CN102059218A - 一种聚合物基复合材料表面金属化涂层的制备方法及装置 - Google Patents

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Abstract

一种聚合物基复合材料表面金属化涂层的制备方法，属于非金属表面金属化领域。涂层材料采用市场上出售的粒度及化学成分在一定范围的气雾化纯铝粉和纯铜粉，以氮气作为工作气体和送粉气体，在树脂基复合材料表面直接冷喷涂制备两种涂层：一是在碳纤维增强的聚醚醚酮复合材料表面直接冷喷涂制备纯铝涂层；二是先在碳纤维增强的聚醚醚酮复合材料表面直接冷喷涂制备纯铝涂层，然后在纯铝涂层上继续冷喷涂制备纯铜涂层，即底层为纯铝、表层为纯铜的双金属涂层。本发明在精确合理工艺控制和涂层选材基础上，采用冷喷涂技术直接成功在聚合物基复合材料表面制备了金属涂层，为聚合物基材料表面金属化开辟了新渠道。

Description

一种聚合物基复合材料表面金属化涂层的制备方法及装置
技术领域
本发明属于非金属材料表面金属化领域，即非金属材料表面金属涂层的制备；提供了一种“冷气体动力喷涂（Cold Gas Dynamic Spraying，CGDS；亦称冷喷涂，Cold Spraying，CS）直接在聚合物基复合材料基板表面喷涂制备金属涂层的工艺技术方法”。
背景技术
聚合物基复合材料在工业和国防领域均有广泛的应用。聚合物基复合材料表面的金属化，即采用一定方法在其表面制备一金属致密薄层，不但能够提高材料耐腐蚀及抗老化性能，起到保护本体的作用，还能实现一些特殊的功能，如导电、导热涂层、电磁屏蔽涂层、辐照防护涂层等。因此，在聚合物基复合材料表面进行金属化成为改善其表面性能、扩大其应用范围的有效方法。
目前，聚合物基复合材料表面金属化常用的方法有很多，如真空蒸镀金属法、真空离子镀金属法、电镀法、化学镀法、电铸法、表面直接喷涂金属法等等。这些方法各有其优缺点：如真空蒸镀和真空离子镀的镀层厚度均匀，但所需设备昂贵且制件尺寸受设备大小限制，涂层较薄且制备成本较高。电镀法工序复杂，镀层附着力相对较低；化学镀是大多数电镀工艺中都必须涉及到的，通常作为塑料制品电镀的前处理工艺，其优点是镀层致密、孔隙率低、适用的基体材料范围广，可在金属、无机非金属及有机物上沉积镀层；缺点是镀液寿命短、稳定性差，镀覆速度慢、不易制备厚涂层，存在环境污染。电铸法可制取高光洁度、高导电性、高精度、内腔结构复杂的制件，但每做一个制件就需一个模具，模具成本高、生产周期长。热喷涂法是把金属颗粒加热到熔融状态后沉积到基板或工件表面形成涂层；但聚合物基板材料的熔点很低，热喷涂时熔融金属颗粒和高温焰流将对聚合物基板材料表面产生严重的破坏；而且由于热喷涂的加热温度较高，所制备的金属涂层由于氧化和孔隙的产生很难满足使用要求。
冷喷涂技术通过低温、高速的固态金属粒子与基体发生瞬间碰撞，产生较大塑性变形而沉积于基体表面，从而形成致密的金属涂层。冷喷涂工艺中不需要或者只需要很少量的热量输入，加热温度低、颗粒飞行速度高，这就有效防止了热喷涂时的热影响，减少了基体表面三维畸变，涂层中氧化、相变的发生，涂层残余热应力小，可制备厚涂层；另外，与热喷涂一个相同的技术优势是通过机械手挟持喷枪或者把基体工件放在数控工作台上，能够实现对一些复杂表面、较大工件的喷涂，加工灵活，适应性强。
目前国内外有关采用冷气体动力喷涂技术在金属、合金表面制备纯金属涂层及块体、非晶、纳米涂层以及复合涂层的研究较多，也有少量研究涉及的基体为陶瓷材料、聚合物基材料等非金属材料。但从现有的研究看，采用冷气体动力喷涂技术直接成功在聚合物基材料表面制备金属涂层还鲜见报道，只有少量先通过共固化方法在聚合物基材料表面固定一层金属材料，然后再在其上冷喷涂制备金属涂层的结果。
发明内容
本发明目的是提供一种采用冷喷涂装置直接在碳纤维增强树脂基复合材料基板喷涂制备金属涂层的工艺方法，解决碳纤维增强树脂基复合材料作为基板，在室温下硬度高、弹性大、变形能力差，室温喷涂时颗粒很难沉积在基板上，难以保证涂层质量的问题。
该技术的难点在于：基板为碳纤维增强树脂基复合材料，该材料在室温下硬度高、弹性大、变形能力差，室温喷涂时颗粒很难沉积在基板上，主要是对基板的冲蚀作用；而这种有机物基板材料随温度升高将发生软化，加之高速喷涂颗粒的撞击作用基板表面很容易发生严重畸变，难以保证涂层质量。这就要求严格控制喷涂温度和喷涂压力等工艺参数；同时，对底层粉体材料的选材上也有严格要求，需满足在较低喷涂温度和适当喷涂压力条件下，有较好的变形能力；研究过程中选择了铜、锌、锡、铝等多种变形能力较好的纯金属材料进行了实验，只成功制备了纯铝涂层，其它材料粉体无法与基板实验有效沉积，涂层质量无法保证。  
一种聚合物基复合材料表面金属化涂层的制备方法，首先制备纯铝涂层；另外考虑铜涂层的实际应用价值和在金属表面良好的沉积特性，再制备铝铜双金属涂层。具体内容如下：
涂层材料采用市场上出售的化学成分在一定范围、粒度为15-45微米的气雾化纯铝粉和粒度为10-50微米的气雾化纯铜粉。
基体材料采用一定组成的商用碳纤维增强树脂基复合材料；喷涂前对基体表面进行清洗净化。
喷涂时把基体试样固定在X-Y-Z三维数控移动工作平台上，喷枪固定在工作平台的垂直正上方，喷涂时移动平台以一定速度运动，通过扫描搭接形成一定面积的涂层。冷喷涂制备两种涂层：一是在碳纤维增强聚乙烯基复合材料表面直接冷喷涂制备纯铝涂层；二是先在碳纤维增强聚乙烯基复合材料表面直接冷喷涂制备纯铝涂层，然后在纯铝涂层上继续冷喷涂制备纯铜涂层，即底层为纯铝、表层为纯铜的双金属涂层。
喷涂装置是自主设计组装的冷气体动力喷涂系统，以氮气作为工作气体和送粉气体，相对于氦气作为工作气体来说，生产成本大大降低。该系统由气源1、气体控制单元2、气体加热器9、送粉器4、喷枪5、数控工作台8等几部分组成。其中气源1与气体控制单元2之间、气体控制单元2与送粉器4之间、气体控制单元2与气体加热器9之间、送粉器4与喷枪5之间均采用耐高压金属软管连接；气体控制单元2与气体加热器9之间、两个气体加热器9之间、气体加热器9与喷枪5之间采用耐高温高压金属软管连接；而测温和测压仪表6则密封固定于喷枪5上。为满足喷涂过程稳定的工艺参数和严格的参数范围要求，气体控制单元中引入了质量流量计3；气体加热器设计成由两台24千瓦的加热炉串联组成9；并在系统末端的喷枪上安装了精确的测温和测压仪表6。这样既减小了因气体流量及压力波动引起气体加热温度的波动，又保证了对喷枪处气体及粉体参数的实时监控，见图1。
制备了横截面试样，采用扫描电镜对纯铝涂层、铝铜双金属涂层及其内部界面的微观组织进行了观察和分析；采用X射线衍射仪分析了上述涂层的组织结构；测试了涂层的显微硬度；另外还测试了两种涂层表面的导电率。
结果表明，在合理工艺控制和涂层选材基础上，采用冷喷涂技术直接成功在聚合物基复合材料表面喷涂制备了纯铝涂层和底层为纯铝、表层为纯铜的双金属涂层，为聚合物基材料表面金属化发展了新的工艺技术。
附图说明
图1 冷喷涂系统结构示意图；
图中标记为：气源（1）、气体控制单元（2）、质量流量计（3）、送粉器（4）、喷枪（5）、测温和测压仪表（6）、涂层（7）、数控工作台（8）、气体加热器（9）。
图2 聚合物树脂基复合板表面冷喷涂制备纯铝涂层的微观组织。
图3 聚合物树脂基复合板表面冷喷涂制备纯铝及纯铜双金属涂层的微观组织。
具体实施方式：
涂层材料采用市场上出售的气雾化纯铝粉和纯铜粉，粉体粒度及主要成分为：（1）粒径在15-45微米的铝粉，其成分为Al≥99.7%，Si≤0.2%，Cu≤0.1%；（2）粒径在10-50微米的铜粉，其成分为Cu≥99.8%，Fe≤0.02%，Pb≤0.005%，Sb≤0.01%，O≤0.15%，Bi≤0.004%，S≤0.004%。
基体材料采用30%碳纤维增强的聚醚醚酮树脂基复合材料（PEEK450CA30）板材。喷涂前将基板表面用超声波清洗干净。喷涂时把基体试样固定在X-Y-Z三维数控移动工作平台上，喷枪固定在工作平台的垂直正上方。喷涂时平台以一定的速度沿X轴方向移动，扫描形成一道涂层，一道扫描结束后平台沿着Y轴方向移动一个道次的宽度，再沿X轴以同样速度反向移动形成道次搭接，各道次反复搭接形成较大面积涂层。喷涂制备两种涂层：一是在PEEK450CA30基板上制备厚度约为0.2-1.0毫米的纯铝涂层；二是先在PEEK450CA30基板上制备厚度约为0.2-1.0毫米的纯铝涂层，然后在上述纯铝涂层上继续冷喷涂生成厚度约为0.1-0.5毫米的纯铜涂层，即双金属涂层。
采用自主设计组装的冷气体动力喷涂系统，选择氮气为工作气体和送粉气体。
在PEEK450CA30板材表面冷喷涂制备纯铝涂层时,具体工艺参数如下：
喷涂距离为200毫米，喷涂压力为1700千帕，气体预热温度为350℃，送粉转数为0.3转/分钟，工作平台移动速度为300毫米/分钟。
在PEEK450CA30板材表面冷喷涂制备双金属涂层时，具体工艺过程及工艺参数为：
首先，采用同样的工艺参数在PEEK450CA30板材表面冷喷涂制备纯铝涂层；然后，在纯铝涂层表面继续采用以下冷喷涂工艺生成纯铜涂层：喷涂距离为150毫米，喷涂压力为1900千帕，气体预热温度为450℃，送粉转数为0.1转/分钟，工作平台移动速度为200毫米/分钟。
制备了横截面试样，采用扫描电镜对纯铝涂层、铝铜双金属涂层及其内部界面的微观组织进行了观察和分析，如图2和图3所示，铝、铜涂层的组织均匀致密，双金属铝、铜之间的界面结合优良，特别是聚合物板与金属涂层的界面也结合优良。X射线衍射分析发现铝涂层和铜涂层保持了铝粉和铜粉的成分与结构，没有氧化夹杂产生。纯铝涂层的显微硬度约为42HV0.1，导电率约为%ICAS(17)；双金属涂层中底层纯铝涂层的显微硬度达到了52HV0.1，表层纯铜涂层的硬度约为HV0.1(140)，导电率%ICAS(30)<轧制退火态纯铜的导电率约为%ICAS(60),由于铜涂层没有退火，而且由于表层铜涂层较薄，受底层铝涂层的应影响，因此测试值偏低>。

Claims (4)

1.一种聚合物基复合材料表面金属化涂层的制备方法，其特征是采用冷喷涂技术，在碳纤维增强聚醚醚酮树脂基复合材料表面直接喷涂制备纯铝涂层和底层为纯铝、表层为纯铜的双金属涂层；涂层粉体采用市售的粒径在5-45微米的气雾化纯铝粉和粒径在10-50微米的气雾化纯铜粉，喷涂用基体材料选用市售的碳纤维增强聚醚醚酮树脂基复合材料板材；喷涂前将基板表面用超声波清洗干净，喷涂时把基体试样固定在X-Y-Z三维数控移动工作平台上，喷枪固定在工作平台的垂直正上方；喷涂时移动平台以一定速度运动，通过扫描搭接形成一定面积的涂层。
2.根据权利要求1所述的聚合物基复合材料表面金属化涂层的制备方法，其特征是直接在碳纤维增强聚醚醚酮树脂基复合材料板材表面冷喷涂制备纯铝涂层，主要技术参数为：喷涂距离180-220毫米，喷涂压力1600-1800千帕，气体预热温度330-370℃，送粉转数0.1-0.5转/分，工作平台移动速度280-320毫米/秒，喷涂纯铝涂层厚度0.2-1.0毫米。
3.根据权利要求2所述的聚合物基复合材料表面金属化涂层的制备方法，其特征是先制备纯铝涂层，然后在该纯铝涂层上继续冷喷涂生成纯铜涂层，制成双金属涂层；主要技术参数为：喷涂距离130-170毫米，喷涂压力1700-2100千帕，气体预热温度430-470℃，送粉转数为0.1-0.3转/分，工作平台移动速度为180-220毫米/秒，该纯铜涂层厚度控制在0.1-0.5毫米。
4.一种按权利要求1或2或3所述的聚合物基复合材料表面金属化涂层的制备方法所采用的制备装置，其特征是该装置由气源（1）、气体控制单元（2）、气体加热器（9）、送粉器（4）、喷枪（5）、测温和测压仪表（6）、数控工作台（8）组成，其中气源（1）与气体控制单元（2）之间、气体控制单元（2）与送粉器（4）之间、气体控制单元（2）与气体加热器（9）之间、送粉器（4）与喷枪（5）之间均采用耐高压金属软管连接；气体控制单元（2）与气体加热器（9）之间、两个气体加热器（9）之间、气体加热器（9）与喷枪（5）之间采用耐高温高压金属软管连接；而测温和测压仪表（6）则密封固定于喷枪（5）上；气体控制单元中设有质量流量计（3）；气体加热器设计成由两台24千瓦的加热炉串联组成（9）；并在系统末端的喷枪上安装了精确的测温和测压仪表（6）。
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