一种高导热、自润滑绝缘涂层及其制备方法与流程

本发明属于粉末材料及表面涂层加工，尤其涉及一种高导热、自润滑绝缘涂层及其制备方法。

背景技术：

1、氧化铝涂层因其优异的绝缘性能和化学稳定性而被广泛应用于电子、电气，半导体，电机等领域。然而传统的氧化铝绝缘涂层热导率较低，限制了其在高功率、高散热环境下动绝缘部件上的应用。因此，在保持其电绝缘的基础上提高氧化铝涂层的热导率并增加接触面的自润滑性能成为一项很有价值的研究点。

2、氮化铝是一种六方晶系钎锌矿型结构形态的共价键化合物，氮化铝的晶体结构决定了其出色的热导性和绝缘性，介电性能。根据《氮化铝陶瓷的流延成型及烧结体性能研究》的研究表明，由于组成氮化铝分子的两种元素的原子量小，晶体结构较为简单，简谐性好，形成的al-n键键长短，键能大且共价键的共振有利于声子传热机制，使得氮化铝材料具备优异于一般非金属材料的热传导性。相较于其他陶瓷材料，氮化铝结构陶瓷的机械性能好，硬度高，韧性好于氧化铝陶瓷。

3、氮化硼c-bn作为一种宽禁带半导体材料，具有高热导率、高电阻率、高迁移率、低介电常数、高击穿电场、能实现双型掺杂且具有良好的稳定性，氮化硼也因其明显的润滑功效多被用于自润滑涂层中。

4、目前涉及氧化铝涂层的改性多以增韧为目的，而用等离子喷涂方法制备涂层并添加了氮化铝、氮化硼以提高氧化铝绝缘涂层热导率及润滑性却鲜有报道。因为氮化铝，氮化硼材料相对于氧化物陶瓷，其热稳定性较低，在喷涂时会因受高温而氧化、分解挥发，使二者的沉积效率降低，且涂层内部成分不均匀，影响涂层的热导率及自润滑性。如何利用氮化铝、氮化硼和氧化铝粉末制备同时具有高热导率和自润滑性的涂层是本领域亟待解决的问题。

5、在粉体制备方面，多数研究以溶胶-凝胶，共沉淀法等湿化学方法等工艺将混合粉末料浆预先涂覆在基材表面，再进行后续固化处理形成涂层，cn109369158公开了一种团聚法，在氧化铝中仅单一加入氮化铝粉末，而并未体现出后续涂层加工制备的具体方法，cn114774911公开了以有机溶剂聚乙烯吡咯烷酮水溶液，将氧化铝、氮化硼和氧化铈混合成浆料后涂覆在工件表面，再以激光熔覆的方式形成涂层。cn115820009 a展示了一种将氮化铝、氮化硼、氧化铝、聚甲基丙烯酸甲酯混合并搅拌制成浆料；将浆料涂布到零部件表面并烘干形成涂层的方案。cn116376321a公开了采用包覆法在六方氮化硼复合粉体表面制得含有氧化铝包覆层，该发明方案仅包含了氮化硼粉体，未有证据表明该粉体是否适用于热喷涂工艺。在其他现有技术中，还有热压烧结法，也有利用cvd、pvd等各种等离子辅助沉积方法在真空条件下只能获得单层氮化硼或含氮化硼相薄膜，且存在工艺复杂、耗时长，成本高，某些特殊零件不宜于直接放置涂层制备容器内整体加热实现涂层沉积等工艺实现问题。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种高导热、自润滑绝缘涂层及其制备方法。本发明将特定制粉方法与等离子束热喷涂方法结合，将氮化铝，氮化硼纳米颗粒引入氧化铝粉末中，在等离子喷涂工艺制备涂层的同时采用氩气ar作为氛围保护气体，成功制备出了涂层同时实现了热导率和自润滑性能的提升。

2、本发明的技术方案如下：

3、本发明第一方面保护一种高导热、自润滑绝缘涂层的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

4、s1：将基材清洗烘干后进行表面处理后备用；

5、s2：将粉末材料喷涂在步骤s1处理的基材表面，得到绝缘层；

6、s3：封孔处理，得到高导热、自润滑绝缘涂层。

7、优选地，步骤s1中，所述表面处理是采用喷砂进行表面的粗化和活化处理；所述喷砂的压力0.1-0.6mpa，喷砂的距离30-140mm。

8、优选地，步骤s2中，所述喷涂采用可控气氛等离子体喷涂，其中，氩气为主气体和保护气，氢气为辅助气体。

9、优选地，所述可控气氛等离子体喷涂的参数为：电流300-650a，电压50-80v，辅助气体流量1-15l/min，扫描速度150m/min，送粉量20-150g/min，送粉载气流量2.0-12.0l/min，主气体流量25-75l/min，主气体压力0.3-0.8mpa，辅助气压力0.5-0.8mpa，喷涂距离100-250mm，喷涂角度70-90°，喷涂室内压力0.5-1.0mpa。

10、优选地，喷涂过程中，基材表面的温度≤150℃。

11、优选地，所述粉末材料的制备方法为：

12、s2-1：将氧化铝粉末、氮化铝粉末、氮化硼粉末预混合，得到预混合粉末；

13、s2-2：将预混合粉末与助剂在挤压式反应釜中进行三段式高速机械包覆制粉；得到机械预包覆粉末。

14、s2-3：将步骤s2-2的机械预包覆粉末与前驱体溶液混合后，经喷雾干燥，得到包覆型粉末材料。

15、优选地，步骤s2-1中，所述预混合为球磨混合；所述球磨的时间为8-15h，球磨介质为氧化铝球。

16、优选地所述预混合粉末，按质量百分比计，包括如下组分：氮化铝15％-25％，氮化硼10％-25％，氧化铝50％-75％；其中，氧化铝的粒度为1-50μm，氮化硼的粒度为0.1-5μm，氮化铝的粒度为0.1-5μm。

17、优选地，步骤s2-2中，所选助剂为粘结剂；所述粘结剂占预混合粉末与粘结剂总质量的1％-10％。

18、优选地，所述三段式高速机械包覆包括：第一段机械包覆、第二段机械包覆和第三段机械包覆；

19、其中，

20、所述第一段的机械包覆条件包括：挤压头与釜壁间距为0.5-4cm，转子转速v1为500-1600r/min，包覆时间t1为10-30min；

21、所述第二段的机械包覆条件包括：挤压头与釜壁间距为0.5-4cm，转子转速v2为1500-2500r/min，包覆时间t2为5-10min；

22、所述第三段的机械包覆条件包括：挤压头与釜壁间距为0.5-4cm，转子转速v3为800-1500r/min，包覆时间t3为6-15min；

23、三段式高度机械包覆制粉中，转子转速与包覆时间满足如下关系式：v1＜v3＜v2，且t1＞t3＞t2。

24、优选地，步骤s2-3中，所述机械预包覆粉末与前驱体溶液的质量比为1:(1-9)；所述前驱体溶液是将碳酸钠溶液与硝酸铝溶液混合反应，得到含氢氧化铝絮状沉淀物的前驱体溶液；所述碳酸钠溶液的质量浓度为25-35％；所述硝酸铝溶液的浓度为0.6-1.5mol/l。

25、优选地，所述喷雾造粒塔的参数设置为：炉温为100-170℃，出风口温度为180-250℃，雾化盘转速为20-40r/s。

26、优选地，所述包覆型粉末材料从内向外包括氧化铝内层、氮化铝-氮化硼层、氧化铝外层；所述氧化铝外层的厚度为2-12μm。

27、优选地，所述包覆性粉末材料的粒度为15-100μm。

28、本发明第二方面保护一种上述第一方面所述制备方法制备的高导热、自润滑绝缘涂层，所述涂层的厚度为0.10-1.2mm。

29、本发明有益的技术效果在于：

30、本发明通过将预先将细小颗粒氮化硼，氮化铝通过机械包覆在以氧化铝为核心骨架的粉末表面后，再利用化学包覆法在所得包覆粉末外表面包覆一层氧化铝膜，实现了对氮化硼，氮化铝的夹心包覆，再利用可控气氛的等离子束热喷涂于预处理的基材表面，成功将氮化铝、氮化硼颗粒引入氧化铝粉末中，喷涂制备涂层，实现了绝缘涂层热导率和自润滑性能的提升。

31、本发明通过首先采用高速机械融合方法进行包覆，实现了用氮化铝，氮化硼粉末对主体骨架氧化铝粉末的紧实包覆；其过程是通过高速机械融合，利用挤压头对颗粒进行挤压，实现粘接剂对包覆层的完全包覆，提高包覆层的致密性和紧实度，通过挤压头距离和与釜壁相互运动速度的设置，避免了粉末颗粒之间的黏连，使粉末在短时间内牢固粘附于母颗粒上形成复合颗粒。同时，在机械包覆后进一步采用化学包覆，将经过机械混合包覆得到氮化铝，氮化硼包覆氧化铝核心的初级粉末与前驱体溶液混合，喷雾造粒，使氢氧化铝脱水变为氧化铝，从而制得的氧化铝包覆氮化铝，氮化硼机械包覆含有氧化铝核心的复合粉体，避免了在喷涂过程中，氮化铝，氮化硼因高温等离子束流被热分解或氧化的同时，提高了氮化硼，氮化铝在涂层中有效的沉积率，最大程度的保证了涂层中氮化铝，氮化硼的含量接近分体中的含量。