Способ формирования многослойного покрытия, содержащего наночастицы

Изобретение относится к области получения покрытий, содержащих наночастицы, и может быть использовано при формировании лакокрасочных, радиопоглощающих, светоотражающих, защитных и других функциональных покрытий. Способ включает подачу по крайней мере двух компонентов в сверхзвуковой поток рабочего газа и послойное их нанесение при изменяющемся содержании компонентов при переходе от слоя к слою. При этом из упомянутых компонентов предварительно приготавливают по крайней мере одну композицию, содержащую по крайней мере один компонент в виде порошка и по крайней мере один компонент в виде жидкости. Затем перемешивают композицию с наночастицами в виде фуллеренов или углеродных нанотрубок. После чего формируют газодинамический факел распыления путем подачи по крайней мере одной струи из полученной композиции и по меньшей мере двух взаимодействующих между собой сверхзвуковых струй рабочего газа, охватывающих струю композиции с диспергированием, перемешиванием и гомогенизацией компонентов композиции в упомянутом факеле. Технический результат - повышение прочностных и других функциональных свойств покрытия. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к области получения покрытий с наночастицами, используемых в химической, металлургической, лакокрасочной промышленности, в частности, изобретение может быть использовано при формировании лакокрасочных, радиопоглощающих, светоотражающих, защитных и других функциональных покрытий.

Известно «Многослойное антикоррозионное покрытие с углеродными нанотрубками» по патенту РФ №2312875, состоящее из грунтовочного слоя толщиной 80…100 мкм, промежуточного слоя толщиной 70…90 мкм и покрывного слоя, сформированных из лакокрасочного материала на основе пленкообразующего и содержащего от 10 до 48 об.% углеродных нанотрубок, от 40 до 86 об.% высокодисперсного цинкового наполнителя, и общей толщиной 220…240 мкм.

Недостатком известного покрытия по патенту РФ №2312875 является низкая однородность в каждом отдельном слое покрытия, вызванная сложностью равномерного распределения углеродных нанотрубок и высокодисперсного цинкового наполнителя в лакокрасочном материале при формировании каждого отдельного слоя покрытия.

Известен «Способ получения наноструктурированных функционально-градиентных износостойких покрытий» по патенту РФ №2354749, принятый в качестве ближайшего аналога, включающий подачу порошковой композиции, по крайней мере, из двух дозаторов в сверхзвуковой поток подогретого газа с образованием гетерофазного потока и нанесение порошковой композиции на поверхность изделия, при этом из первого дозатора в сверхзвуковой поток подогретого газа вводят армирующие неметаллические ультрадисперсные частицы Аl₂О₃ фракции от 0,1 до 1,0 мкм и проводят обработку поверхности изделия до образования ювенильной поверхности, затем из второго дозатора наносят промежуточный слой из порошка одного или нескольких металлов из группы: Аl, Cu, Ni, Zn, Sn, Ti, Pb, Co и/или сплавов на их основе, после чего производят нанесение функционально-градиентного слоя покрытия одновременно из двух упомянутых дозаторов с получением покрытия с содержанием Аl₂О₃, увеличивающимся от промежуточного слоя к поверхности в пределах от 0,1 до 30 об.%.

Недостатком известного способа по патенту РФ №2354749 является низкая однородность по содержанию Аl₂О₃ в каждом отдельном слое покрытия из-за недостаточной эффективности перемешивания и гомогенизации частиц компонентов покрытия в сверхзвуковом гетерофазном потоке.

Перед заявляемым изобретением поставлена задача повышения прочностных и функциональных свойств покрытия за счет повышения однородности содержания компонентов в каждом отдельном слое покрытия и введения в покрытие наночастиц.

Поставленная задача в заявляемом изобретении решается за счет того, что способ формирования многослойного покрытия, содержащего наночастицы, включает подачу по крайней мере двух компонентов в сверхзвуковой поток рабочего газа и послойное их нанесение при изменяющемся содержании компонентов при переходе от слоя к слою, при этом из упомянутых компонентов предварительно приготавливают по крайней мере одну композицию, содержащую по крайней мере один компонент в виде порошка и по крайней мере один компонент в виде жидкости, перемешивают композицию с наночастицами в виде фуллеренов или углеродных нанотрубок и формируют газодинамический факел распыления путем подачи по крайней мере одной струи из полученной композиции и по меньшей мере двух взаимодействующих между собой сверхзвуковых струй рабочего газа, охватывающих струю композиции с диспергированием, перемешиванием и гомогенизацией компонентов композиции в упомянутом факеле.

Могут формировать газодинамический факел распыления путем подачи по крайней мере одной струи из полученной композиции и по меньшей мере двух взаимодействующих между собой сверхзвуковых струй рабочего газа, истекающих из сопел Лаваля.

Могут формировать газодинамический факел распыления путем подачи по крайней мере одной струи из полученной композиции и по меньшей мере двух взаимодействующих между собой сверхзвуковых струй рабочего газа, истекающих из конических сопел, расширяющихся в направлении истечения рабочего газа.

Могут формировать газодинамический факел распыления путем подачи по крайней мере одной струи из полученной композиции и по меньшей мере двух взаимодействующих между собой сверхзвуковых струй рабочего газа, истекающих из сопел, каждое из которых представляет собой щель, расширяющуюся в направлении истечения рабочего газа.

Заявленное изобретение отличается от известного способа по патенту РФ №2354749 тем, что из упомянутых компонентов предварительно приготавливают по крайней мере одну композицию, содержащую по крайней мере один компонент в виде порошка и по крайней мере один компонент в виде жидкости, перемешивают композицию с наночастицами в виде фуллеренов или углеродных нанотрубок и формируют газодинамический факел распыления путем подачи по крайней мере одной струи из полученной композиции и по меньшей мере двух взаимодействующих между собой сверхзвуковых струй рабочего газа, охватывающих струю композиции с диспергированием, перемешиванием и гомогенизацией компонентов композиции в упомянутом факеле.

Указанное отличие позволило получить технический результат, а именно обеспечило повышение прочностных и функциональных свойств покрытия за счет повышения однородности содержания компонентов в каждом отдельном слое покрытия и введения в покрытие наночастиц.

На фиг.1 представлена схема формирования многослойного покрытия. Газодинамический факел распыления образован из струй двух композиций, охваченных двумя взаимодействующими между собой сверхзвуковыми струями рабочего газа, истекающими из конических сопел, расширяющихся в направлении истечения рабочего газа.

На фиг.2 представлен выносной элемент А фиг.1, показан пример истечения сверхзвуковых струй из сопел Лаваля.

На фиг.3 представлен выносной элемент А фиг.1, показан пример истечения сверхзвуковых струй из сопел, каждое из которых представляет собой щель, расширяющуюся в направлении истечения рабочего газа.

На фиг.4 представлен вид Б фиг.3, показан пример конфигурации щели.

Способ формирования многослойного покрытия, содержащего наночастицы (фиг.1), включающий подачу по крайней мере двух компонентов в сверхзвуковой поток рабочего газа и послойное их нанесение при изменяющемся содержании компонентов при переходе от слоя к слою 1, отличается тем, что из упомянутых компонентов предварительно приготавливают по крайней мере одну композицию, содержащую по крайней мере один компонент в виде порошка и по крайней мере один компонент в виде жидкости, перемешивают композицию с наночастицами в виде фуллеренов или углеродных нанотрубок и формируют газодинамический факел распыления путем подачи по крайней мере одной струи 2 из полученной композиции и по меньшей мере двух взаимодействующих между собой сверхзвуковых струй 3 рабочего газа, охватывающих струю 2 композиции с диспергированием, перемешиванием и гомогенизацией компонентов композиции в упомянутом факеле. Слои 1 образуют покрытие 4. Сверхзвуковые струи 3 рабочего газа истекают из сопел 5. Покрытие 4 напыляют на поверхность 6 изделия 7.

Работа по предлагаемому способу осуществляется следующим образом (фиг.1). Из компонентов покрытия 4, которые представляют собой порошки или жидкости, составляют одну или несколько композиций, обладающих текучестью. Композиция может представлять собой лакокрасочный материал, в состав которого входят жидкости (пленкообразователи, растворители, отвердители), металлические и неметаллические порошки (наполнители, пигменты). Каждую композицию предварительно перемешивают для выравнивания концентрации компонентов композиции по ее объему. В одну или несколько композиций при перемешивании вводят наночастицы (фуллерены, углеродные нанотрубки) и перемешивание ведут до равномерного распределения наночастиц по объему композиции. Каждую композицию струями 2 подают в газодинамический факел распыления, представляющий собой совокупность диспергированных рабочим газом капель жидкости и частиц порошка. Расход каждой композиции изменяется по определенному закону. Рабочий газ подают под давлением к соплам 5. В качестве рабочего газа могут использовать воздух, при необходимости - инертные газы (аргон, гелий). Истекающие из сопел 5 сверхзвуковые струи 3 рабочего газа охватывают струи 2 композиций. Струи 2 композиций подвергаются аэродинамическому воздействию со стороны сверхзвуковых струй 3 рабочего газа, приводящему к распаду струй 2 композиций на капли. Применение сопел 5 Лаваля (фиг.2), конических сопел 5 (фиг.1) и сопел 5 в виде щелей (фиг.3, 4), расширяющихся в направлении истечения рабочего газа, позволяет получить сверхзвуковой режим истечения рабочего газа. Сверхзвуковые струи 3 расположены достаточно близко друг к другу и взаимодействуют между собой. При взаимодействии сверхзвуковых струй 3 образуется газодинамический факел распыления с развитой системой скачков уплотнения. Жидкие капли композиций, проходя через скачки уплотнения, дробятся на более мелкие, эти капли, в свою очередь, проходя через следующий скачок уплотнения, также подвергаются дроблению. Таким образом, компоненты композиций в системе скачков уплотнения газодинамического факела распыления диспергируют на мельчайшие капли, в состав которых могут входить частицы порошков, наночастицы, объединенные жидкой пленкой. Образованное облако капель движется внутри газодинамического факела распыления, состоящего из отдельных сверхзвуковых струй 3 рабочего газа. По мере падения скорости струй 3 рабочего газа имеет место их смыкание в единый многофазный поток, сопровождающееся резкой турбулизацией потока. Турбулизация потока приводит к интенсивному перемешиваю капель, а следовательно, и компонентов покрытия 4. Это приводит к гомогенизации компонентов покрытия 4 в поперечном сечении газодинамического факела распыления. Таким образом, на поверхность 6 изделия 7 поочередно напыляют слои 1 покрытия 4, при этом каждый слой 1 покрытия 4 имеет высокую однородность, так как компоненты покрытия 4 равномерно распределены в объеме этого слоя 1. Необходимо заметить, что содержание каждого компонента покрытия 4 изменяется при переходе от одного слоя 1 к другому и зависит от изменения расхода композиции, в которую входит данный компонент, во время формирования покрытия 4. Наличие наночастиц (фуллеренов, углеродных нанотрубок) и частиц порошка придает покрытию 4 специальные функциональные свойства (электропроводность, теплопроводность, коррозионную стойкость, износостойкость, химическую стойкость и прочие). Например, углеродные нанотрубки имеют высокую электропроводность, что обеспечивает не только надежный электрический контакт, но и стекание статических зарядов с поверхности покрытия 4, обеспечивая электробезопасность изделия. Фуллерены и углеродные нанотрубки обладают очень высокой жесткостью и прочностью, их введение в покрытие 4 придает ему высокую адгезионную и когезионную прочность. В результате диспергации, перемешивания и турбулизации компонентов покрытия 4 в газодинамическом факеле распыления повышается однородность слоев 1 покрытия 4, а сочетание высокой однородности слоев 1 покрытия 4 и наночастиц, содержащихся в них, позволяет повысить прочность покрытия 4 и придать ему специальные функциональные свойства.

Изобретение позволило получить технический результат, а именно обеспечило повышение прочностных и функциональных свойств покрытия за счет повышения однородности содержания компонентов в каждом отдельном слое покрытия и введения в покрытие наночастиц.

1. Способ формирования многослойного покрытия, содержащего наночастицы, включающий подачу по крайней мере двух компонентов в сверхзвуковой поток рабочего газа и послойное их нанесение при изменяющемся содержании компонентов при переходе от слоя к слою, отличающийся тем, что из упомянутых компонентов предварительно приготавливают по крайней мере одну композицию, содержащую по крайней мере один компонент в виде порошка и по крайней мере один компонент в виде жидкости, перемешивают композицию с наночастицами в виде фуллеренов или углеродных нанотрубок и формируют газодинамический факел распыления путем подачи по крайней мере одной струи из полученной композиции и по меньше мере двух взаимодействующих между собой сверхзвуковых струй рабочего газа, охватывающих струю композиции с диспергированием, перемешиванием и гомогенизацией компонентов композиции в упомянутом факеле.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что формируют газодинамический факел распыления путем подачи по крайней мере одной струи из полученной композиции и по меньше мере двух взаимодействующих между собой сверхзвуковых струй рабочего газа, истекающих из сопел Лаваля.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что формируют газодинамический факел распыления путем подачи по крайней мере одной струи из полученной композиции и по меньше мере двух взаимодействующих между собой сверхзвуковых струй рабочего газа, истекающих из конических сопел, расширяющихся в направлении истечения рабочего газа.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что формируют газодинамический факел распыления путем подачи по крайней мере одной струи из полученной композиции и по меньше мере двух взаимодействующих между собой сверхзвуковых струй рабочего газа, истекающих из сопел, каждое из которых представляет собой щель, расширяющуюся в направлении истечения рабочего газа.