CN105132863A - 一种缓解复合材料表面金属涂层微裂纹扩展的方法 - Google Patents

一种缓解复合材料表面金属涂层微裂纹扩展的方法 Download PDF

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武生虎
马占吉
肖更竭
赵栋才
刘孝丽
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Abstract

本发明公开了一种缓解复合材料表面金属涂层微裂纹扩展的方法，包括下列步骤：(1)化学清洗：首先采用棉布蘸丙酮对复合材料表面进行擦洗，然后采用无水乙醇对复合材料表面进行脱水处理；(2)离子束清洗：在真空室通入氩气，确保真空室真空度大于等于1.0×10-2Pa小于等于5.0×10-2Pa，离子束清洗时间大于等于30min小于等于60min；(3)梯度过渡层制备：在介质为Ar等离子体气氛中，在复合材料表面制备梯度过渡层；（4）多层结构金属功能涂层制备：在介质为Ar等离子体气氛中，在过渡层表面制备多层结构的金属功能涂层。本发明提高了涂层与复合材料基底之间的匹配性，降低了涂层内应力，缓解了复合材料表面金属涂层在冷热交变下产生裂纹和裂纹扩展问题。

Description

一种缓解复合材料表面金属涂层微裂纹扩展的方法
技术领域
本发明涉及表面工程技术领域，尤其是一种缓解复合材料表面金属涂层微裂纹扩展的方法。
背景技术
复合材料，特别是树脂基复合材料因质轻，具有优异的综合性能和性能可设计性，在导弹、卫星、飞船、空间站等空间飞行器上进行了广泛的应用。近年来，随着航天技术和武器装备技术的发展，对复合材料结构件表面提出了高导电、导热、热控等功能和防护要求。为此，必须在复合材料表面制备金属功能涂层满足上述提出的应用需求。
然而，由于金属功能涂层与基底之间热胀系数差异大、匹配性差，致使复合材料表面沉积的金属涂层附着力低，且难以承受长期冷热交变的空间环境，这已经成为复合材料表面金属功能涂层制备的瓶颈，也阻碍了复合材料在空间的进一步应用。
本发明通过采用一种梯度过渡层，有效提高了涂层与复合材料基底之间的匹配性，通过离子束轰击形成多层结构金属功能涂层，有效降低涂层内应力，且多界面结构能有效阻碍涂层内部裂纹的扩展。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出一种缓解复合材料表面金属涂层微裂纹扩展的方法，提高了涂层与复合材料基底之间的匹配性，降低了涂层内应力，缓解了复合材料表面金属涂层在冷热交变下产生裂纹和裂纹扩展问题。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
一种缓解复合材料表面金属涂层微裂纹扩展的方法，包括下列步骤：
(1)化学清洗：首先采用棉布蘸丙酮对复合材料表面进行擦洗，然后采用无水乙醇对复合材料表面进行脱水处理；
(2)离子束清洗：在真空室通入氩气，确保真空室真空度大于等于1.0×10-2Pa小于等于5.0×10-2Pa，离子束清洗时间大于等于30min小于等于60min；
(3)梯度过渡层制备：在介质为Ar等离子体气氛中，在复合材料表面制备梯度过渡层；
（4）多层结构金属功能涂层制备：在介质为Ar等离子体气氛中，在过渡层表面制备多层结构的金属功能涂层。
进一步地，所述步骤（1）采用白色棉布蘸丙酮对复合材料表面进行多遍擦洗，且每次擦洗都要更换干净棉布，擦洗过程中要根据湿痕判断擦拭是否有遗漏，直到白色棉布颜色不再发生变化为止。
进一步地，所述步骤（2）中所用离子源的工作电压大于等于1.5kV，小于等于3.0kV。
进一步地，所述步骤（2）中需叠加大于等于－100V，小于等于－200V的脉冲偏压，且偏压要由低到高缓慢上调。
进一步地，所述步骤（3）和（4）的中真空室真空度大于等于1.0×10-2Pa小于等于5.0×10-2Pa，
所述步骤（3）中需叠加大于等于－200V，小于等于－500V的脉冲偏压，
所述步骤（4）中需叠加大于等于－100V小于等于－200V的脉冲偏压。
进一步地，所述步骤（3）中所述的过渡层包括依次沉积的Cr涂层、CrZr涂层和Zr涂层。
进一步地，所述步骤（3）的中过渡层制备时电弧源工作电流大于等于40A小于等于80A。
进一步地，所述步骤（3）中所述过渡层的厚度大于等于功能层厚度的1/10，小于等于功能层厚度的1/8。
进一步地，所述步骤（4）中功能涂层沉积和离子束轰击交替进行。
进一步地，所述步骤（4）中每次涂层沉积和离子束轰击时间大于等于20min，小于等于40min。
本发明一种缓解复合材料表面金属涂层微裂纹扩展的方法，提高了涂层与复合材料基底之间的匹配性，降低了涂层内应力，缓解了复合材料表面金属涂层在冷热交变下产生裂纹和裂纹扩展问题。
具体实施方式
下面结合实施方式对本发明的喷涂方法作进一步详细说明。本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。
实施例1
(1)化学清洗：首先采用白色棉布蘸丙酮对复合材料表面擦洗3遍，擦洗过程中根据湿痕判断，确保擦拭无遗漏，然后采用棉布蘸无水乙醇对复合材料表面进行脱水处理；
(2)离子束清洗：在真空室通入氩气，调节氩气流量，使真空室真空度为1.0×10-2Pa，离子源的工作电压为1.5kV，叠加－100V的脉冲偏压，离子束清洗时间为30min；
(3)梯度过渡层制备：调节氩气流量，将真空室真空度控制为1.0×10-2Pa，叠加－200V的脉冲偏压，依次沉积Cr涂层、CrZr涂层和Zr涂层，调节电弧源的工作电流为40A；
（4）多层结构金属功能涂层制备：调节氩气流量，将真空室真空度控制为1.0×10-2Pa，叠加－100V的脉冲偏压，开启Cu弧源沉积Cu涂层，调节电弧源的工作电流为40A，工作时间20min；
（5）多层结构金属功能涂层制备：关闭Cu弧源，开启离子源，离子源工作电压调节为1.5kv，工作时间20min；
（6）重复步骤（4）和（5）10次。
实施例2
(1)化学清洗：首先采用白色棉布蘸丙酮对复合材料表面擦洗3遍，擦洗过程中根据湿痕判断，确保擦拭无遗漏，然后采用棉布蘸无水乙醇对复合材料表面进行脱水处理；
(2)离子束清洗：在真空室通入氩气，调节氩气流量，使真空室真空度为3.0×10-2Pa，离子源的工作电压为2.0kV，叠加－150V的脉冲偏压，离子束清洗时间为40min；
(3)梯度过渡层制备：调节氩气流量，将真空室真空度控制为3.0×10-2Pa，叠加－300V的脉冲偏压，依次沉积Cr涂层、CrZr涂层和Zr涂层，调节电弧源的工作电流为60A；
（4）多层结构金属功能涂层制备：调节氩气流量，将真空室真空度控制为3.0×10-2Pa，叠加－150V的脉冲偏压，开启Al弧源沉积Al涂层，调节电弧源的工作电流为60A，工作时间30min；
（5）多层结构金属功能涂层制备：关闭Al弧源，开启离子源，离子源工作电压调节为2.0kv，工作时间30min；
（6）重复步骤（4）和（5）10次。
实施例3
(1)化学清洗：首先采用白色棉布蘸丙酮对复合材料表面擦洗4遍，擦洗过程中根据湿痕判断，确保擦拭无遗漏，然后采用棉布蘸无水乙醇对复合材料表面进行脱水处理；
(2)离子束清洗：在真空室通入氩气，调节氩气流量，使真空室真空度为5.0×10-2Pa，离子源的工作电压为2.5kV，叠加－200V的脉冲偏压，离子束清洗时间为50min；
(3)梯度过渡层制备：调节氩气流量，将真空室真空度控制为5.0×10-2Pa，叠加－500V的脉冲偏压，依次沉积Cr涂层、CrZr涂层和Zr涂层，调节电弧源的工作电流为80A；
（4）多层结构金属功能涂层制备：调节氩气流量，将真空室真空度控制为5.0×10-2Pa，叠加－200V的脉冲偏压，开启Al弧源沉积Al涂层，调节电弧源的工作电流为80A，工作时间40min；
（5）多层结构金属功能涂层制备：关闭Al弧源，开启离子源，离子源工作电压调节为2.5kv，工作时间40min；
（6）重复步骤（4）和（5）10次。
本发明一种缓解复合材料表面金属涂层微裂纹扩展的方法，提高了涂层与复合材料基底之间的匹配性，降低了涂层内应力，缓解了复合材料表面金属涂层在冷热交变下产生裂纹和裂纹扩展问题。

Claims (10)

1.一种缓解复合材料表面金属涂层微裂纹扩展的方法，其特征在于，包括下列步骤：
(1)化学清洗：首先采用棉布蘸丙酮对复合材料表面进行擦洗，然后采用无水乙醇对复合材料表面进行脱水处理；
(2)离子束清洗：在真空室通入氩气，确保真空室真空度大于等于1.0×10-2Pa小于等于5.0×10-2Pa，离子束清洗时间大于等于30min小于等于60min；
(3)梯度过渡层制备：在介质为Ar等离子体气氛中，在复合材料表面制备梯度过渡层；
（4）多层结构金属功能涂层制备：在介质为Ar等离子体气氛中，在过渡层表面制备多层结构的金属功能涂层。
2.根据权利要求1中的一种缓解复合材料表面金属涂层微裂纹扩展的方法，其特征在于，所述步骤（1）采用白色棉布蘸丙酮对复合材料表面进行多遍擦洗，且每次擦洗都要更换干净棉布，擦洗过程中要根据湿痕判断擦拭是否有遗漏，直到白色棉布颜色不再发生变化为止。
3.根据权利要求1中的一种缓解复合材料表面金属涂层微裂纹扩展的方法，其特征在于，所述步骤（2）中所用离子源的工作电压大于等于1.5kV，小于等于3.0kV。
4.根据权利要求1中的一种缓解复合材料表面金属涂层微裂纹扩展的方法，其特征在于，所述步骤（2）中需叠加大于等于－100V，小于等于－200V的脉冲偏压，且偏压要由低到高缓慢上调。
5.根据权利要求1中的一种缓解复合材料表面金属涂层微裂纹扩展的方法，其特征在于，所述步骤（3）和（4）的中真空室真空度大于等于1.0×10-2Pa小于等于5.0×10-2Pa，
所述步骤（3）中需叠加大于等于－200V，小于等于－500V的脉冲偏压，
所述步骤（4）中需叠加大于等于－100V，小于等于－200V的脉冲偏压。
6.根据权利要求1中的一种缓解复合材料表面金属涂层微裂纹扩展的方法，其特征在于，所述步骤（3）中所述的过渡层包括依次沉积的Cr涂层、CrZr涂层和Zr涂层。
7.根据权利要求1中的一种缓解复合材料表面金属涂层微裂纹扩展的方法，其特征在于，所述步骤（3）的中过渡层制备时电弧源工作电流大于等于40A小于等于80A。
8.根据权利要求1中的一种缓解复合材料表面金属涂层微裂纹扩展的方法，其特征在于，所述步骤（3）中所述过渡层的厚度大于等于功能层厚度的1/10，小于等于功能层厚度的1/8。
9.根据权利要求1中的一种缓解复合材料表面金属涂层微裂纹扩展的方法，其特征在于，所述步骤（4）中功能涂层沉积和离子束轰击交替进行。
10.根据权利要求9中的一种缓解复合材料表面金属涂层微裂纹扩展的方法，其特征在于，所述步骤（4）中每次涂层沉积和离子束轰击时间大于等于20min，小于等于40min。
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