專利名稱：一種表面碳化材料及其實(shí)現(xiàn)方法
一種表面碳化材料及其實(shí)現(xiàn)方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于金屬材料防護(hù)領(lǐng)域，特別涉及一種表面設(shè)置有吸波材料和可碳化基材的表面碳化材料及其實(shí)現(xiàn)方法。
背景技術(shù)：
鋼材應(yīng)用的領(lǐng)域非常廣泛，主要包括建筑工程、機(jī)械、輕工、汽車、煤炭、船舶、集裝箱、石油、鐵道裝備與建設(shè)等方面。隨著全球環(huán)境的日益惡化，在具體應(yīng)用過程中，基于鋼材的設(shè)備及裝置的表面維護(hù)工作，也變得越來越重要和嚴(yán)峻?，F(xiàn)有技術(shù)，常用的方法有改變鋼鐵的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，例如，制造各種耐腐蝕的合金，如在普通鋼鐵中加入鉻、鎳等制成不銹鋼；或者，在鋼鐵表面覆蓋保護(hù)層，如，覆蓋非金屬材料、鍍上不易被腐蝕的金屬、在表面生成細(xì)密穩(wěn)定的氧化膜，使金屬制品與周圍腐蝕介質(zhì)隔離，從而防止腐蝕。這類保護(hù)層在一定程度上減緩了腐蝕介質(zhì)或污染源對(duì)鋼材的侵蝕，但是，不能徹底將腐蝕介質(zhì)或污染源消除，它們還是會(huì)殘留，設(shè)置附著在鋼材上。
活性炭或泡沫炭，作為空氣凈化劑或催化劑，它能夠有效地吸附環(huán)境中的有害氣體和物質(zhì)，同時(shí)，與其他催化劑相結(jié)合，能夠?qū)ξ降挠泻ξ镔|(zhì)進(jìn)行分解。此外，它作為一種多孔材料，還能夠有效地隔離熱量?；诖?，可以將這類材料包覆在以鋼材為主的儀器或裝備的外圍，既能有效地對(duì)鋼材進(jìn)行自我保護(hù)，實(shí)現(xiàn)自身凈化，同時(shí)，還能夠加強(qiáng)設(shè)備的散熱功能。但是，如何實(shí)現(xiàn)在鋼材的外圍設(shè)置這類活性炭或泡沫炭基材呢？
近年來，研究者提出了通過吸波材料吸收微波來對(duì)浙青進(jìn)行加熱的技術(shù)方案， 例如，中國(guó)專利(申請(qǐng)?zhí)?00910185168)提出了一種可用微波加熱的浙青混凝土中的礦粉，在包括有浙青浙青混凝土層中，加入鐵氧體，通過調(diào)節(jié)鐵氧體在深度方向上的分布， 使各層面獲得所需的加熱溫度，實(shí)現(xiàn)微波加熱浙青混凝土的可控性。中國(guó)專利(申請(qǐng)?zhí)?200810060098)提出了一種可用微波加熱的浙青及其制備方法，將包括鐵氧體在內(nèi)的吸波材料加入至浙青或改性浙青中，從而滿足現(xiàn)場(chǎng)熱熔浙青的要求。
鑒于上述技術(shù)現(xiàn)狀，本發(fā)明提出了一種將吸波材料和碳化材料主要設(shè)置在鋼材本體的技術(shù)方案，通過吸波材料吸收微波使碳化材料碳化成多孔炭附著在鋼材本體上，形成保護(hù)層。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問題是提供一種表面碳化材料及其實(shí)現(xiàn)方法，可在鋼材或鐵合金基體上設(shè)置表面碳化材料，從而在鋼材本體上形成保護(hù)層和隔熱層。
本發(fā)明的目的之一，是提供一種表面碳化材料，它對(duì)應(yīng)著包括鐵合金和鋼鐵至少其一的材料本體而設(shè)置，在所述的材料本體的表面分別設(shè)置有微波敏感層和表面碳化層， 其中的微波敏感層，它是能夠通過吸收微波為所述的表面碳化層提供使其發(fā)生碳化的高溫環(huán)境的材料結(jié)構(gòu)；其中的表面碳化層，它是能夠在所述的微波敏感層提供的高溫環(huán)境下發(fā)生碳化的材料結(jié)構(gòu)。
進(jìn)一步，所述的表面碳化材料，還具有如下技術(shù)特征所述的微波敏感層是通過對(duì)材料本體的表面進(jìn)行氧化處理而生成的鐵氧體來實(shí)現(xiàn)的。所述的微波敏感層為鐵氧體、能夠在其表面生成鐵氧體的鐵合金及鋼鐵中的至少一種。所述的微波敏感層設(shè)置在所述的表面碳化層的內(nèi)部或者表面。所述的表面碳化層為煤浙青、石油浙青、中間相浙青、酚醛樹脂中至少一種。本發(fā)明的目的之二，是提供一種表面碳化材料的實(shí)現(xiàn)方法，該方法包括如下步驟步驟1，在材料本體的表面設(shè)置微波敏感層和表面碳化層，其中，所述的微波敏感層能夠在微波作用下使表面碳化層發(fā)生碳化；步驟2，在微波作用下，微波敏感層吸收微波，并處于高溫狀態(tài)；步驟3，表面碳化層在微波敏感層提供的高溫環(huán)境下發(fā)生碳化。進(jìn)一步，所述的表面碳化材料的實(shí)現(xiàn)方法，還具有如下技術(shù)特征步驟1中，利用電鍍、濺射、噴霧、浸潤(rùn)中的一種，在材料本體的表面設(shè)置微波敏感層。所述的材料本體為鐵合金和鋼鐵中至少其一。所述的表面碳化層為煤浙青、石油浙青、中間相浙青、酚醛樹脂中至少一種。本發(fā)明的目的之三，是提供一種表面碳化材料的另一實(shí)現(xiàn)方法，該方法包括如下步驟步驟1，對(duì)包括鐵合金和鋼鐵至少其一的材料本體的表面進(jìn)行氧化處理，在材料本體的表面生成以正三價(jià)鐵離子為主的微波敏感層；步驟2，在生成有微波敏感層的材料本體的表面設(shè)置表面碳化層；步驟3，在微波作用下，微波敏感層吸收微波，并處于高溫狀態(tài)；步驟4，表面碳化層在微波敏感層提供的高溫環(huán)境下發(fā)生碳化。進(jìn)一步，所述的表面碳化材料的實(shí)現(xiàn)方法還包括如下技術(shù)特征步驟1中，在材料本體表面生成微波敏感層的步驟包括步驟11，在有氧條件下， 對(duì)包括鐵合金和鋼鐵至少其一的材料本體進(jìn)行加熱，至少使其表面處于高溫狀態(tài)；步驟 12，向處于高溫狀態(tài)下的材料本體，噴射能使其迅速降溫的液體；步驟13，待步驟12中的材料本體冷卻后，在其表面生成以正三價(jià)鐵離子為主的微波敏感層。所述的表面碳化層為煤浙青、石油浙青、中間相浙青、酚醛樹脂中至少一種。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明對(duì)應(yīng)著包括鐵合金和鋼鐵在內(nèi)的材料本體的表面分別設(shè)置有微波敏感層和表面碳化層，其中，微波敏感層能夠通過吸收微波為表面碳化層提供使高溫環(huán)境，使表面碳化層發(fā)生碳化，在材料本體表面形成保護(hù)層，既能有效地對(duì)鋼材進(jìn)行自我保護(hù)，實(shí)現(xiàn)自身凈化，同時(shí)，還能夠加強(qiáng)設(shè)備的散熱功能。


下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的說明。
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圖1是本發(fā)明所述的表面碳化材料的結(jié)構(gòu)的第一種實(shí)施例圖。
圖2是本發(fā)明所述的表面碳化材料的結(jié)構(gòu)的第二種實(shí)施例圖。
圖3是本發(fā)明所述的表面碳化材料的結(jié)構(gòu)的第三種實(shí)施例圖。
圖4是本發(fā)明所述的表面碳化材料的實(shí)現(xiàn)方法的流程圖。
圖5是本發(fā)明所述的表面碳化材料的另一種實(shí)現(xiàn)方法的流程圖。
具體實(shí)施方式
下面參照附圖，結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。
本發(fā)明所述的表面碳化材料，對(duì)應(yīng)著與用途有關(guān)的材料本體來設(shè)置，這里所述的材料本體，在本發(fā)明中，主要指包括鐵單質(zhì)、鐵合金及鋼鐵至少其一在內(nèi)的材料結(jié)構(gòu)。作為舉例而非限定，鐵合金可為硅鐵、錳鐵、硅錳、鉻鐵、鎢鐵、釩鐵、鎳鐵、鉬鐵、鈦鐵、稀土鎂硅、 稀土硅鐵、硅鈣合金、硅鋇合金、硅鋁合金、鉭鈮、磷鐵、硼鐵等中的至少一種，鋼鐵是指鐵與 C(碳)、Si (硅)、Mn(錳)、P(磷)、S(硫)以及少量的其他元素所組成的合金。
本發(fā)明的創(chuàng)新之處在于，在所述的材料本體的表面分別設(shè)置有微波敏感層和表面碳化層，通過微波敏感層吸收微波，來提供一個(gè)高溫環(huán)境，使表面碳化層在該高溫環(huán)境下發(fā)生碳化，從而在材料本體的表面生成與用途相關(guān)的保護(hù)層。
其中，所述的微波敏感層，它是通過吸收微波為表面碳化層的碳化提供高溫環(huán)境的材料結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明中，該微波敏感層優(yōu)選通過對(duì)材料本體的表面進(jìn)行氧化處理而生成的鐵氧體來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)然也不排除其他設(shè)置微波敏感層的設(shè)置方式。這里所述的鐵氧體，它是由三氧化二鐵和一種或幾種其他金屬氧化物(例如氧化鎳、氧化鋅、氧化錳、氧化鎂、氧化鋇、氧化鍶等)組成的，具有較大磁導(dǎo)率。它具有良好的吸收電磁波的性能，吸波能力為一般材料的幾百倍。
其中，所述的表面碳化層，它是能夠在所述的微波敏感層提供的高溫環(huán)境下發(fā)生碳化的材料結(jié)構(gòu)。該表面碳化層經(jīng)碳化后，一般變成具有多孔結(jié)構(gòu)的泡沫材料而附著在材料本體的表面。在本發(fā)明中，該表面碳化層由煤浙青、石油浙青、中間相浙青、酚醛樹脂中的至少一種來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然，也可通過包括木炭、竹炭、各種果殼和煤中至少一種在內(nèi)的混合物來實(shí)現(xiàn)。
下面，結(jié)合著圖4和圖5所示的表面碳化材料的實(shí)現(xiàn)方法的流程圖，對(duì)本發(fā)明中， 微波敏感層和表面碳化層對(duì)應(yīng)著材料本體的幾種優(yōu)選設(shè)置方式進(jìn)行詳細(xì)地描述。
如圖1-3所示，本發(fā)明所述的表面碳化材料100包括有材料本體110，以及設(shè)置在材料本體110表面的微波敏感層120和表面碳化層130。其中，微波敏感層120設(shè)置在表面碳化層130的內(nèi)部或者表面。具體地，
如圖1所示，在材料本體110的表面設(shè)置有微波敏感層120，在該微波敏感層120 的外表面上設(shè)置有表面碳化層130。這種設(shè)置方式，將微波敏感層120設(shè)置在材料本體110 和表面碳化層130之間，表面碳化層130可在微波敏感層120提供的高溫環(huán)境下，由內(nèi)至外地依次發(fā)生碳化，避免了因表面碳化層130的碳化而引起安全隱患。
如圖2所示，與圖1所示的區(qū)別之處在于，將微波敏感層120分散設(shè)置于表面碳化層130的內(nèi)部。這種設(shè)置方式，將微波敏感層120設(shè)置在表面碳化層130提供的介質(zhì)環(huán)境中，并將其包覆起來，這樣，微波敏感層120將會(huì)在表面碳化層130的內(nèi)部，同步地提供高溫環(huán)境下，使表面碳化層130的碳化過程能夠同步實(shí)施，從而提高碳化效果。對(duì)應(yīng)著圖1和圖2所示的表面碳化材料100，其優(yōu)選實(shí)現(xiàn)方法為步驟1，在材料本體的表面設(shè)置微波敏感層和表面碳化層，其中，所述的微波敏感層能夠在微波作用下使表面碳化層發(fā)生碳化。這里所述的材料本體在廣義上為耐熱玻璃、耐熱塑料、陶瓷、鐵合金、石料、金屬合金中至少一種；狹義上主要指包括鐵單質(zhì)、鐵合金及鋼鐵至少其一在內(nèi)的材料結(jié)構(gòu)，具體如前面所述。在本發(fā)明中，對(duì)應(yīng)著圖1和圖2所示的表面碳化材料的結(jié)構(gòu)，優(yōu)選后者。所述的微波敏感層優(yōu)選鐵氧體，它具有良好的吸收電磁波的性能，吸波能力為一般材料的幾百倍。 所述的表面碳化層，優(yōu)選由煤浙青、石油浙青、中間相浙青、酚醛樹脂中的至少一種來實(shí)現(xiàn)。 當(dāng)然，也可通過包括木炭、竹炭、各種果殼和煤中至少一種在內(nèi)的混合物來實(shí)現(xiàn)。具體地，可利用電鍍、濺射、噴霧、浸潤(rùn)中的一種方法，將微波敏感層設(shè)置在材料本體的表面。步驟2，在微波作用下，微波敏感層吸收微波，并處于高溫狀態(tài)。當(dāng)利用微波發(fā)生器對(duì)應(yīng)著該表面碳化材料發(fā)射微波時(shí)，設(shè)置在材料本體的鐵氧體，就會(huì)迅速地吸收微波，形成一個(gè)高溫狀態(tài)。具體地，可以通過調(diào)節(jié)鐵氧體的設(shè)置方式、分布形式等，以及微波發(fā)生器的工作狀態(tài)等，來控制高溫狀態(tài)對(duì)應(yīng)的溫度。步驟3，表面碳化層在微波敏感層提供的高溫環(huán)境下發(fā)生碳化。以表面碳化層選用浙青為例，浙青在碳化時(shí)一般經(jīng)歷蒸發(fā)、熱解和熱縮合等變化，可分為四個(gè)溫度區(qū)間 < 3000C ；300-4500C ；450_5501和> 550°C，當(dāng)焦化溫度達(dá) 900-1000°C時(shí)，即可發(fā)生碳化。 當(dāng)表面碳化層提供的溫度達(dá)到浙青的碳化溫度時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)浙青的碳化。如圖3所示，與圖1所示的區(qū)別之處在于，所述的微波敏感層與材料本體是一個(gè)整體，具體為材料本體的表面部分。它是通過對(duì)材料本體的表面進(jìn)行氧化處理而獲得的。這種設(shè)置方式，適用于包括鐵單質(zhì)、鐵合金、鋼鐵等至少一種的材料本體。在有氧條件下，直接對(duì)材料本體進(jìn)行氧化處理即可獲得微波敏感層，從而簡(jiǎn)化了設(shè)置工藝，同時(shí)，增強(qiáng)了微波敏感層與材料本體的結(jié)合力。對(duì)應(yīng)著圖3所示的表面碳化材料，其優(yōu)選實(shí)現(xiàn)方法為步驟1，對(duì)包括鐵合金和鋼鐵至少其一的材料本體的表面進(jìn)行氧化處理，在材料本體的表面生成以正三價(jià)鐵離子為主的微波敏感層。具體地，在材料本體表面生成微波敏感層的步驟包括步驟11，在有氧條件下，對(duì)包括鐵合金和鋼鐵至少其一的材料本體進(jìn)行加熱，至少使其表面處于高溫狀態(tài)；步驟12， 向處于高溫狀態(tài)下的材料本體，噴射能使其迅速降溫的液體，例如，水或水蒸氣；步驟13， 待步驟12中的材料本體冷卻后，在其表面生成以正三價(jià)鐵離子為主的鐵氧體。步驟2，在生成有鐵氧體的材料本體的表面設(shè)置表面碳化層。該表面碳化層，優(yōu)選由煤浙青、石油浙青、中間相浙青、酚醛樹脂中的至少一種來實(shí)現(xiàn)。具體地，作為舉例而非限定，可利用濺射或浸潤(rùn)，將微波敏感層設(shè)置在材料本體的表面。步驟3，在微波作用下，微波敏感層吸收微波，并處于高溫狀態(tài)。具體地，可以通過調(diào)節(jié)鐵氧體的設(shè)置方式、分布形式等，以及微波發(fā)生器的工作狀態(tài)等，來控制高溫狀態(tài)對(duì)應(yīng)的溫度。這里所述的高溫狀態(tài)的具體溫度，要根據(jù)所選用的表面碳化層基材來設(shè)定，比如， 對(duì)應(yīng)著浙青，其最高溫度可能要達(dá)到900-1000°C。
步驟4，表面碳化層在微波敏感層提供的高溫環(huán)境下發(fā)生碳化。例如，對(duì)于浙青來說，當(dāng)焦化溫度達(dá)900-1000°C時(shí)，即可發(fā)生碳化。當(dāng)表面碳化層提供的溫度達(dá)到浙青的碳化溫度時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)浙青的碳化。
以上是對(duì)本發(fā)明的描述而非限定，基于本發(fā)明思想的其它實(shí)施方式，均在本發(fā)明的保護(hù)范圍之中。
權(quán)利要求
1.一種表面碳化材料，它對(duì)應(yīng)著包括鐵合金和鋼鐵至少其一的材料本體而設(shè)置，其特征在于在所述的材料本體的表面分別設(shè)置有微波敏感層和表面碳化層，其中，所述的微波敏感層，它是能夠通過吸收微波為所述的表面碳化層提供使其發(fā)生碳化的高溫環(huán)境的材料結(jié)構(gòu)；所述的表面碳化層，它是能夠在所述的微波敏感層提供的高溫環(huán)境下發(fā)生碳化的材料結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種表面碳化材料，其特征在于所述的微波敏感層是通過對(duì)材料本體的表面進(jìn)行氧化處理而生成的鐵氧體來實(shí)現(xiàn)的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種表面碳化材料，其特征在于所述的微波敏感層為鐵氧體、能夠在其表面生成鐵氧體的鐵合金及鋼鐵中的至少一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種表面碳化材料，其特征在于所述的微波敏感層設(shè)置在所述的表面碳化層的內(nèi)部或者表面。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種表面碳化材料，其特征在于所述的表面碳化層為煤浙青、石油浙青、中間相浙青、酚醛樹脂中至少一種。
6.一種表面碳化材料的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于該方法包括如下步驟步驟1，在材料本體的表面設(shè)置微波敏感層和表面碳化層，其中，所述的微波敏感層能夠在微波作用下使表面碳化層發(fā)生碳化；步驟2，在微波作用下，微波敏感層吸收微波，并處于高溫狀態(tài)； 步驟3，表面碳化層在微波敏感層提供的高溫環(huán)境下發(fā)生碳化。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種表面碳化材料的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于步驟1中，利用電鍍、濺射、噴霧、浸潤(rùn)中的一種，在材料本體的表面設(shè)置微波敏感層。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種表面碳化材料的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于所述的材料本體為鐵合金和鋼鐵中至少其一。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種表面碳化材料的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于所述的表面碳化層為煤浙青、石油浙青、中間相浙青、酚醛樹脂中至少一種。
10.一種表面碳化材料的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于該方法包括如下步驟步驟1，對(duì)包括鐵合金和鋼鐵至少其一的材料本體的表面進(jìn)行氧化處理，在材料本體的表面生成以正三價(jià)鐵離子為主的微波敏感層；步驟2，在生成有微波敏感層的材料本體的表面設(shè)置表面碳化層； 步驟3，在微波作用下，微波敏感層吸收微波，并處于高溫狀態(tài)； 步驟4，表面碳化層在微波敏感層提供的高溫環(huán)境下發(fā)生碳化。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的一種表面碳化材料的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于步驟1中，在材料本體表面生成微波敏感層的步驟包括，步驟11，在有氧條件下，對(duì)包括鐵合金和鋼鐵至少其一的材料本體進(jìn)行加熱，至少使其表面處于高溫狀態(tài)；步驟12，向處于高溫狀態(tài)下的材料本體，噴射能使其迅速降溫的液體； 步驟13，待步驟12中的材料本體冷卻后，在其表面生成以正三價(jià)鐵離子為主的微波敏感層。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的一種表面碳化材料的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于所述的表面碳化層為煤浙青、石油浙青、中間相浙青、酚醛樹脂中至少一種。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種表面碳化材料及其實(shí)現(xiàn)方法，屬于金屬材料防護(hù)領(lǐng)域。它對(duì)應(yīng)著包括鐵合金和鋼鐵在內(nèi)的材料本體的表面設(shè)置有微波敏感層和表面碳化層，其中，微波敏感層能夠通過吸收微波為表面碳化層提供使高溫環(huán)境，使表面碳化層發(fā)生碳化。具體為對(duì)材料本體的表面進(jìn)行氧化處理，在其表面生成以正三價(jià)鐵離子為主的鐵氧體；在生成有鐵氧體的材料本體的表面設(shè)置表面碳化層；在微波作用下，微波敏感層吸收微波處于高溫狀態(tài)，使表面碳化層發(fā)生碳化。本發(fā)明通過在材料本體上設(shè)置表面碳化層，既能有效地對(duì)鋼材進(jìn)行自我保護(hù)，實(shí)現(xiàn)自身凈化，同時(shí)，還能夠加強(qiáng)設(shè)備的散熱功能。
文檔編號(hào)C23C26/00GK102534608SQ20101061039
公開日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2010年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月28日
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