摘　要: 采用配方均勻設(shè)計(jì)方法,對(duì)無(wú)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(duì)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(duì)金屬的高溫氧化腐蝕問題,采用無(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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(duì)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(duì)無(wú)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(duì)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(duì)每個(gè)qki ,計(jì)算

           

　　(3) 計(jì)算

             

　            

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

3 　涂料配方的試驗(yàn)設(shè)計(jì)

    常用無(wú)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(wú)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(duì)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(wú)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(píng)價(jià)并判斷無(wú)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(píng)價(jià)

                                   

      由表1 可以看出第8 組配方生產(chǎn)的無(wú)機(jī)高溫陶瓷涂料的整體性能最好,涂料經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間靜置后無(wú)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(wú)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(duì)上述結(jié)果進(jìn)行分析。為了簡(jiǎn)化模型,暫不考慮因素間的交互作用,因此對(duì)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(cè)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(duì)于涂料的整體性能有較大的影響,其次是無(wú)水乙醇的含量和硅溶膠的含量,磷酸二氫鋁溶液對(duì)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(wú)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(duì)涂料的配方進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。

4 　結(jié)　論

(1) 采用配方均勻設(shè)計(jì)法,針對(duì)無(wú)機(jī)耐高溫陶瓷涂料的工況條件,對(duì)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(wú)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。