无法制备绝缘涂层；(2)金属镍的热膨胀系数正好处于铜基材与绝缘涂层的之间，与两者都有很好结合强度，确保了涂层结合性好，不脱落。(3)金属镍作为过渡层，还能有效抑制高温下铜向外层绝缘涂层的扩散，确保材料在高温长时使用过程中仍能保持良好的绝缘性能。

9、另一方面，本发明提供了一种用于金属基材的耐高温绝缘涂层的制备方法，包括：

10、(1)将玻璃微粉、耐高温陶瓷微粉、粘土、助剂和溶剂混合，得到混合浆料；

11、(2)将所得混合浆料涂覆在金属基材表面，再经烧结和退火，得到所述用于金属基材的耐高温绝缘涂层。

12、本发明制备的耐高温绝缘涂层，其绝缘性能由外层的玻璃陶瓷粉体和陶瓷微粉共混烧结而成，具有优异的高温绝缘性能。

13、较佳的，当金属基材为铜及铜合金基材时，先采用改性瓦特镍镀液在金属基材表面制备金属镍过渡层；优选地，所述改性瓦特镍镀液的溶质组成包括：niso4·6h2o、nacl、h3bo3、十二烷基硫酸钠；其中niso4·6h2o的含量为320～350g/l，nacl的浓度为12～15g/l、h3bo3的浓度为35～40g/l、十二烷基硫酸钠的浓度为0.1～0.5g/l；所述改性瓦特镍镀液的溶剂为去离子水。

14、所述金属镍过渡层的制备参数包括：ph＝3～4，温度为50～60℃，阴极电流密度为0.5～1a/dm2，时间为90～240分钟。

15、较佳的，所述溶剂为无水乙醇或/和去离子水；

16、所述溶剂的质量与玻璃微粉、耐高温陶瓷微粉、粘土和助剂总质量的比为(1～1.5)：1。

17、较佳的，所述烧结的气氛为空气，温度为900～1000℃，时间为5～15分钟；所述退火的气氛为空气，温度为550～650℃，时间为60～90分钟。

18、有益效果：

19、(1)本发明提供了一种能在金属基材(例如铜及铜合金基材等)表面实施的耐高温绝缘涂层，所述涂层具有高的软化温度和与基材相匹配的热膨胀系数；

20、(2)本发明提供的绝缘涂层，其长期使用温度可达600℃，短期最高使用温度可达1000℃，20～30微米的陶瓷绝缘涂层厚度保证了该涂层仍具有良好的绕曲性，表明陶瓷涂层与基体具有优异的结合性能；

21、(3)本发明提供的绝缘涂层具有与铜导体的附着性、耐温性、耐核辐射性、耐湿热性、高温电气绝缘性佳等特点，因此本发明公开的制备技术可应用于耐高温耐辐射陶瓷绝缘电磁线、热交换回路中电磁泵铜绕组以及金属部件的高温绝缘涂层制备，广泛应用于核反应堆、航空航天、工业机械、石油井下作业等动力设施，包括核反应堆的电磁泵、电磁阀、微型浮子式液体比重计、流量计、磁探头、传动装置的电磁线圈，工业机械的高温液体泵电机、绝缘的热电偶，石油井下作业的变频电机，以及高真空装置用电机、电加热器等。