摘　要: 采用配方均勻設(shè)計(jì)方法,對無機(jī)高溫?zé)o機(jī)陶瓷耐磨涂料的配方進(jìn)行了定量研究。結(jié)果表明,該方法是開發(fā)研究新涂料配方的有效方法。通過對涂層的成膜性能、懸浮性能和結(jié)合強(qiáng)度的研究,提出了該涂料配方中各組分優(yōu)化組合的方案。

1 引　言

    一般金屬在高溫氧化性氣氛下都會(huì)產(chǎn)生表面氧化,氧化不僅造成金屬損耗,還會(huì)產(chǎn)生金屬中合金元素的貧化,影響金屬的質(zhì)量和力學(xué)性能。針對金屬的高溫氧化腐蝕問題,采用無機(jī)耐高溫抗氧化涂層是降低金屬氧化損耗的一種行之有效的方法,尤其是以料漿涂覆法制備的無機(jī)耐高溫抗氧化涂層,它以制作方便、成本低廉正在得到廣泛應(yīng)用。但是由于無機(jī)耐高溫涂料中一般不含有成膜性能良好的高分子物質(zhì),其成膜性能和懸浮性能均較差,表現(xiàn)為保質(zhì)期較短,容易產(chǎn)生沉淀等,因此有必要研究開發(fā)新的無機(jī)耐高溫涂料。

      通常涂料配方涉及到的原料種類及影響因素很多,如果進(jìn)行多因素全面試驗(yàn),需要的試驗(yàn)工作量相當(dāng)驚人。為了弄清配方中每種因素對涂料整體性能的作用和影響,有必要采用科學(xué)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法,用盡量少的試驗(yàn)次數(shù)來有效地得到盡量多的有用信息,進(jìn)而確定涂料的最佳配方及工藝條件。為此本文采用配方均勻設(shè)計(jì)方法,通過對無機(jī)耐高溫陶瓷涂料的成膜性能和懸浮性能等進(jìn)行定量研究,得到了涂料配方中各組分的優(yōu)化組合,同時(shí)為定量開發(fā)新的涂料配方提供了一種有效方法。

     (1) 設(shè)給定配方數(shù)n 和原料種數(shù)s ,根據(jù)對應(yīng)的

均勻設(shè)計(jì)表查出生成向量( h1,..., hs-1) ,并由這個(gè)向量產(chǎn)生均勻設(shè)計(jì)表U³_n ( n^s-1 ) 或U_n ( n^s-1 ) ,用{ qki }

記U³_n ( n^s-1 ) 或U_n ( n^s-1 ) 中的元素;

     (2) 對每個(gè)qki ,計(jì)算

           

　　(3) 計(jì)算

             

　            

      由{ Xki } 就給出了對應(yīng)n 和s 的配方均勻設(shè)計(jì),并用記號UMn ( n^s ) 表示。

3 　涂料配方的試驗(yàn)設(shè)計(jì)

    常用無機(jī)高溫陶瓷涂料主要由陶瓷基料、高溫粘結(jié)劑和改性劑組成。本試驗(yàn)中選用自制的表面改性碳化硅作為陶瓷基料,自制改性硅溶膠、鋁溶膠和

磷酸二氫鋁溶液作為高溫粘結(jié)劑,無水乙醇作為調(diào)節(jié)劑。原料種數(shù)s=5 ,選用試驗(yàn)配方數(shù)n=8 ,故選擇UM8 (8⁵) 表安排試驗(yàn)。根據(jù)上述配方均勻設(shè)計(jì)方法得出UM₈ (8⁵ ) 表。

    8 組試驗(yàn)方案中,各組分在試驗(yàn)范圍內(nèi)分布均勻,且配方均勻設(shè)計(jì)法對每個(gè)因素是一視同仁的,但是在許多試驗(yàn)設(shè)計(jì)中,要求有些組分含量較大,有些

較小。所以在實(shí)際中,可在試驗(yàn)方案的基礎(chǔ)上,根據(jù)實(shí)際條件進(jìn)行取舍,以減少試驗(yàn)方案。

    試驗(yàn)用金屬基體材料為304 不銹鋼,試樣尺寸為120mm×50mm ×1.5mm ,根據(jù)涂層材料的試驗(yàn)方案,首先將耐熱不銹鋼表面經(jīng)噴砂處理后除去表面沉積的雜物及銹蝕物,然后用無水乙醇清洗,吹干后待用。

    將各種原料按照表1 所示試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的涂料配方依次加入攪拌器攪拌均勻后,盛于帶刻度玻璃容器中靜置觀察其懸浮性能,然后在一定的噴涂工藝條件下將涂料涂覆在金屬試片上,室溫下干燥3h表干后,放入馬弗爐內(nèi)加熱至800～1000 ℃反應(yīng)燒結(jié),保溫2h 后隨爐冷至室溫。

    根據(jù)涂層在試樣表面成膜狀況和冷卻后涂層的脫落情況,打分評價(jià)并判斷無機(jī)耐高溫陶瓷涂料在金屬基體表面應(yīng)用的成膜性能優(yōu)劣和結(jié)合強(qiáng)度。根據(jù)涂層的抗剝落性能和涂層的表面質(zhì)量狀況等綜合情況進(jìn)行比較打分,性能越優(yōu)分值越高。試驗(yàn)方案及結(jié)果見表1 。

                                                                   表1 　試驗(yàn)方案及結(jié)果評價(jià)

                                   

      由表1 可以看出第8 組配方生產(chǎn)的無機(jī)高溫陶瓷涂料的整體性能最好,涂料經(jīng)長時(shí)間靜置后無明顯分層現(xiàn)象,涂覆后成膜性能良好,結(jié)合牢固,經(jīng)高溫冷卻后涂層無明顯剝落現(xiàn)象,可以在1000 ℃高溫下有效保護(hù)不銹鋼基體,基本可以達(dá)到保護(hù)金屬基體抗高溫氧化腐蝕的要求。

      為了進(jìn)一步優(yōu)化涂料配方,需對上述結(jié)果進(jìn)行分析。為了簡化模型,暫不考慮因素間的交互作用,因此對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多元線性回歸分析,回歸方程為

    Y = a0 + a1 X₁ + a2 X₂ + a3 X₃ + a4 X₄ + a5 X₅                 (3)

    　將試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入回歸方程,從自變量X1 , X2 ,X3 , X4 , X5 和因變量Y 的8 組觀測值出發(fā), 用最小二乘法求出a0 , a1 , a2 , a3 , a4 , a5 的估計(jì)值,使得下列表達(dá)式中的Q 達(dá)到最小。

         

      經(jīng)過最小二乘法估計(jì),多元線性回歸得出回歸方程為

      Y = 0.465 + 7.031 X₁ + 0.409 X₂ + 5.389 X₃ +11.429 X₄ - 6.340 X₅              (5)

      其殘差平方和、估計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差及多重相關(guān)系數(shù)分別為7.906 ,1.988 ,0.901 。

   由回歸公式可以看出鋁溶膠的含量對于涂料的整體性能有較大的影響,其次是無水乙醇的含量和硅溶膠的含量,磷酸二氫鋁溶液對于涂料的整體性能有負(fù)面的影響。因此作進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證,在配方8 的基礎(chǔ)上將硅溶膠、鋁溶膠和無水乙醇的含量各增加1 % ,同時(shí)將磷酸二氫鋁溶液的含量降低3 %,得出新的配方見表2 。

                                                   

                                  

    試驗(yàn)結(jié)果表明,按照新的配方生產(chǎn)出的涂料,其懸浮性能、成膜性能、結(jié)合強(qiáng)度等指標(biāo)均優(yōu)于上述試驗(yàn)方案中的8 種配方。說明配方均勻設(shè)計(jì)的確可以從數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)理論出發(fā),根據(jù)回歸模型對涂料的配方進(jìn)行分析和預(yù)測。

4 　結(jié)　論

(1) 采用配方均勻設(shè)計(jì)法,針對無機(jī)耐高溫陶瓷涂料的工況條件,對涂料的配方進(jìn)行了試驗(yàn)設(shè)計(jì),經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證,按優(yōu)化設(shè)計(jì)配方生產(chǎn)的無機(jī)耐高溫涂料,其成膜性能和懸浮性能等得到有效改善。

(2) 配方均勻設(shè)計(jì)方法的優(yōu)點(diǎn)是試驗(yàn)次數(shù)少,試驗(yàn)點(diǎn)在試驗(yàn)范圍內(nèi)分布均勻,保證試驗(yàn)設(shè)計(jì)迅速得到正確的結(jié)論和結(jié)果。該方法為開發(fā)新的涂料提供了一種可靠的定量試驗(yàn)方法。