[发明专利]一种耐高温AlN/ZnO纳米复合压电涂层及其制备方法

说明书

本发明涉及涂层材料的技术领域，具体涉及一种耐高温AlN/ZnO纳米复合压电涂层及其制备方法，AlN/ZnO纳米复合压电涂层采用梯度层结构，由内至外包括依次设置的结合层、过渡层、压电功能层和保护层，结合层为纯金属Al层，过渡层为Al/AlN纳米多层膜，压电功能层为AlN/ZnO纳米多层膜，保护层为AlON/Alsubgt;2/subgt;Osubgt;3/subgt;纳米多层膜。本发明所制备的耐高温AlN/ZnO复合压电涂层具有高硬度、高耐磨和高结合力特性，可以保证压电功能涂层在各种合金螺栓表面进行长期稳定的工作，减少其失效的可能性。同时其制备技术和设备和现有工业设备比较接近，工业生产批量容易实现，加工效率较高，可以大幅度降低厂家的生产成本。

技术领域

本发明涉及涂层材料的技术领域，具体涉及一种耐高温AlN/ZnO纳米复合压电涂层及其制备方法。

背景技术

螺栓预紧力是在拧螺栓过程中拧紧力矩作用下的螺栓与被联接件之间产生的沿螺栓轴心线方向的预紧力。预紧可以提高螺栓连接的可靠性、防松能力和螺栓的疲劳强度，增强连接的紧密性和刚性。对于一个特定的螺栓而言，其预紧力的大小与螺栓的拧紧力矩、螺栓与螺母之间的摩擦力、螺母与被联接件之间的摩擦力相关。预紧力是否合适将直接关系到整个产品、设备的可靠性和安全性。事实上，大量的试验和使用经验证明较高的预紧力对连接的可靠性和被连接的寿命都是有益的，特别对有密封要求的连接更为必要。当然，俗话说得好，“物极必反”，过高的预紧力，如若控制不当或者偶然过载，也常会导致连接的失效。因此，准确确定螺栓的预紧力是非常重要的。

目前测量螺栓预紧力的方法主要有转角法、扭矩法、应变测量法，伸长量法及超声法等。其中扭矩法控制预紧力的误差可达到±40％；转角法精度稍高，但误差仍可以到15％左右；伸长量法基础要求是螺栓两个端面可接触，因此应用范围有限。应变测量法准确度高，但是安装应变片操作复杂且成本高，不适合大规模应用。超声波测量预紧力技术自20世纪80年代以来就已经被用于检测螺栓的轴向应力，是目前国内外重点关注的发展方向。该技术具有精度高，实时性好并且穿透力强等优点，它能够避免由于实际工作条件变化，施工设备精度低，以及缺乏人工经验而造成的测量精度低的问题。超声波测量应力主要是基于声弹性理论，通过联合所测量的声速及声时来计算求解出应力值。一般该方法通过直接在螺栓表面沉积超声换能涂层，制备出具有跟随式传感器的整个生命周期都可被原位在线测量的智能螺栓。利用直接沉积压电薄膜的方法能够直接将超声传入待测零件内，能够降低耦合差，稳定性低，超声损耗高等问题。

氧化锌(ZnO)薄膜是一种多功能宽带隙半导体薄膜材料，具有压电效应，且涂层具有高度稳定性，适用性广以及制备成本低等特点，是制备跟随式传感器的较佳材料选择。但ZnO的耐温较差，不利于高温场合的使用。氮化铝(AlN)压电薄膜不但具有高热稳定性，较高声传播速率、较小声损耗、较大机电耦合系数及热膨胀系数与Si相近等特点。因此，其在声表面波和声体波器件制作和高频宽带通信等领域应用前景较广。但氮化铝薄膜的压电常数较小，在螺栓表面制备时产生的声波信号较小，不利于现场的检测。目前高温场合急需开发新型的压电复合涂层材料满足现场检测的需要。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种耐高温AlN/ZnO纳米复合压电涂层，降低了高低温冲击时涂层和基体之间的应力，避免压电功能涂层从钢基体材料上剥落，而且多层结构还可以使涂层具有良好的韧性，避免受到冲击载荷时产生裂纹引起传感器失效。

本发明的目的之二在于提供一种耐高温AlN/ZnO纳米复合压电涂层的制备方法，制备工艺简便，易于调节，工业生产批量容易实现，加工效率较高，可以大幅度降低厂家的生产成本。

本发明实现目的之一所采用的方案是：一种耐高温AlN/ZnO纳米复合压电涂层，所述AlN/ZnO纳米复合压电涂层采用梯度层结构，由内至外包括依次设置的结合层、过渡层、压电功能层和保护层，结合层为纯金属Al层，过渡层为Al/AlN纳米多层膜，压电功能层为AlN/ZnO纳米多层膜，保护层为AlON/Al₂O₃纳米多层膜。