新型覆铝钢板搪瓷的低温工艺及其密着机理研究

论文摘要

覆铝钢板搪瓷是在覆铝钢板上涂覆功能性无机材料,经过烧成反应形成的复合材料。日本在八十年代中期率先研制出覆铝钢板搪瓷,但是目前国内尚无此类产品,相关理论的系统性研究报道也很少。本文在参考国内外文献的基础上,运用先进仪器和手段,结合热力学动力学理论,系统地研究了新型覆铝钢板搪瓷的低温工艺和密着机理。研究覆铝钢板搪瓷的表面预处理工艺时发现:不同的预处理工艺会对瓷釉层与覆铝钢板基体的结合强度产生重要影响。通过分析不同预处理工艺的影响,找到了较佳的工艺路线。覆铝钢板搪瓷必须在低温下烧成,瓷釉中氧化物比例、烧成温度、烧成时间等因素会影响到搪瓷材料的密着强度。运用Ф函数法计算了主要化学反应的自由能变化,研究发现:瓷釉中的SiO2与铝层中的Al2O3会在低温下自发反应,倾向于生成偏硅酸铝。运用正交实验法分析搪瓷密着强度的影响因素,研究发现:氧化物（SiO2+TiO2）的百分含量的改变对搪瓷密着强度的影响最大,其次是烧成温度,再次是烧成时间。本文采用柠檬酸浸湿滤纸测试了样品的耐酸性,结果表明其具有优良的化学稳定性;分析了釉浆的pH值与样品耐碱性的关系,线性拟合的结果表明:在一定范围内,随着釉浆的pH值增大,样品的质量损耗率逐渐减小;釉浆的pH值与质量损耗率呈现出一定的线性相关性,因此必须合理控制釉浆的pH值。采用XRD对搪瓷瓷釉的晶体结构进行表征。分析XRD图谱发现:烧成前后的瓷釉粉均呈无定形态,引入的部分TiO2以四方金红石型晶体存在;少量析出的TiO2晶体来自于磨加物中,而不是搪瓷熔块中。采用SEM对搪瓷界面显微形貌进行表征发现:界面存在着铁层、铁-铝层,铝-瓷釉层、瓷釉层等,复合层的形成有利于缩小瓷釉层与金属之间在组成、结构和性能方面的差异,保持化学键的过渡和价电子的连续性。采用XPS对搪瓷界面进行元素分析表明:存在着铁、铝、瓷釉元素相互间的扩散。不仅铁、铝元素可以向瓷釉层扩散,也存在着瓷釉元素向金属层的扩散,以及金属元素Fe、Al之间的相互扩散。总结覆铝钢板搪瓷的密着机理认为:由于SEM照片表明覆铝钢板搪瓷的界面不存在相互嵌套的结构,因此可以忽略其层面间的机械力作用;由于存在着铁、铝、瓷釉元素相互间的扩散,原子在界面层发生化学反应形成化合物,因此具有离子键、共价键等化学键力作用;此外由于铁层、铝层、瓷釉层相互靠近结合时,会产生分子间力,与化学键力相比,分子间力非常小,仅起间接作用。因此覆铝钢板搪瓷的密着强度主要是由于化学键力作用的结果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 覆铝钢板搪瓷的历史
• 1.2 覆铝钢板搪瓷的基础研究
• 1.2.1 钢板的成分控制与加工工艺
• 1.2.2 钢板搪瓷的研究
• 1.3 覆铝钢板的生产工艺
• 1.3.1 钢板的化学成分要求
• 1.3.2 覆铝处理的工艺要求
• 1.4 搪瓷密着机理的研究
• 1.4.1 钢板搪瓷的密着机理
• 1.4.2 覆铝钢板搪瓷的密着机理
• 1.4.3 密着强度的影响因素
• 1.5 低温工艺技术研究
• 1.6 界面热力学和理化性能研究
• 1.6.1 热力学计算
• 1.6.2 理化性能测试
• 1.7 本研究的内容和意义
• 第二章 覆铝钢板搪瓷的表面处理与低温工艺
• 2.1 引言
• 2.2 研究过程
• 2.2.1 覆铝钢板的实验要求
• 2.2.2 覆铝钢板的制备过程
• 2.2.3 覆铝钢板的表面处理工艺
• 2.2.4 表面张力的推导
• 2.2.5 表面能的理论估算
• 2.2.6 涂搪处理
• 2.2.7 低温工艺
• 2.2.8 密着强度的测试方法
• 2.3 结果分析和讨论
• 2.3.1 密着强度的测试
• 2.3.2 低温烧成中的化学物理反应
• 2.3.3 界面微观形态分析
• 2.4 小结
• 第三章 覆铝钢板搪瓷瓷釉制备及其理化性能
• 3.1 引言
• 3.2 研究过程
• 3.2.1 搪瓷瓷釉的配方设计
• 3.2.2 基体的表面处理
• 3.2.3 搪瓷瓷釉的制备
• 3.2.4 搪瓷瓷釉的磨加物
• 3.2.5 搪瓷瓷釉的涂搪和烧成
• 3.3 结果和讨论
• 3.3.1 瓷釉的热膨胀系数
• 3.3.2 表面张力计算
• 3.3.3 搪瓷瓷釉的粘度
• 3.3.4 瓷釉对金属的润湿机理
• 3.3.5 搪瓷的耐酸性能
• 3.3.6 搪瓷的耐碱性能
• 3.3.7 搪瓷瓷釉的表面显微结构
• 3.3.8 瓷釉的XRD分析
• 3.4 小结
• 第四章 覆铝钢板搪瓷密着性能的研究
• 4.1 引言
• 4.2 研究过程
• 4.2.1 覆铝钢板搪瓷的釉浆制备
• 4.2.2 搪瓷样板制备
• 4.2.3 覆铝钢板的密着强度
• 4.2.4 复合界面的微观结构和元素分布
• 4.3 结果分析和讨论
• 4.3.1 密着强度的结果和分析
• 4.3.2 界面微观结果分析
• 4.3.3 界面元素分析
• 4.3.4 搪瓷密着强度的理论推导
• 4.3.5 搪瓷瓷釉层与金属界面的过渡性
• 4.3.6 密着机理讨论
• 4.4 小结
• 第五章 全文主要结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文情况