CN106400012B - 一种金属表面抗腐蚀/散热/电磁屏蔽复合涂层制备方法 - Google Patents

一种金属表面抗腐蚀/散热/电磁屏蔽复合涂层制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种金属表面抗腐蚀/散热/电磁屏蔽复合涂层制备方法，首先采用nano‑Al2O3改性微弧氧化技术在功率元器件金属壳体表面制备一层耐腐蚀、高导热底层；将改进Hummers法制备的氧化石墨烯分散液涂覆于微弧氧化底层上，获得氧化石墨烯预置层；再用维生素C将微弧氧化底层上预置的氧化石墨烯层进行室温还原，制得功率元器件金属壳体表面微弧氧化/石墨烯复合涂层。该方法制备的复合涂层具有优异的性能：耐盐雾腐蚀大于1500h，热导率高，发射率大于0.8，散热降温效果达10～20％，静态接触角大于120°，电磁屏蔽效果大于50dB。本发明解决了海洋气候环境中使用的功率元器件金属(铝、镁、钛合金及其复合材料)壳体在服役过程中抗腐蚀性能差，散热效率低的问题。

Description

一种金属表面抗腐蚀/散热/电磁屏蔽复合涂层制备方法
技术领域
本发明属于金属表面抗腐蚀/散热/电磁屏蔽复合涂层制备方法技术领域，具体涉及一种金属表面抗腐蚀/散热/电磁屏蔽复合涂层制备方法。
背景技术
海洋气候环境中使用的功率元器件壳体在服役过程中，要求具有优异抗腐蚀性能的同时，还需要优异的散热(传导和辐射)性能和高导电性能(电磁屏蔽)等。但功率元器件金属(铝、镁、钛合金及其复合材料)耐腐蚀性能远不能满足服役条件；同时，元器件金属壳体的单一传导散热方式效率极为有限，而金属壳体(如铝、镁、钛合金)的辐射散热能力很低，其发射率值仅为0.1左右；所以强化壳体辐射能力、提高散热效率也是一直备受关注的问题。
功率元器件金属壳体散热效率也受表面润湿角影响：在低接触角条件下，水在散热装置表面会铺展成一层水膜，这会严重阻碍热量的传导与辐射；相反，在高接触角条件下，水不会在金属壳体表面停留，并且在滑落过程中会带走表面部分热量，这将提高散热装置的效率。同时，高润湿角表面也具有优异的耐腐蚀性能。
近年来，微弧氧化技术被广泛应用于提高金属(如铝、镁、钛合金及其复合材料)耐腐蚀性能。同时，微弧氧化法制备的氧化物涂层具有良好的传导和辐射性能，强化合金的散热效率。但微弧氧化涂层具有绝缘性及亲水性能，而功率元器件，特别是在电子设备服役环境下，为了防止误动作，进行接地以去除电磁噪声是非常重要的，这需要元器件壳体仍具有较好的电磁屏蔽效果。石墨烯因其优异的导电性、导热性、热辐射性及疏水等性能而被广泛应用于功率元器件的散热方面，但其直接与金属壳体作用会对金属产生腐蚀作用，同时膜基结合性能较差。
授权公告号为CN203641947U、授权公告日为2014年06月11日、名称为“具有散热功能的LED灯具”的实用新型专利公开了一种结构为采用传导、辐射、对流三管齐下的方式，以便提高灯具的传热、散热效果，但该专利并没有对结构的具体实现方式及散热效果做详细说明及数据参考。申请公布号为CN105491788A、申请公布日为2016年04月13日、名称为“一种石墨烯散热型屏蔽膜及其制备方法”的发明专利申请，该专利是在柔性印刷线路板制备载体薄膜层、油墨层、石墨烯散热层、导电胶黏层组成的复合涂层达到散热及电子屏蔽作用，但这种方法制备的涂层结构繁琐、工艺复杂，层与层之间存在较大的界面热阻，严重影响涂层的散热效率，并且该方法中使用的胶黏剂为有机黏结剂，所制备的涂层发射率低，热稳定性、及结合力等都不是很理想。申请公布号为CN105039981A、申请公布日为2015年11月11日、名称为“一种提高灯具散热器性能的方法”，该专利通过制备微弧氧化与喷涂石墨烯制备散热复合涂层，该方法使用喷涂石墨烯水性溶剂，但并未明确给出水性溶剂的成分，而且石墨烯在溶剂中的分散性很差，易于团聚，这会很大程度上削弱石墨烯的导热、导电性能；并且该方法制备的石墨烯层需在140～160℃下进行固化，这将会引入热应力，减弱微弧氧化涂层的结合性能，同时会对微弧氧化涂层产生腐蚀影响。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的问题，进而提供一种金属表面抗腐蚀/散热/电磁屏蔽复合涂层制备方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种金属表面抗腐蚀/散热/电磁屏蔽复合涂层制备方法，
步骤一、将功率元器件金属(铝、镁、钛合金及其复合材料)表面依次用600、800、1000和1200#砂纸抛光，然后用丙酮、酒精分别超声清洗5～60min；
步骤二、配制nano-Al2O3改性微弧氧化电解液：将浓度g/L比为1:1:1:1～4:2:6:1的NaAlO2、NaOH、nano-Al2O3和阴离子表面活性剂，机械搅拌均匀，制成微弧氧化电解液；
步骤三、以电解槽的不锈钢板为阴极，以功率元器件金属壳体为阳极，用步骤二制备的微弧氧化电解液，然后以脉冲电源为电源，在电解槽两端外加300V～800V的电压，并在电压为300V～800V、温度低于50℃及搅拌的条件下，氧化反应5～100min，得到厚度为5～50μm的高热导致密的含Al2O3微弧氧化底层；
步骤四、将改进Hummers法合成的氧化石墨烯分散到水溶液中，超声5～360min，得到浓度为0.05～10mg/ml的氧化石墨烯分散液；
步骤五、将步骤四制备的氧化石墨烯分散液涂覆于步骤三制备的微弧氧化底层上，制得微弧氧化/氧化石墨烯复合涂层试样；
步骤六、将步骤五制备的微弧氧化/氧化石墨烯复合涂层试样放入到浓度为0.05～10mol/L的维生素C溶液中，室温还原0.5～48h，制得微弧氧化/石墨烯复合涂层试样。
所述步骤一中，功率元器件金属为铝、镁、钛合金及其复合材料。
所述步骤一中，用丙酮、酒精分别超声清洗20min。
所述步骤二中，阴离子表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠或硬脂酸。
所述步骤三中，氧化反应时间为10min。
所述步骤五中的涂覆为旋涂：旋涂的转速为1000～5000r/min。
所述步骤五中的涂覆为浸涂：浸涂的提拉速度为5～30mm/s。
所述步骤六中，维生素C溶液的浓度为0.1mol/L。
所述步骤六中，室温还原2h。
本发明采用微弧氧化与简单的室温氧化石墨烯还原的方法在功率元器件金属表面制备了抗腐蚀疏水/散热/电磁屏蔽微弧氧化/石墨烯复合涂层。该涂层具有更优异的结合性能、耐腐蚀性能、热传导性能、热辐射性能、疏水性能以及良好的电磁屏蔽效果。
本发明制备的功率元器件金属壳体表面抗腐蚀/散热微弧氧化底层主要物相为高热导率的含氧化铝涂层，涂层厚度为5～50μm之间。本发明提出用十二烷基苯磺酸钠或硬脂酸等阴离子表面活性剂对nano-Al2O3颗粒进行处理，以提高nano-Al2O3在电解液中的分散性，且处理过的nano-Al2O3颗粒表面带阴离子，在电场作用下，粒子向阳极迁移，电泳沉积在金属表面，明显提高nano-Al2O3粒子在微弧氧化涂层中的掺杂量，涂层中nano-Al2O3的加入可提高微弧氧化涂层的致密度(如图1所示)，强化涂层的抗腐蚀性能和散热性能；nano-Al2O3掺杂微弧氧化底层具有优异的抗腐蚀性能，其耐盐雾腐蚀能力达1500h以上；同时具有良好的散热性能，热导率值可达2～25W/m·K，8～20μm波段范围内发射率值达0.8。
本发明制备的功率元器件金属壳体表面抗腐蚀疏水/散热/电磁屏蔽微弧氧化/石墨烯复合涂层具有优异的热辐射性能。由于微弧氧化涂层在3～8μm波段内发射率较低，通过涂覆(旋涂、浸涂或喷涂)一层石墨烯涂层以强化3～8μm波段内辐射散热效果(如图2所示)。测试结果表明，微弧氧化/石墨烯复合涂层的3～8μm波段发射率值明显提高，且8～20μm波段值高达0.8以上(如图3所示)，而功率元器件金属壳体仅为0.1左右，这将大幅度提高元器件的辐射散热效率。同时，微弧氧化/石墨烯复合涂层仍具有优异的耐腐蚀性能，其耐盐雾腐蚀能力仍达1500h以上。
本发明制备的功率元器件金属壳体表面抗腐蚀疏水/散热/电磁屏蔽微弧氧化/石墨烯复合涂层具有优异的疏水性能，其静态接触角可达120°以上(如图4所示)，当水滴滴在低表面能的涂层试样表面时，其可迅速滚落而不会形成水膜，并且会带走部分热量，同时石墨烯疏水层会提高复合涂层的抗腐蚀性能。
本发明制备的功率元器件金属壳体表面抗腐蚀疏水/散热/电磁屏蔽微弧氧化/石墨烯复合涂层具有优异的强化散热效果，覆有涂层的散热装置，其散热效率明显提高，可有效降低散热装置温度达10％～20％(如图5所示)。
本发明制备的功率元器件金属壳体表面抗腐蚀疏水/散热/电磁屏蔽微弧氧化/石墨烯复合涂层具有良好的电磁屏蔽效果，其表面的石墨烯膜层具有良好的导电性能，屏蔽效果可达50dB以上，能够保证功率元器件正常工作。
采用本方法制备的一种金属表面抗腐蚀疏水/散热/电磁屏蔽微弧氧化/石墨烯复合涂层，集多重性能于一体，有效地提高了功率元器件壳体的抗腐蚀性能、散热性能、疏水性能及电磁屏蔽效果，为科学研究与工程应用提供了良好的思路与方法，功率元器件的大规模应用打下坚实的基础。
附图说明
图1为金属壳体表面微弧氧化涂层的微观形貌照片。
图2为金属壳体表面微弧氧化/石墨烯复合涂层的微观形貌照片。
图3为金属壳体、微弧氧化涂层、微弧氧化/石墨烯复合涂层的发射率示意图。
图4为金属壳体表面微弧氧化/石墨烯复合涂层的静态接触角曲线图。
图5为金属壳体表面微弧氧化涂层、微弧氧化/石墨烯复合涂层的降温散热效果曲线图。
具体实施方式
下面将对本发明做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
实施例1
本实施例的一种金属表面抗腐蚀/散热/电磁屏蔽复合涂层制备方法如下：
一、选用6061铝合金为基体，依次用600、800、1000和1200#砂纸对表面抛光，然后用丙酮、酒精分别超声清洗15min；
二、以NaAlO2：1g/L、NaOH：1g/L、nano-Al2O3：1g/L和十二烷基苯磺酸钠：1g/L的比例混合，机械搅拌均匀，制得nano-Al2O3改性的微弧氧化电解液；
三、以电解槽的不锈钢板为阴极，以6061铝合金为阳极，用步骤二制备的微弧氧化电解液，然后以脉冲电源为电源，在电解槽两端外加300V的电压，并在电压为300V、温度低于50℃及搅拌的条件下，氧化反应5min，得到高热导致密的含Al2O3微弧氧化底层；
四、将改进Hummers法合成的氧化石墨烯分散到水溶液中，超声20min，得到浓度为0.1mg/ml的氧化石墨烯分散液；
五、将步骤四制备的氧化石墨烯分散液以1000r/min的转速旋涂于步骤三制备的微弧氧化底层上，制得微弧氧化/氧化石墨烯复合涂层试样；
六、将步骤五制备的微弧氧化/氧化石墨烯复合涂层试样放入到浓度为0.1mol/L的维生素C溶液中，室温还原2h，制得微弧氧化/石墨烯复合涂层试样。
本实施例的方法制备的铝合金元器件表面抗腐蚀疏水/散热/电磁屏蔽的微弧氧化/石墨烯复合涂层具有优异的导热性；热辐射性能：发射率大于0.8；疏水性能：静态接触角大于120°；降低散热装置温度达10～20％；耐盐雾腐蚀1500h以上；良好的电磁屏蔽效果：屏蔽效果可达50dB以上。
实施例2
本实施例的一种金属表面抗腐蚀/散热/电磁屏蔽复合涂层制备方法如下：
一、选用高热导率AlN增强镁基复合材料为基体，依次用600、800、1000和1200#砂纸对基体表面进行抛光，然后用丙酮、酒精分别超声清洗20min；
二、以NaAlO2：4g/L、NaOH：2g/L、nano-Al2O3：6g/L和硬脂酸：1g/L的比例混合，机械搅拌均匀，制得nano-Al2O3改性的微弧氧化电解液；
三、以电解槽的不锈钢板为阴极，以高热导率AlN增强镁基复合材料为阳极，用步骤二制备的微弧氧化电解液，然后以脉冲电源为电源，在电解槽两端外加800V的电压，并在电压为800V、温度低于50℃及搅拌的条件下，氧化反应20min，得到高热导致密的含Al2O3微弧氧化底层；
四、将改进Hummers法合成的氧化石墨烯分散到水溶液中，超声100min，得到浓度为10mg/ml的氧化石墨烯分散液；
五、将步骤三制备的微弧氧化底层浸渍于步骤四制备的氧化石墨烯分散液中，制得微弧氧化/氧化石墨烯复合涂层试样；
六、将步骤五制备的微弧氧化/氧化石墨烯复合涂层试样浸入到浓度为10mol/L的维生素C溶液中，室温还原48h，制得微弧氧化/石墨烯复合涂层试样。
本实施例的方法制备的镁基复合材料元器件表面抗腐蚀疏水/散热/电磁屏蔽的微弧氧化/石墨烯复合涂层具有优异的导热性；热辐射性能：发射率大于0.8；疏水性能：静态接触角大于120°；降低散热装置温度达10～20％；耐盐雾腐蚀1500h以上；良好的电磁屏蔽效果：屏蔽效果可达50dB以上。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种金属表面抗腐蚀/散热/电磁屏蔽复合涂层制备方法，其特征在于，
步骤一、将功率元器件金属表面依次用600、800、1000和1200#砂纸抛光，然后用丙酮、酒精分别超声清洗5～60min；
步骤二、配制nano-Al2O3改性微弧氧化电解液：将浓度g/L比为1:1:1:1～4:2:6:1的NaAlO2、NaOH、nano-Al2O3和阴离子表面活性剂，机械搅拌均匀，制成微弧氧化电解液；
步骤三、以电解槽的不锈钢板为阴极，以功率元器件金属壳体为阳极，用步骤二制备的微弧氧化电解液，然后以脉冲电源为电源，在电解槽两端外加300V～800V的电压，并在电压为300V～800V、温度低于50℃及搅拌的条件下，氧化反应5～100min，得到厚度为5～50μm的高热导致密的含Al2O3微弧氧化底层；
步骤四、将改进Hummers法合成的氧化石墨烯分散到水溶液中，超声5～360min，得到浓度为0.05～10mg/ml的氧化石墨烯分散液；
步骤五、将步骤四制备的氧化石墨烯分散液涂覆于步骤三制备的微弧氧化底层上，制得微弧氧化/氧化石墨烯复合涂层试样；
步骤六、将步骤五制备的微弧氧化/氧化石墨烯复合涂层试样放入到浓度为0.05～10mol/L的维生素C溶液中，室温还原0.5～48h，制得微弧氧化/石墨烯复合涂层试样。
2.根据权利要求1所述的金属表面抗腐蚀/散热/电磁屏蔽复合涂层制备方法，其特征在于，所述步骤一中，功率元器件金属为铝、镁、钛合金及其复合材料。
3.根据权利要求1所述的金属表面抗腐蚀/散热/电磁屏蔽复合涂层制备方法，其特征在于，所述步骤一中，用丙酮、酒精分别超声清洗20min。
4.根据权利要求1所述的金属表面抗腐蚀/散热/电磁屏蔽复合涂层制备方法，其特征在于，所述步骤二中，阴离子表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠或硬脂酸。
5.根据权利要求1所述的金属表面抗腐蚀/散热/电磁屏蔽复合涂层制备方法，其特征在于，所述步骤三中，氧化反应时间为10min。
6.根据权利要求1所述的金属表面抗腐蚀/散热/电磁屏蔽复合涂层制备方法，其特征在于，所述步骤五中的涂覆为旋涂：旋涂的转速为1000～5000r/min。
7.根据权利要求1所述的金属表面抗腐蚀/散热/电磁屏蔽复合涂层制备方法，其特征在于，所述步骤五中的涂覆为浸涂：浸涂的提拉速度为5～30mm/s。
8.根据权利要求1所述的金属表面抗腐蚀/散热/电磁屏蔽复合涂层制备方法，其特征在于，所述步骤六中，维生素C溶液的浓度为0.1mol/L。
9.根据权利要求1所述的金属表面抗腐蚀/散热/电磁屏蔽复合涂层制备方法，其特征在于，所述步骤六中，室温还原2h。
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