CN105543764A - 一种用于***喷涂的红外辐射金属陶瓷粉末及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于***喷涂的红外辐射金属陶瓷粉末，其由下列质量比的物料配制而成：钴粉：CoMn2O4粉：粘接剂<b>=</b>9～25：75～91：10～20；其中：所述的CoMn2O4粉具有尖晶石结构，由平均粒径小于75μm的CoO和MnO的固体粉末按质量比例为1：2进行配制。本发明还提出了一种红外辐射金属陶瓷粉末的制备方法。本发明提供的红外辐射金属陶瓷粉料，采用***喷涂方法在金属表面沉积的涂层具有优异的红外辐射性能。用于电子封装材料散热器和锅炉水冷壁管等热交换器表面，根据环境温度的不同，可通过红外辐射的热传递方式迅速散热或吸收热量，提高热交换效率。
Description
技术领域
本发明涉及新材料技术领域，具体涉及一种用于***喷涂的红外辐射金属陶瓷粉末及其制备方法。
背景技术
众所周知，热量传递以传导、对流和辐射三种方式进行。其中辐射传热具有速度快、不需要介质等优势。当下，由于电子封装材料，如大型LED灯等，由于其散热的问题，成为电子产业发展的巨大障碍，目前主要通过加装鳍片增大散热面积和采用强制冷却风扇来增加传导和对流散热速率。另一方面，对于工业加热炉中的锅炉来说，水冷壁管向火面吸收的热量主要来自炉墙辐射方式传递的热量，然后主要以辐射和热传导的方式与水冷壁管内部流动的水进行热量交换。目前锅炉节能改造主要是提高炉壁耐火材料的绝热性能来减少热量损失，而忽视了锅炉水冷壁管直接参与炉内传热方面的作用和其表面辐射性能对炉内传热和热交换的影响。此外，金属材料的红外辐射性能远低于耐火材料，且与表面状况紧密相关。如何有效地提高锅炉水冷壁管的黑度，通过强化表面辐射传热和提高水冷壁管的传导换热能力将有效地缩短锅炉的升温时间和减少排烟热量损失，是提高锅炉热能转换效率的重要途径。目前国内外实现工程应用的红外辐射覆层材料主要是将红外辐射粉料加入有机或无机粘接剂配成涂料，通过喷涂、辊涂或刷涂等方式涂覆于基材表面。由于粘接材料本身的热阻大，使涂层的热交换效果明显下降。
发明内容
本发明为了现有工程应用的红外辐射覆层材料热交换性能差的技术问题，提出一种用于***喷涂的红外辐射金属陶瓷粉末及其制备方法。
本发明提出的用于***喷涂的红外辐射金属陶瓷粉末，其由下列质量比的物料配制而成：
钴粉：CoMn2O4粉：粘接剂=9～25：75～91：10～20；
其中：所述的CoMn2O4粉具有尖晶石结构，由平均粒径小于75μm的CoO和MnO的固体粉末按质量比例为1：2进行配制。
本发明还提出了一种红外辐射金属陶瓷粉末的制备方法，其步骤如下：
步骤1：CoMn2O4红外辐射陶瓷粉料的制备
选择高温性能稳定的CoO和MnO固体粉末按比例均匀混合，用水喷雾加湿粉料冷压制成坯体，在1100℃～1150℃高温烧结2h，取出进行淬火处理，自然干燥后破碎并磨细至30μm以下，制得到具有稳定尖晶石结构的CoMn2O4红外辐射陶瓷粉料；
步骤2：红外辐射金属陶瓷粉末的制备
将钴粉、CoMn2O4粉和粘接剂按比例均匀混合，喷雾造粒制成团聚粉末，在N2保护气氛下高温快速烧结、空冷，破碎、筛分后，得到用于***喷涂的球形红外辐射金属陶瓷粉末材料，粒径为15～45μm。
与现有技术相比，本发明的优点：
（1）优选高温下性能稳定的CoO和MnO固体粉末高温烧结后快速淬火，可制备出晶粒细小且具有稳定尖晶石结构的CoMn2O4红外辐射陶瓷粉料。该材料在1～25μm的全波段辐射率长期稳定在0.9以上，可显著提高涂层的换热效率。
（2）金属Co的热导率为100W/(m·K)，远高于硅酸盐无机粘接剂1.41W/(m·K)和有机粘接剂0.2W/(m·K)，可显著提高涂层和基材之间传导方式的热交换。涂层中具有稳定尖晶石结构的CoMn2O4具有优异的红外热辐射性能。如果涂层温度高于环境，可以通过热辐射的形式快速散热；若环境温度高于涂层表面温度，则以近似黑体的效能快速吸收辐射热量，提高基体材料表面温度。相对于传统的有机和无机粘接剂，可降低由于黏结材料引入导致热阻增加的缺陷。而且本发明提供的红外辐射金属陶瓷粉末，用***喷涂方式制备的涂层非常致密，气孔率低于1%，可减少涂层内由于封闭气孔引起材料热阻增加的几率；而且***喷涂由于粒子速度高达800m/s，粒子撞击基材时充分扁平化，涂层厚度最小可控制在3～5μm，可进一步降低由于涂层厚度增加对传导热交换效率的不利影响。用其通过***喷涂方式沉积的涂层明显优于传统的红外辐射涂层材料。
（3）由于粉末晶粒细小且具有稳定尖晶石结构，用CoMn2O4红外辐射金属陶瓷粉料采用***喷涂工艺沉积的涂层具有高辐射、高吸收的特点。涂层先是从环境中吸收热量，如果涂层温度高于环境，可以通过热辐射的形式快速散热。其典型应用为解决大型LED灯等电子封装材料散热的问题；若环境温度高于涂层表面温度，则以近似黑体的效能快速吸收辐射热量，提高基体材料表面温度。其典型应用为增加锅炉水冷壁管辐射热吸收速率，提高水冷壁管与水之间的传导热交换能力和炉膛热能利用效率，减少高温烟气的排烟热损失。
附图说明
图1为采用本发明制备的红外辐射金属陶瓷粉料扫描电子显微镜照片。
具体实施方式
图1示出了本发明的红外辐射金属陶瓷粉料显微镜结构。本发明提出的用于***喷涂的红外辐射金属陶瓷粉末，其由下列质量比的物料配制而成：
钴粉：CoMn2O4粉：粘接剂=9～25：75～91：10～20；
其中：所述的CoMn2O4粉具有尖晶石结构，由平均粒径小于75μm的CoO和MnO的固体粉末按质量比例为1：2进行配制。下面结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例1:
将平均粒径为20μm的CoO和MnO粉末，按其的质量比例为1:2进行均匀混合，加入总体粉料质量5%的水，采用喷雾方式加湿粉料，冷压制成尺寸为50mm×30mm×10mm的坯体。将坯体在1100℃高温烧结2h，取出放入水中进行淬火处理，自然干燥后破碎并磨细至20μm以下得到具有稳定尖晶石结构的CoMn2O4红外辐射陶瓷粉料。
然后将平均粒径为0.1μm的钴粉、CoMn2O4粉和聚乙二醇2000按质量比为25:75:15混合均匀，喷雾造粒制成团聚粉末，在N2保护气氛下1200℃快速烧结、空冷，破碎、筛分后得到用于***喷涂的球形红外辐射金属陶瓷粉末，粒径为15～38μm。
采用***喷涂工艺，在热电行业BG-75/39-MI型75吨煤粉锅炉，材质为20#钢的水冷壁管热交换器表面沉积涂层厚度约为20μm，锅炉节煤7%以上，排烟温度由原来的172℃降低为148℃。
实施例2:
将平均粒径为60μm的CoO和MnO粉末，按其质量比例为1:2进行均匀混合，加入总体粉料质量5%的水，采用喷雾方式加湿粉料，冷压制成尺寸为50mm×30mm×10mm的坯体。将坯体在1150℃高温烧结2h，取出放入水中进行淬火处理，自然干燥后破碎并磨细至30μm以下得到具有稳定尖晶石结构的CoMn2O4红外辐射陶瓷粉料。然后将平均粒径为0.5μm的钴粉、CoMn2O4粉和2%的羟甲基纤维素水溶液按质量比为9:91:10混合均匀，喷雾造粒制成团聚粉末，在N2保护气氛下1200℃快速烧结、空冷，破碎、筛分后得到用于***喷涂的球形红外辐射金属陶瓷粉末，粒径为15～45μm。
采用***喷涂工艺，在LED灯散热基板表面沉积厚度约为10μm的涂层，由于涂层可快速吸收基板的热量并以辐射方式与自然环境进行热交换，散热效率提高45%以上，取代了原有的散热风扇后并减少基板散热面积10%以上。
实施例3:
将平均粒径为40μm的CoO和MnO粉末，按其的质量比例为1:2进行均匀混合，加入总体粉料质量5%的水，采用喷雾方式加湿粉料，冷压制成尺寸为50mm×30mm×10mm的坯体。将坯体在1130℃高温烧结2h，取出放入水中进行淬火处理，自然干燥后破碎并磨细至20μm以下，得到具有稳定尖晶石结构的CoMn2O4红外辐射陶瓷粉料。然后将平均粒径为0.3μm的钴粉、CoMn2O4粉和15%的聚乙烯醇1799水溶液按质量比为17:83:20混合均匀，喷雾造粒制成团聚粉末，在N2保护气氛下1200℃快速烧结、空冷，筛分后得到用于***喷涂的球形红外辐射金属陶瓷粉末，粒径为15～38μm。
采用***喷涂工艺，在制药行业DZL4-1.25-AII(SW)型卧式快装链条炉排煤粉锅炉，材质为20#钢的水冷壁管热交换器表面沉积厚度约为10μm涂层，锅炉节煤12%以上，排烟温度由原来的230℃降低为164℃，热效率提高4%。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不限于此，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种用于***喷涂的红外辐射金属陶瓷粉末，其由下列质量比的物料配制而成：
钴粉：CoMn2O4粉：粘接剂=9～25：75～91：10～20；
其中：
所述的CoMn2O4粉具有尖晶石结构，由平均粒径小于75μm的CoO和MnO的固体粉末按质量比例为1：2进行配制。
2.如权利要求1所述的红外辐射金属陶瓷粉末，其特征在于：所述的钴粉为亚微米级钴粉，平均粒径小于0.5μm。
3.如权利要求1所述的红外辐射金属陶瓷粉末，其特征在于：所述的粘接剂为平均分子量为2000的聚乙二醇、2%的羟甲基纤维素水溶液或15%的聚乙烯醇1799水溶液的一种。
4.一种如权利要求1所述的红外辐射金属陶瓷粉末的制备方法，其步骤如下：
步骤1：CoMn2O4红外辐射陶瓷粉料的制备
选择高温性能稳定的CoO和MnO固体粉末按比例均匀混合，用水喷雾加湿粉料冷压制成坯体，在1100℃～1150℃高温烧结2h，取出进行淬火处理，自然干燥后破碎并磨细至30μm以下，制得到具有稳定尖晶石结构的CoMn2O4红外辐射陶瓷粉料；
步骤2：红外辐射金属陶瓷粉末的制备
将钴粉、CoMn2O4粉和粘接剂按比例均匀混合，喷雾造粒制成团聚粉末，在N2保护气氛下高温快速烧结、空冷，破碎、筛分后得到用于***喷涂的球形红外辐射金属陶瓷粉末材料，粒径为15～45μm。
5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述步骤1中，用水喷雾加湿粉料时，加入所述CoO和MnO粉料质量5%的水，冷压制成所述坯体的尺寸为50mm×30mm×10mm。
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