CN106739286A - 基于磁控溅射类金刚石碳膜的铝合金及其制备方法与应用 - Google Patents

基于磁控溅射类金刚石碳膜的铝合金及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于磁控溅射类金刚石碳膜的铝合金的制备方法与应用，包括以下步骤：（1）在中空铝合金型材上表面内侧安装消音板；（2）在中空铝合金型材上表面外侧制备氮化钛层；然后在氮化钛层表面制备类金刚石碳膜；（3）在中空铝合金型材上表面外侧复合凝胶体；然后热处理，得到基于磁控溅射类金刚石碳膜的铝合金；在实心金属板上表面制备埋孔；然后在埋孔内部填充泡沫前驱体；加热得到消音板。本发明的铝合金型材具有良好的力学性能以及优异的散热性，同时具有良好的隔音效果，具有广阔的工业应用前景。

Description

基于磁控溅射类金刚石碳膜的铝合金及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于型腔结构件领域，具体涉及一种基于磁控溅射类金刚石碳膜的铝合金及其制备方法与应用。
背景技术
类金刚石碳膜（Diamond-like carbon film，简称DLC膜）是金刚石的sp3杂化和石墨的sp2杂化两种结合键作为骨架构成的非晶态碳膜，DLC膜是无定型结构的碳，薄膜中的碳键同时存在sp3和sp2两种类型。DLC膜的形成过程大致分为4 个阶段，即碳粒子被溅射出来；被溅射出来的碳粒子相互作用和聚集；碳粒子与环境粒子碰撞、逐渐失去动能并改变电子结构；碳粒子在电场作用或离子轰击下与衬底相互作用形成碳膜，目前大多采用物理气相沉积的磁控溅射法制备类金刚石碳膜，称为磁控溅射类金刚石碳膜。
铝材是一种以铝为主要成份的合金材料，铝棒通过热熔，挤压从而得到不同截面形状的铝材料，但铝材具体结构不同，生产出来的工业铝型材的机械性能和应用领域也不同。我国是铝合金门窗和幕墙生产、消费大国，各年竣工的铝合金门窗和幕墙数量大，其主要构成铝合金型材的用量也很大。随着工业化发展，声音污染越来越被公众重视，一些场合，比如写字楼、厂房车间，都需要较好的隔音效果；金属型材，比如铝材、钢材在工业民用领域广泛存在，被用作外观装饰材料。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于磁控溅射类金刚石碳膜的铝合金；首次在中空金属型材表面设计磁控溅射类金刚石碳膜结构，同时结合无机材料，具有良好的散热性能以及力学性能，特别是消音结构的创造性使用，达到了消音、弱音效果；本发明制备简便、适用性广，具有广阔的工业应用前景。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于磁控溅射类金刚石碳膜的铝合金的制备方法，包括以下步骤：
（1）将3-甲基-2-吡啶酮、异构十三醇聚氧乙烯醚、二苯基氧膦、单羟基七乙烯基多面体齐聚倍半硅氧烷、二硫吡啶碳酸酯、氮化硼、己二酸二（3,4-环氧基-6-甲基环己基甲酸）与丁酮混合；然后挥发溶剂形成凝胶体；
（2）在中空铝合金型材上表面内侧安装消音板；所述消音板的制备为，在实心金属板上表面制备埋孔；然后在埋孔内部填充泡沫前驱体；接着在埋孔上表面覆盖热压钢板；然后将带有热压钢板的实心金属板于1MPa下，90～100℃加热3～5分钟；接着于130～140℃加热8～12分钟；自然冷却后去除钢板得到消音板；所述泡沫前驱体包括5,5’-双（三乙氧基硅基）-3,3’-联吡啶、马来酸酐、聚脲甲醛、二月桂酸二丁基锡、二异氰酸酯、联硼酸新戊二醇酯、丙酮；
（3）在中空铝合金型材上表面外侧制备氮化钛层；然后在氮化钛层上表面磁控溅射制备类金刚石碳膜；
（4）在中空铝合金型材下表面外侧复合凝胶体，热处理得到基于磁控溅射类金刚石碳膜的铝合金。
本发明中，上下表面的位置关系为相对关系，以带有类金刚石碳膜的一面为中空铝合金型材的上表面，其他部件的上下关系与其一致。中空铝合金型材、消音板、凝胶体热处理制备的弹性体构成铝合金产品的主体结构。中空铝合金型材上表面外侧设有类金刚石碳膜层，并以氮化钛层作为中间层，降低类金刚石碳膜体系热膨胀不匹配导致的应力缺陷，得到的膜层体系具有优良的结合强度，即抗剥离附着特性好，同时又大大提高类金刚石碳膜的抗摩擦磨损能力；所述氮化钛层的厚度为0.1～0.15微米；所述类金刚石碳膜层的厚度为0.3～0.4微米，可以避免磁控溅射类金刚石碳膜剥落，尤其是该厚度下铝合金型材整体稳定性优异，磁控溅射类金刚石碳膜可以有效发挥导热、防水、耐磨的效果，提高金属材料的使用性能、耐候性能；可以采用电镀的方式制备氮化钛层；采用磁控溅射的方式制备类金刚石碳膜，此结构可以达到较好的散热效果，并且还具有避免铝合金型材被雨水侵蚀、被大气氧化的效果。
本发明中，埋孔是指孔位于消音板上表面，不贯穿消音板，埋孔结构的设计可以削弱冲击带来的金属撞击音以及外界噪音，同时在埋孔内填充泡沫材料，限定泡沫材料的制备方法，进一步提高消音效果；优选所述消音板上表面即与中空铝合金型材复合的一面设有复数个埋孔；所有埋孔的面积和为消音板上表面积的22～25%；限定埋孔总面积占比，埋孔的孔径为1.2～1.5毫米，在消音的同时保持消音板的强度。消音板安装在中空铝合金型材上表面内侧，即位于中空铝合金型材空心内，可以削弱音波还能够增加中空铝合金型材强度，防止变形，消音板的厚度根据中空铝合金型材的厚度设计，限定埋孔的深度为消音板厚度的55～60%，既能起到孔内泡沫材料消音的效果，又保证消音板的强度。
本发明中，消音板与中空铝合金型材复合采用螺丝或者螺栓的方式，可以在安装位钻孔或者车丝，合理的设计保证消音板安装稳定性以及力学强度。
本发明中，所述埋孔内填充的泡沫材料十分关键；本发明制备的泡沫材料的孔隙率为75～80%，可以起到优异的吸音效果以及力学缓冲效果。本发明首先以醇酯、异氰酸酯为主体成分，通过添加活性单体吡啶、酸酐以及促进剂，并结合出气成分聚脲甲醛制备泡沫前驱体；然后通过分步热压工艺在埋孔中直接制备泡沫材料，既可以与埋孔形成优异的粘接力，避免泡沫脱落，特别是逐步升温下，聚脲甲醛丙酮分步成孔，可以形成孔隙均匀、达到良好的消音效果。
本发明通过在埋孔上方设置热压钢板，既可以对泡沫前驱体起到均匀热压作用，还可以避免发泡体冒出；可以在热压钢板与埋孔之间设置离型膜，方便剥离。
本发明中，弹性体设置在中空铝合金型材下表面外侧，可以大幅缓解金属板受到的冲击力，而且实际应用时其与安装主材接触，起到紧固、防止损伤的效果；弹性体由凝胶体热处理得到，凝胶体的厚度为0.8～0.95毫米，利用高分子的隔音作用，可以增强整个铝合金材结构的隔音效果，而且该厚度利于安装紧致，并有一定的吸音效果；一方面可以增加中空铝合金型材强度提高抗冲击、耐风吹、不易变形的能力；另一方面增加中空铝合金型材与基材或者其他结构的连接稳定性。
本发明先制备凝胶体然后喷涂或者旋涂在中空铝合金型材下表面外侧，再经过热处理得到弹性体，热处理工艺为80℃/5min+90℃/18min+120℃/25min。本发明制备弹性体的原料组成合理，硅树脂具有优异的弹性，结合环氧化合物可以发挥优异的粘接力，再加上碳酸酯、吡啶酮的改性，可以形成稳定的聚合物网络同时具有良好的弹性，特别的，通过无机填料的添加可以极大提高弹性体的散热效果，并且在表面活性剂以及活性小分子作用下，无机填料分散均匀，极大程度降低了无机填料对有机组分的影响。
本发明中，5,5’-双（三乙氧基硅基）-3,3’-联吡啶、马来酸酐、聚脲甲醛、二月桂酸二丁基锡、二异氰酸酯、联硼酸新戊二醇酯、丙酮的质量比为1∶（0.65～0.78）∶（0.23～0.25）∶（0.0003～0.0005）∶（0.45～0.49）∶（0.18～0.22）∶（5～6）。通过两阶段反应，使得活性小分子与主体成分产生良好的反应性，结合出气成分在有机物固化时产生孔隙，可以得到性能优异的泡沫材料，填充于埋孔中，利于增加消音板的吸音减震效果。
本发明中，3-甲基-2-吡啶酮、异构十三醇聚氧乙烯醚、二苯基氧膦、单羟基七乙烯基多面体齐聚倍半硅氧烷、二硫吡啶碳酸酯、氮化硼、己二酸二（3,4-环氧基-6-甲基环己基甲酸）与丁酮的质量比为1∶（0.35～0.38）∶（0.003～0.005）∶（0.65～0.75）∶（0.25～0.36）∶（0.22～0.28）∶（0.35～0.46）∶（10～15）。通过自然挥发去除溶剂，有利于各组分混合均匀，活性小分子增加了无机导热填料在主体成分中的分散性，利于保持弹性体良好的力学性能，以硅树脂为主结合环氧、碳酸酯等，在阶段固化工艺下，各组分逐步固化，利于增加弹性体的吸音减震效果。
本发明还公开了根据上述制备方法制备的基于磁控溅射类金刚石碳膜的铝合金；进一步的，本发明还公开了上述基于磁控溅射类金刚石碳膜的铝合金在制备建筑外墙中的应用。
本发明公开的基于磁控溅射类金刚石碳膜的铝合金在中空铝合金型材上表面设计类金刚石碳膜，散热性好，同时保护中空铝合金型材表面不受氧化腐蚀；并利用消音板中设计的埋孔结合泡沫材料的结构，达到良好的消音效果；同时采用弹性层，粘接力强并且散热良好；从而公开的基于磁控溅射类金刚石碳膜的铝合金具备散热、消音、稳定等良好特性。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步描述：
实施例一
一种基于磁控溅射类金刚石碳膜的铝合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将质量比为1∶0.38∶0.005∶0.75∶0.25∶0.22∶0.35∶15的3-甲基-2-吡啶酮、异构十三醇聚氧乙烯醚、二苯基氧膦、单羟基七乙烯基多面体齐聚倍半硅氧烷、二硫吡啶碳酸酯、粒径为180～340纳米的氮化硼、己二酸二（3,4-环氧基-6-甲基环己基甲酸）、丁酮混合；然后自然搅拌，挥发溶剂形成凝胶体；
（2）在实心金属板上表面制备埋孔；然后在埋孔内部填充泡沫前驱体；接着在埋孔上表面覆盖带有离型纸的热压钢板；然后将带有热压钢板的实心金属板于1MPa下，100℃加热5分钟；接着于130℃加热8分钟；自然冷却后去除钢板得到消音板；消音板上表面设有复数个埋孔；所有埋孔的面积和为消音板上表面积的22%；埋孔的孔径为1.25毫米；埋孔的深度为消音板厚度的55%；
所述泡沫前驱体由质量比为1∶0.78∶0.23∶0.0003∶0.49∶0.22∶6的5,5’-双（三乙氧基硅基）-3,3’-联吡啶、马来酸酐、聚脲甲醛、二月桂酸二丁基锡、二异氰酸酯、联硼酸新戊二醇酯、丙酮混合得到；
在中空铝合金型材上表面内侧通过螺丝安装消音板；
（3）在中空铝合金型材上表面外侧电镀制备厚度为0.15微米的氮化钛层；然后在氮化钛层上表面磁控溅射制备厚度为0.3微米的类金刚石碳膜；
（4）在中空铝合金型材下表面外侧喷涂厚度为0.95毫米的凝胶体，热处理得到基于磁控溅射类金刚石碳膜的铝合金；热处理工艺为80℃/5min+90℃/18min+120℃/25min。
上述基于磁控溅射类金刚石碳膜的铝合金的散热能力为纯中空铝合金型材的87%，消音率为纯中空铝型材的2.9倍，弹性层与消音板粘接达到1级，抗弯能力为纯中空铝型材的2.4倍；可用于铝合金外墙制备。
实施例二
一种基于磁控溅射类金刚石碳膜的铝合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将质量比为1∶0.38∶0.003∶0.75∶0.36∶0.28∶0.46∶10的3-甲基-2-吡啶酮、异构十三醇聚氧乙烯醚、二苯基氧膦、单羟基七乙烯基多面体齐聚倍半硅氧烷、二硫吡啶碳酸酯、粒径为180～340纳米的氮化硼、己二酸二（3,4-环氧基-6-甲基环己基甲酸）、丁酮混合；然后自然搅拌，挥发溶剂形成凝胶体；
（2）在实心金属板上表面制备埋孔；然后在埋孔内部填充泡沫前驱体；接着在埋孔上表面覆盖带有离型纸的热压钢板；然后将带有热压钢板的实心金属板于1MPa下，90℃加热3分钟；接着于140℃加热12分钟；自然冷却后去除钢板得到消音板；消音板上表面设有复数个埋孔；所有埋孔的面积和为消音板上表面积的22%；埋孔的孔径为1.2毫米；埋孔的深度为消音板厚度的55%；
所述泡沫前驱体由质量比为1∶0.78∶0.25∶0.0005∶0.45∶0.18∶6的5,5’-双（三乙氧基硅基）-3,3’-联吡啶、马来酸酐、聚脲甲醛、二月桂酸二丁基锡、二异氰酸酯、联硼酸新戊二醇酯、丙酮混合得到；
在中空铝合金型材上表面内侧通过螺丝安装消音板；
（3）在中空铝合金型材上表面外侧电镀制备厚度为0.1微米的氮化钛层；然后在氮化钛层上表面磁控溅射制备厚度为0.3微米的类金刚石碳膜；
（4）在中空铝合金型材下表面外侧喷涂厚度为0.8毫米的凝胶体，热处理得到基于磁控溅射类金刚石碳膜的铝合金；热处理工艺为80℃/5min+90℃/18min+120℃/25min。
上述基于磁控溅射类金刚石碳膜的铝合金的散热能力为纯中空铝合金型材的84%，消音率为纯中空铝型材的2.7倍，弹性层与消音板粘接达到1级，抗弯能力为纯中空铝型材的2.9倍；可用于铝合金外墙制备。
实施例三
一种基于磁控溅射类金刚石碳膜的铝合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将质量比为1∶0.35∶0.003∶0.65∶0.25∶0.22∶0.35∶10的3-甲基-2-吡啶酮、异构十三醇聚氧乙烯醚、二苯基氧膦、单羟基七乙烯基多面体齐聚倍半硅氧烷、二硫吡啶碳酸酯、粒径为180～340纳米的氮化硼、己二酸二（3,4-环氧基-6-甲基环己基甲酸）、丁酮混合；然后自然搅拌，挥发溶剂形成凝胶体；
（2）在实心金属板上表面制备埋孔；然后在埋孔内部填充泡沫前驱体；接着在埋孔上表面覆盖带有离型纸的热压钢板；然后将带有热压钢板的实心金属板于1MPa下，90℃加热3分钟；接着于130℃加热8分钟；自然冷却后去除钢板得到消音板；消音板上表面设有复数个埋孔；所有埋孔的面积和为消音板上表面积的22%；埋孔的孔径为1.2毫米；埋孔的深度为消音板厚度的55%；
所述泡沫前驱体由质量比为1∶0.65∶0.23∶0.0003∶0.45∶0.18∶5的5,5’-双（三乙氧基硅基）-3,3’-联吡啶、马来酸酐、聚脲甲醛、二月桂酸二丁基锡、二异氰酸酯、联硼酸新戊二醇酯、丙酮混合得到；
在中空铝合金型材上表面内侧通过螺丝安装消音板；
（3）在中空铝合金型材上表面外侧电镀制备厚度为0.1微米的氮化钛层；然后在氮化钛层上表面磁控溅射制备厚度为0.3微米的类金刚石碳膜；
（4）在中空铝合金型材下表面外侧喷涂厚度为0.8毫米的凝胶体，热处理得到基于磁控溅射类金刚石碳膜的铝合金；热处理工艺为80℃/5min+90℃/18min+120℃/25min。
上述基于磁控溅射类金刚石碳膜的铝合金的散热能力为纯中空铝合金型材的88%，消音率为纯中空铝型材的2.8倍，弹性层与消音板粘接达到1级，抗弯能力为纯中空铝型材的2.1倍；可用于铝合金外墙制备。
实施例四
一种基于磁控溅射类金刚石碳膜的铝合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将质量比为1∶0.38∶0.005∶0.75∶0.36∶0.28∶0.46∶15的3-甲基-2-吡啶酮、异构十三醇聚氧乙烯醚、二苯基氧膦、单羟基七乙烯基多面体齐聚倍半硅氧烷、二硫吡啶碳酸酯、粒径为180～340纳米的氮化硼、己二酸二（3,4-环氧基-6-甲基环己基甲酸）、丁酮混合；然后自然搅拌，挥发溶剂形成凝胶体；
（2）在实心金属板上表面制备埋孔；然后在埋孔内部填充泡沫前驱体；接着在埋孔上表面覆盖带有离型纸的热压钢板；然后将带有热压钢板的实心金属板于1MPa下，100℃加热5分钟；接着于140℃加热12分钟；自然冷却后去除钢板得到消音板；消音板上表面设有复数个埋孔；所有埋孔的面积和为消音板上表面积的25%；埋孔的孔径为1.5毫米；埋孔的深度为消音板厚度的60%；
所述泡沫前驱体由质量比为1∶0.78∶0.25∶0.0005∶0.49∶0.22∶6的5,5’-双（三乙氧基硅基）-3,3’-联吡啶、马来酸酐、聚脲甲醛、二月桂酸二丁基锡、二异氰酸酯、联硼酸新戊二醇酯、丙酮混合得到；
在中空铝合金型材上表面内侧通过螺栓安装消音板；
（3）在中空铝合金型材上表面外侧电镀制备厚度为0.15微米的氮化钛层；然后在氮化钛层上表面磁控溅射制备厚度0.4微米的类金刚石碳膜；
（4）在中空铝合金型材下表面外侧喷涂厚度为0.95毫米的凝胶体，热处理得到基于磁控溅射类金刚石碳膜的铝合金；热处理工艺为80℃/5min+90℃/18min+120℃/25min。
上述基于磁控溅射类金刚石碳膜的铝合金的散热能力为纯中空铝合金型材的89%，消音率为纯中空铝型材的2.5倍，弹性层与消音板粘接达到1级，抗弯能力为纯中空铝型材的2.2倍；可用于铝合金外墙制备。

Claims (10)

1.一种基于磁控溅射类金刚石碳膜的铝合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将3-甲基-2-吡啶酮、异构十三醇聚氧乙烯醚、二苯基氧膦、单羟基七乙烯基多面体齐聚倍半硅氧烷、二硫吡啶碳酸酯、氮化硼、己二酸二（3,4-环氧基-6-甲基环己基甲酸）与丁酮混合；然后挥发溶剂形成凝胶体；
（2）在中空铝合金型材上表面内侧安装消音板；所述消音板的制备为，在实心金属板上表面制备埋孔；然后在埋孔内部填充泡沫前驱体；接着在埋孔上表面覆盖热压钢板；然后将带有热压钢板的实心金属板于1MPa下，90～100℃加热3～5分钟；接着于130～140℃加热8～12分钟；自然冷却后去除钢板得到消音板；所述泡沫前驱体包括5,5’-双（三乙氧基硅基）-3,3’-联吡啶、马来酸酐、聚脲甲醛、二月桂酸二丁基锡、二异氰酸酯、联硼酸新戊二醇酯、丙酮；
（3）在中空铝合金型材上表面外侧制备氮化钛层；然后在氮化钛层上表面磁控溅射制备类金刚石碳膜；
（4）在中空铝合金型材下表面外侧复合凝胶体，热处理得到基于磁控溅射类金刚石碳膜的铝合金。
2.根据权利要求1所述基于磁控溅射类金刚石碳膜的铝合金的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，3-甲基-2-吡啶酮、异构十三醇聚氧乙烯醚、二苯基氧膦、单羟基七乙烯基多面体齐聚倍半硅氧烷、二硫吡啶碳酸酯、氮化硼、己二酸二（3,4-环氧基-6-甲基环己基甲酸）与丁酮的质量比为1∶（0.35～0.38）∶（0.003～0.005）∶（0.65～0.75）∶（0.25～0.36）∶（0.22～0.28）∶（0.35～0.46）∶（10～15）。
3.根据权利要求1所述基于磁控溅射类金刚石碳膜的铝合金的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，氮化硼的粒径为180～340纳米。
4.根据权利要求1所述基于磁控溅射类金刚石碳膜的铝合金的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，所述消音板上表面设有复数个埋孔；所有埋孔的面积和为消音板上表面积的22～25%；埋孔的孔径为1.2～1.5毫米；埋孔的深度为消音板厚度的55～60%。
5.根据权利要求1所述基于磁控溅射类金刚石碳膜的铝合金的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，所述消音板通过螺丝或者螺栓安装在中空铝合金型材上表面内侧。
6.根据权利要求1所述基于磁控溅射类金刚石碳膜的铝合金的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，5,5’-双（三乙氧基硅基）-3,3’-联吡啶、马来酸酐、聚脲甲醛、二月桂酸二丁基锡、二异氰酸酯、联硼酸新戊二醇酯、丙酮的质量比为1∶（0.65～0.78）∶（0.23～0.25）∶（0.0003～0.0005）∶（0.45～0.49）∶（0.18～0.22）∶（5～6）。
7.根据权利要求1所述基于磁控溅射类金刚石碳膜的铝合金的制备方法，其特征在于：步骤（3）中，所述氮化钛层的厚度为0.1～0.15微米；所述类金刚石碳膜层的厚度为0.3～0.4微米。
8.根据权利要求1所述基于磁控溅射类金刚石碳膜的铝合金的制备方法，其特征在于：步骤（3）中，凝胶体的厚度为0.8～0.95毫米；热处理工艺为80℃/5min+90℃/18min+120℃/25min。
9.根据权利要求1所述基于磁控溅射类金刚石碳膜的铝合金的制备方法制备的基于磁控溅射类金刚石碳膜的铝合金。
10.权利要求9所述基于磁控溅射类金刚石碳膜的铝合金在制备建筑外墙中的应用。
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