CN107513746A - 轻合金散热器表面防腐导热复合涂层及其制备方法、轻合金散热器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种轻合金散热器表面防腐导热复合涂层及其制备方法、以及具有该复合涂层的轻合金散热器，复合涂层包括由轻合金散热器基材金属原位氧化的金属氧化物层，以及覆盖在所述金属氧化物层上的弥散分布有碳纳米粒子的电泳漆膜层。制备方法包括(1)进行微弧氧化，在轻合金散热器基材表面形成一层由轻合金散热器基材金属原位氧化的金属氧化物层；(2)进行电泳沉积，在金属氧化物层表面沉积一层电泳漆膜。该复合涂层具有均匀致密、防腐性能优异、导热性能良好、使用寿命超长等优点，制备方法绿色环保、安全可靠、重复性好、可实现大批量、自动化、低成本、短流程工业生产。
Description
技术领域
本发明属于表面涂层制备技术领域，具体涉及一种轻合金散热器表面防腐导热复合涂层及其制备方法、具有该复合涂层的轻合金散热器。
背景技术
当前，照明行业、电子行业、船舶工业等领域散热的服役环境发展趋势为轻量化演变、功率密度高、耐候性增强和期望寿命长。上述领域中相关散热器的材质逐步向铝、镁、钛以及合金等轻合金过渡；虽这些轻合金自身的导热系数尚佳，但考虑到铝、镁以及合金自身的高活性、易氧化等特点以及船舶工业中钛合金易出现的连接腐蚀问题；从散热的控制因素实为“先传热后散热”的角度出发，结合散热器服役环境通常为较高的温度(大于60℃)此状态，故散热器用轻合金表面防腐导热复合涂层的开发很有必要。
然而，随国内相关环保条例的出台，轻合金表面自然氧化的钝化膜清洗、有防腐功效的转化膜形成等工艺(诸如阳极氧化、化成处理等)执行过程中均有废水和废气排放。此外，多数散热器的形状尺寸较为复杂，传统的喷粉工艺难以实现涂层的均匀涂覆。从防腐散热复合涂层的长寿命最佳防护效果出发，要求涂层与基材结合强度高，涂层耐腐蚀(海水腐蚀、大气腐蚀等)性能强、涂层导热性能好、复合涂层之间的结合力高等；因此，散热器用轻合金表面防腐导热复合涂层的绿色环保制备技术开发很为迫切。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种均匀致密、防腐性能优异、导热性能良好、使用寿命超长的轻合金散热器表面防腐导热复合涂层，还相应提供一种绿色环保、安全可靠、重复性好、可实现大批量、自动化、低成本、短流程工业生产的上述轻合金散热器表面防腐导热复合涂层的制备方法，另外，还提供一种具有上述防腐导热复合涂层的轻合金散热器。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种轻合金散热器表面防腐导热复合涂层，包括由轻合金散热器基材金属原位氧化的金属氧化物层，以及覆盖在所述金属氧化物层上的电泳漆膜层，所述电泳漆膜层中弥散分布有碳纳米粒子。
优选的，所述电泳漆膜层中，碳纳米粒子的质量分数为1％～55％。
优选的，所述碳纳米粒子为纳米金刚石粉末、纳米石墨粉末和纳米石墨烯粉末中的一种或多种。
优选的，所述金属氧化物层的厚度为2μm～20μm，所述电泳漆膜层的厚度为3μm～40μm。
作为一个总的发明构思，本发明还提供一种上述的轻合金散热器表面防腐导热复合涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)以轻合金散热器基材为阳极，以316L不锈钢为阴极，以微弧氧化液作为电解液，将阳极和阴极置于电解液中后通电，进行微弧氧化，在轻合金散热器基材表面形成一层由轻合金散热器基材金属原位氧化的金属氧化物层；
(2)以经步骤(1)处理后的轻合金散热器为阳极，以316L不锈钢为阴极，以含有碳纳米粒子的丙烯酸树脂类电泳漆为电解液；或者以经步骤(1)处理后的轻合金散热器为阴极，以316L不锈钢为阳极，含有纳米碳粒子的环氧树脂类电泳漆为电解液；所述丙烯酸树脂类电泳漆和环氧树脂类电泳漆中均含有碳纳米粒子；将阳极和阴极置于电解液中后通电，进行电泳沉积，在金属氧化物层表面沉积一层电泳漆膜。
优选的，所述步骤(1)中，微弧氧化所用电源为直流电源或脉冲电源，直流电源微弧氧化参数为：电源输出电压值不高于600V，平均电流密度不大于5A/dm2，氧化时间≤40min；脉冲电源微弧氧化参数为：电源输出电压值不高于600V，平均电流不大于500A，频率为100～2000Hz，脉冲宽度10μs～5000μs，氧化时间≤40min。
优选的，所述步骤(2)中，电泳沉积过程中电压值控制为60V～600V，时间≤30min。
优选的，所述步骤(2)中，丙烯酸树脂类电泳漆或环氧树脂类电泳漆中，碳纳米粒子的质量分数为1％～55％。
优选的，所述步骤(1)中，还包括：对微弧氧化后的轻合金散热器进行水洗，水洗温度为15℃～90℃，水洗时间≤10min；所述步骤(2)中，还包括：对电泳沉积后的轻合金散热器进行水洗、烘干，所述水洗温度为15℃～90℃，水洗时间≤10min；所述烘干温度160℃～245℃，烘干时间5～60min。
作为一个总的发明构思，本发明还提供一种轻合金散热器，包括轻合金散热器基材，以及设于轻合金散热器基材表面的防腐导热复合涂层，所述防腐导热复合涂层为上述的轻合金散热器表面防腐导热复合涂层或上述的制备方法制得的轻合金散热器表面防腐导热复合涂层。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明的轻合金散热器表面防腐导热复合涂层，由基材金属原位氧化的金属氧化物层和掺杂有碳纳米粒子的有机电泳漆膜层两部分组成，其中金属氧化物层与基体良好的结合特性可保障后续涂装层具有优异的结合强度；掺杂有碳纳米碳粒子的有机电泳漆膜层可赋予轻合金基材具有优势的耐候性的同时，增强散热器的传热性能，强化散热器的散热效果。故，本发明制得的防腐导热复合涂层具有涂层均匀致密、防腐性能优异、导热性能良好、使用寿命超长等特点，可满足照明行业、电子行业、船舶工业等领域对于不同散热环境的服役要求。
2、本发明的轻合金散热器表面防腐导热复合涂层的制备方法，与同阳极氧化、化成处理、喷粉等工艺相比，本发明制备过程无废水产生、绿色环保、安全可靠、重复性好，且可将生产工序高度整合与衔接，实现大批量、自动化、低成本、短流程工业生产。
附图说明
图1为经实施例5处理的表面具有防腐导热复合涂层的AZ31镁合金散热器的实物图。
图2为实施例5的AZ31镁合金散热器表面的防腐导热复合涂层的截面形貌图。
具体实施方式
以下结合具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
实施例1：
本实施例为在6061铝合金散热器基材上制备防腐导热复合涂层，包括以下步骤：
步骤1：将拟处理的6061铝合金散热器基材通过工装夹具夹装，然后置于微弧氧化(等离子体电解氧化)系统中的氧化槽中，且作为阳极，氧化槽中的电解液为硅酸钠10g/L、六偏磷酸钠30g/L，余量为去离子水或蒸馏水的溶液，以316L不锈钢为阴极，接通脉冲电源，进行微弧氧化，氧化工艺过程横流设定平均电流密度5A/dm2或恒压设定输出电压值为500V，频率1000Hz，脉冲宽度160μs，氧化时间5min；在轻合金散热器形成一层由6061铝合金散热器表面的各金属元素原位氧化的金属氧化物层；
步骤2：将步骤1微弧氧化处理后的6061铝合金散热器置于水洗槽中进行水洗，水洗时间1min，水洗温度15℃。
步骤3：将步骤2水洗后的6061铝合金散热器置于电泳槽中作为阳极，以316L不锈钢为阴极，电泳槽中的电解液为含有石墨纳米粒子的丙烯酸树脂类电泳漆(HG3000乳液、黑色浆与去离子水的(请您明确是体积比还是质量比)比例为3∶2∶5)，其中，石墨纳米粒子的质量百分含量为28％。通电后进行电泳沉积，电泳沉积过程中电压值控制为300V，时间为10min，在金属氧化物层表面沉积一层电泳漆膜层。
步骤4：将步骤3电泳沉积后的6061铝合金散热器置于水洗槽中进行水洗，水洗时间2min，水洗温度40℃。
步骤5：将步骤4水洗后的6061铝合金散热器置于固化烘干装置内，烘干温度240℃，烘干时间8min。
本实施例制备的6061铝合金散热器表面的防腐导热复合涂层总厚度为25μm，其中，金属氧化物层的厚度为8μm，电泳漆膜层的厚度为17μm，该电泳漆膜层中弥散分布有质量百分含量为50％的石墨纳米粒子。
实施例2：
本实施例为在6063铝合金散热器基材上制备防腐导热复合涂层，包括以下步骤：
步骤1：将拟处理的6063铝合金散热器基材通过工装夹具夹装，然后置于微弧氧化(等离子体电解氧化)系统中的氧化槽中，且作为阳极，氧化槽中的电解液为硅酸钠5g/L、六偏磷酸钠40g/L，余量为去离子水或蒸馏水的溶液，以316L不锈钢为阴极，接通脉冲电源，进行微弧氧化，氧化工艺过程横流设定平均电流密度3A/dm2或恒压设定输出电压值为540V，频率1500Hz，脉冲宽度120μs，氧化时间15min；在轻合金散热器形成一层由6063铝合金散热器表面的各金属元素原位氧化的金属氧化物层；
步骤2：将步骤1微弧氧化(等离子体电解氧化)后的6063铝合金散热器置于水洗槽中进行水洗(或超声波水洗)，水洗时间3min，水洗温度55℃。
步骤3：将步骤2水洗后的6063铝合金散热器置于电泳槽中作为阴极，以316L不锈钢为阳极，电泳槽中的电解液为含有金刚石纳米粒子的环氧树脂类电泳漆(HG90乳液、黑色浆与去离子水或蒸馏水的比例(请您明确是体积比还是质量比)为4∶1∶5)，其中，金刚石纳米粒子的质量百分含量为1％。通电后进行电泳沉积，电泳沉积过程中电压值控制为350V，时间为5min，在金属氧化物层表面沉积一层电泳漆膜层。
步骤4：将步骤3电泳沉积后的6063铝合金散热器置于水洗槽中进行水洗，水洗时间5min，水洗温度60℃。
步骤5：将步骤4水洗后的6063铝合金散热器置于固化烘干装置内，烘干温度220℃，烘干时间15min。
本实施例制备的6063铝合金散热器表面的防腐导热复合涂层总厚度为20μm，其中，金属氧化物层的厚度为9μm，电泳漆膜层的厚度为11μm，该电泳漆膜层中弥散分布有质量百分含量为2％的金刚石纳米粒子。
实施例3：
本实施例为在TC4钛合金散热器基材上制备防腐导热复合涂层，包括以下步骤：
步骤1：将拟处理的TC4钛合金散热器基材通过工装夹具夹装，然后置于微弧氧化(等离子体电解氧化)系统中的氧化槽中，且作为阳极，氧化槽中的电解液为硅酸钠5g/L、六偏磷酸钠40g/L、氟化钾5g/L，余量为去离子水或蒸馏水的溶液，以316L不锈钢为阴极，接通脉冲电源，进行微弧氧化，氧化工艺过程横流设定平均电流密度4.8A/dm2或恒压设定输出电压值为480V，频率800Hz，脉冲宽度100μs，氧化时间30min；在轻合金散热器形成一层由TC4钛合金散热器表面的各金属元素原位氧化的金属氧化物层；
步骤2：将步骤1微弧氧化(等离子体电解氧化)后的TC4钛合金散热器置于水洗槽中进行水洗(或超声波水洗)，水洗时间5min，水洗温度75℃。
步骤3：将步骤2水洗后的TC4钛合金散热器置于电泳槽中作为阴极，以316L不锈钢为阳极，电泳槽中的电解液为含有石墨烯纳米粒子的环氧树脂类电泳漆(HG91乳液、黑色浆与去离子水或蒸馏水的比例(请您明确是体积比还是质量比)为4∶2∶4)，其中，石墨烯纳米粒子的的质量百分含量为15％。通电后进行电泳沉积，电泳沉积过程中电压值控制为400V，时间为15min，在金属氧化物层表面沉积一层电泳漆膜层。
步骤4：将步骤3电泳沉积后的TC4钛合金散热器置于水洗槽中进行水洗，水洗时间8min，水洗温度80℃。
步骤5：将步骤4水洗后的TC4钛合金散热器置于固化烘干装置内，烘干温度160℃，烘干时间30min。
本实施例制备的TC4钛合金散热器表面防腐导热复合涂层总厚度为45μm，其中，金属氧化物层的厚度为20μm，电泳漆膜层的厚度为25μm，该电泳漆膜层中弥散分布有质量百分含量为30％的石墨烯纳米粒子。
实施例4：
本实施例为在TC21钛合金散热器基材上制备防腐导热复合涂层，包括以下步骤：
步骤1：将拟处理的TC21钛合金散热器通过工装夹具夹装，然后置于微弧氧化(等离子体电解氧化)系统中氧化槽中，且作为阳极，氧化槽中的电解液为硅酸钠10g/L、六偏磷酸钠25g/L、氟化钾10g/L，余量为去离子水或蒸馏水的溶液，以316L不锈钢为阴极，接通脉冲电源，进行微弧氧化，氧化工艺过程横流设定平均电流密度2.8A/dm2或恒压设定输出电压值为550V，频率300Hz，脉冲宽度800μs，氧化时间18min；在轻合金散热器形成一层由TC21钛合金散热器表面的各金属元素原位氧化的金属氧化物层；
步骤2：将步骤1微弧氧化(等离子体电解氧化)后的TC21钛合金散热器置于水洗槽中进行水洗(或超声波水洗)，水洗时间8min，水洗温度35℃。
步骤3：将步骤2水洗后的TC21钛合金散热器置于电泳槽中作为阳极，以16L不锈钢为阴极，电泳槽中的电解液为含有金刚石纳米粒子的丙烯酸树脂类电泳漆(HG7000乳液、黑色浆与去离子水或蒸馏水的比例(请您明确是体积比还是质量比)为3∶2∶5)，其中，金刚石纳米粒子的的质量百分含量为5％。通电后进行电泳沉积，电泳沉积过程中电压值控制为350V，时间为25min，在金属氧化物层表面沉积一层电泳漆膜层。
步骤4：将步骤3电泳沉积后的TC21钛合金散热器置于水洗槽中进行水洗，水洗时间3min，水洗温度60℃。
步骤5：将步骤4水洗后的TC21钛合金散热器置于固化烘干装置内，烘干温度180℃，烘干时间26min。
本实施例制备的TC21钛合金散热器表面防腐导热复合涂层总厚度为37μm，其中，金属氧化物层的厚度为10μm，电泳漆膜层的厚度为27μm，，该电泳漆膜层中弥散分布有质量百分含量为10％的金刚石纳米粒子。
实施例5：
本实施例为在AZ31镁合金散热器基材上制备防腐导热复合涂层，包括以下步骤：
步骤1：将拟处理的AZ31镁合金散热器通过工装夹具夹装，然后置于微弧氧化(等离子体电解氧化)系统中氧化槽中，且作为阳极，氧化槽中的电解液为硅酸钠10g/L、氢氧化钠10g/L、氟化钾10g/L，余量为去离子水或蒸馏水的溶液，以316L不锈钢为阴极，接通脉冲电源，进行微弧氧化，氧化工艺过程横流设定平均电流密度0.5A/dm2或恒压设定输出电压值为450V，频率400Hz，脉冲宽度900μs，氧化时间5min；在轻合金散热器形成一层由AZ31镁合金散热器表面的各金属元素原位氧化的金属氧化物层；
步骤2：将步骤1微弧氧化(等离子体电解氧化)后的AZ31镁合金散热器置于水洗槽中进行水洗(或超声波水洗)，水洗时间4min，水洗温度25℃。
步骤3：将步骤2水洗后的AZ31镁合金散热器置于电泳槽中作为阴极，以以316L不锈钢为阳极，电泳槽中的电解液为含有石墨纳米粒子的环氧树脂类电泳漆(HG91乳液、黑色浆与去离子水或蒸馏水的比例(请您明确是体积比还是质量比)为4∶1∶5)，其中，石墨纳米粒子的的质量百分含量为20％。通电后进行电泳沉积，电泳沉积过程中电压值控制为190V，时间为10min，在金属氧化物层表面沉积一层电泳漆膜层。
步骤4：将步骤3电泳沉积后的AZ31镁合金散热器置于水洗槽中进行水洗，水洗时间1min，水洗温度40℃。
步骤5：将步骤4水洗后的AZ31镁合金散热器置于固化烘干装置内，烘干温度170℃，烘干时间20min。
本实施例制备的AZ31镁合金散热器表面防腐导热复合涂层总厚度为18μm，其中，金属氧化物层的厚度为7μm，电泳漆膜层的厚度为11μm，该电泳漆膜层中弥散分布有质量百分含量为40％的石墨纳米粒子。
图1为经本实施例处理的表面具有防腐导热复合涂层的AZ31镁合金散热器的实物；可见，AZ31镁合金散热器表面的防腐导热复合涂层整体均匀致密，未看到孔洞等缺陷，同时复合涂层与基体结合良好。
图2为AZ31镁合金散热器表面的防腐导热复合涂层的截面形貌；可看出AZ31镁合金散热器表面防腐导热复合涂层由基材金属原位氧化的金属氧化物层和掺杂有石墨纳米粒子的有机电泳漆膜层两部分组成，其中金属氧化物层厚度约为7微米，该层与基体良好的结合特性可保障后续涂装层具有优异的结合强度；掺杂有石墨纳米碳粒子的有机电泳漆膜层厚度约为11微米，该层可赋予轻合金基材具有优势的耐候性的同时，增强散热器的传热性能，强化散热器的散热效果。故，本发明制得的防腐导热复合涂层具有涂层均匀致密、防腐性能优异、导热性能良好、使用寿命超长等特点。
实施例6：
本实施例为在AZ91镁合金散热器基材上制备防腐导热复合涂层，包括以下步骤：
步骤1：将拟处理的AZ91镁合金散热器通过工装夹具夹装，然后置于微弧氧化(等离子体电解氧化)系统中氧化槽中，且作为阳极，氧化槽中的电解液为硅酸钠3g/L、氢氧化钠10g/L、氟化钾10g/L，余量为去离子水或蒸馏水的溶液，以316L不锈钢为阴极，接通脉冲电源，进行微弧氧化，氧化工艺过程横流设定平均电流密度1.4A/dm2或恒压设定输出电压值为390V，频率850Hz，脉冲宽度200μs，氧化时间8min，在轻合金散热器形成一层由AZ91镁合金散热器表面的各金属元素原位氧化的金属氧化物层；
步骤2：将步骤1微弧氧化(等离子体电解氧化)后的AZ91镁合金散热器置于水洗槽中进行水洗(或超声波水洗)，水洗时间10min，水洗温度20℃。
步骤3：将步骤2水洗后的AZ91镁合金散热器置于电泳槽中作为阳极，以316L不锈钢为阴极，电泳槽中的电解液为含有石墨烯纳米粒子的丙烯酸树脂类电泳漆(HG3000乳液、黑色浆与去离子水或蒸馏水的比例(请您明确是体积比还是质量比)为4∶1∶5)，其中，石墨烯纳米粒子的的质量百分含量为30％。通电后进行电泳沉积，电泳沉积过程中电压值控制为245V，时间为6min，在金属氧化物层表面沉积一层电泳漆膜层。
步骤4：将步骤3电泳沉积后的AZ91镁合金散热器置于水洗槽中进行水洗，水洗时间8min，水洗温度70℃。
步骤5：将步骤4水洗后的AZ91镁合金散热器置于固化烘干装置内，烘干温度210℃，烘干时间18min。
本实施例制备的AZ91镁合金散热器表面防腐导热复合涂层总厚度为14μm，其中，金属氧化物层的厚度为8μm，电泳漆膜层的厚度为6μm，该电泳漆膜层中弥散分布有质量百分含量为30％的石墨烯纳米粒子。
以上所述，仅是本申请的较佳实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。
Claims (10)
1.一种轻合金散热器表面防腐导热复合涂层，其特征在于，包括由轻合金散热器基材金属原位氧化的金属氧化物层，以及覆盖在所述金属氧化物层上的电泳漆膜层，所述电泳漆膜层中弥散分布有碳纳米粒子。
2.根据权利要求1所述的轻合金散热器表面防腐导热复合涂层，其特征在于，所述电泳漆膜层中，碳纳米粒子的质量分数为1％～55％。
3.根据权利要求2所述的轻合金散热器表面防腐导热复合涂层，其特征在于，所述碳纳米粒子为纳米金刚石粉末、纳米石墨粉末和纳米石墨烯粉末中的一种或多种。
4.根据权利要求1～3任一项所述的轻合金散热器表面防腐导热复合涂层，其特征在于，所述金属氧化物层的厚度为2μm～20μm，所述电泳漆膜层的厚度为3μm～40μm。
5.一种如权利要求1～4任一项所述的轻合金散热器表面防腐导热复合涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)以轻合金散热器基材为阳极，以316L不锈钢为阴极，以微弧氧化液作为电解液，将阳极和阴极置于电解液中后通电，进行微弧氧化，在轻合金散热器基材表面形成一层由轻合金散热器基材金属原位氧化的金属氧化物层；
(2)以经步骤(1)处理后的轻合金散热器为阳极，以316L不锈钢为阴极，以含有碳纳米粒子的丙烯酸树脂类电泳漆为电解液；或者以经步骤(1)处理后的轻合金散热器为阴极，以316L不锈钢为阳极，含有纳米碳粒子的环氧树脂类电泳漆为电解液；所述丙烯酸树脂类电泳漆和环氧树脂类电泳漆中含有碳纳米粒子；将阳极和阴极置于电解液中后通电，进行电泳沉积，在金属氧化物层表面沉积一层电泳漆膜。
6.根据权利要求5所述的轻合金散热器表面防腐导热复合涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，微弧氧化所用电源为直流电源或脉冲电源，直流电源微弧氧化参数为：电源输出电压值不高于600V，平均电流不大于500A，氧化时间≤40min；脉冲电源微弧氧化参数为：电源输出电压值不高于600V，平均电流密度不大于5A/dm2，频率为100～2000Hz，脉冲宽度10μs～5000μs，氧化时间≤40min。
7.根据权利要求6所述的轻合金散热器表面防腐导热复合涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，电泳沉积过程中电压值控制为60V～600V，时间≤30min。
8.根据权利要求7所述的轻合金散热器表面防腐导热复合涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，丙烯酸树脂类电泳漆或环氧树脂类电泳漆中，碳纳米粒子的质量分数为0.5％～30％。
9.根据权利要求5～8任一项所述的轻合金散热器表面防腐导热复合涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，还包括：对微弧氧化后的轻合金散热器进行水洗，水洗温度为15℃～90℃，水洗时间≤10min；所述步骤(2)中，还包括：对电泳沉积后的轻合金散热器进行水洗、烘干，所述水洗温度为15℃～90℃，水洗时间≤10min；所述烘干温度160℃～245℃，烘干时间5～60min。
10.一种轻合金散热器，包括轻合金散热器基材，以及设于轻合金散热器基材表面的防腐导热复合涂层，其特征在于，所述防腐导热复合涂层为权利要求1～4任一项所述的轻合金散热器表面防腐导热复合涂层或如权利要求5～9任一项所述的制备方法制得的轻合金散热器表面防腐导热复合涂层。
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