CN116252367A - 一种竹基金属复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种竹基金属复合材料及其制备方法，包括竹质基体和金属涂层，金属涂层通过热喷涂方法沉积在竹质基体表面，竹质基体与金属涂层之间通过热喷涂方法形成的机械结合力直接连接。该制备方法的详细步骤为：A、竹材干燥处理；B、去除表面杂物和毛刺，使表面粗糙度Ra≤3.2μm；C、粗化处理获得表面粗糙度Ra≥12.5的竹质基体；D、通过热喷涂方法使金属丝材沉积于竹质基体表面形成致密的金属涂层，从而获得竹基金属复合材料。本发明的竹基金属复合材料以竹质材料为基体、以金属材料为涂层，通过电弧喷涂方法或超音速电弧喷涂方法加工制备而成，形成具有导电、导热、耐磨、电磁屏蔽等功能性竹材/金属复合新材料。

Description

一种竹基金属复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于复合材料制备技术领域，具体地说是一种竹基金属复合材料及其制备方法。

背景技术

竹材生长周期短（4-5年成材），可再生，是代替木材、缓解我国木材供需矛盾的重要载体，在应对气候变化、封碳固碳等领域扮演越来越重要的作用。

然而，竹材含有天然生物质材料，易霉变、开裂、老化变色等问题长期困扰竹材加工和利用。并且，竹材作为生物质材料，不具备导电、耐磨、抗电磁屏蔽等金属材料所具备的特性。因而，如何提高竹质材料的尺寸稳定性和表面耐候耐久性，同时赋予竹材金属材料的特殊属性以拓展其应用领域，是学术界和工业界持续关注的热点问题。文献报道了部分竹质材料表面改性相关的技术或研究，如采用等离子体处理实现竹材表面改性（黄港. 等离子体对竹材表面改性的相关研究[J]. 现代盐化工, 2021(5):51-52.），其原理是利用冷等离子体中的能量粒子和活性种与竹材表面发生作用，改变表面物理或化学成分，从而改变竹材表面的亲水性、疏水性、胶合性、阻燃性等。又如采用防腐剂增加竹材表面的耐腐蚀性能（魏起华, 魏微, 谢拥群. 硅铝凝胶改性防腐剂对竹材表面颜色的影响[J]. 森林与环境学报, 2022(4)，344-348），其原理是通过化学防腐剂配合热处理，使得防腐剂无机物填充竹材纤维内部的空隙和孔隙；也有学者研究利用纳米涂层进行竹材表面改性（陈玉和,包永洁,等. 纳米涂层对竹材色度稳定性的影响[J]. 林产工业,2014,41(1):19-22,27），纳米涂层一般是利用含有纳米颗粒（如TiO2、ZiO等）的溶液涂刷于竹材表面，涂层厚度及其有限，且容易流失；针对这一问题，也有专利文件提出改进这一问题的方法（CN107984577，一种抗流失纳米金属材料/竹材复合材料的制备方法，2018），该方法涉及到竹材内部晶种预置、快速冷冻、真空冷冻干燥微孔化处理、配制前驱体溶液等复杂流程，大范围工业应用困难。

金属具有各种优良理化特性，在竹质材料表面制备出金属表层，将大幅度提高竹材的耐候防腐特性，有效提高竹材的尺寸稳定性，且形成耐热、耐磨、导电、抗电磁屏蔽等功能性复合材料。现有技术在往往采用金属膜、金属板材等通过胶黏剂的方式将之粘结在竹质材料的表面，从而形成基于胶黏剂的金属-竹基复合材料。这种加工方法主要依赖于胶黏剂的使用。部分化学胶黏剂挥发易形成空气污染物，且金属膜或者板材铺设往往涉及到复杂的热压或固化等工艺过程，部分硬质金属基复合板材粘粘往往难以实现（摩或者板自身难以加工）。另有文献报道了一种竹/木材表面化学镀技术（黄金田, 赵广杰. 木材的化学镀研究[J]. 北京林业大学学报, 2004, 26(3)：88-92.；王敏,宁莉萍,王彩云,等. 化学镀竹粉/HDPE复合功能材料的性能研究[J]. 塑料工业,2020,48(10):128-133；），该方法的原理是在无外加电流状态下，借助合适的还原剂，使镀液中的金属离子还原成金属，并沉积到木材表面的一种镀覆方法。该方法需采用金属离子溶液浸没工件，加工过程容易造成重金属污染，且所制备的金属表层覆盖于工件表面，其结合力差，容易剥落，应用领域有限（常用于电磁屏蔽等领域）。此外，还有文献报道了采用原位反应通过复合水凝胶原位生成纳米金属颗粒提高竹材表面的耐候性（余辉龙. 载银纳米复合水凝胶的制备及其在竹材防霉中的应用实验研究[D]. 浙江农林大学, 2018.），该方法在竹材表面制备的金属覆盖物厚度极其有限（纳米级），对竹材表面的保护效果类似于涂抹防腐剂，金属层极易流失，大规模制备困难。此外，有学者（BaoW, Liang D, Zhang M, et al. Durable, high conductivity,superhydrophobicity bamboo timber surface for nanoimprint stamps[J]. Progressin Natural Science: Materials International, 2017, 27(6): 669-673.）研究了利用磁控溅射技术在竹材表面沉积铜膜的方法，制备的铜膜厚度可达30µm，表现出优异的机械性能、环境稳定性和高导电性，但这种方法靶材离化率较低，薄膜沉积速率慢，制备环境条件要求较高，如需要真空环境等。可见，现有技术主要存在的问题包括：使用胶黏剂，容易造成污染物挥发或者粘接固化过程复杂；涉及化学溶液，产生重金属，污染环境、结合强度低；涂层厚度有限，易流失；制备效率低，涉及到抽真空等复杂流程。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种竹基金属复合材料及其制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案解决的：

一种竹基金属复合材料，其特征在于：该竹基金属复合材料包括竹质基体和金属涂层，金属涂层通过热喷涂方法沉积在竹质基体表面，竹质基体与金属涂层之间通过热喷涂方法形成的界面结合力直接连接。

所述的金属涂层采用的丝材为纯金属材料、金属合金材料、金属基复合材料中的一种或者多种的组合。

所述金属涂层的厚度≥50um，优选厚度范围为100-400μm。

所述金属涂层的整体采用同种材料组分，或者在厚度方向上将金属涂层分为多层、各层每层的材料组分相异或渐变，这样就能根据性能需要形成具有组合功能的金属涂层或具有功能梯度的金属涂层。

所述的竹质基体采用的原材料是以竹材为主要制品的材料。

所述的竹质基体采用的原材料为天然竹材、竹材人造板材、竹基纤维复合人造板材中的一种。

所述的热喷涂方法为电弧喷涂方法或超音速电弧喷涂方法。

一种竹基金属复合材料的制备方法，其特征在于：该制备方法的详细步骤为：

A、将竹材进行干燥处理，控制含水率为8%-12%；

B、将竹材通过机械加工方法处理平整并去除表面杂物和毛刺，处理后的竹材表面横纹或顺纹方向的粗糙度Ra≤3.2μm；

C、将处理平整的竹材表面进行粗化处理，得到的竹质基体表面粗糙度Ra≥12.5；

D、将金属丝材通过电弧喷涂装置或者超音速电弧喷涂装置进行加热熔融、雾化、加速，使之沉积于竹质基体表面形成致密的金属涂层，金属涂层的厚度通过往复喷涂扫描沉积的次数控制，获得具有指定厚度金属涂层的竹基金属复合材料；

所述步骤B中的机械加工方法包括刨削、铣削、车削、砂削、磨削；所述步骤C中的粗化处理的方法包括抛丸、喷丸、喷砂、压印、打磨；所述步骤D中的电弧喷涂装置或者超音速电弧喷涂装置采用的工作气体为压缩空气、或者氩气、或者氦气。

所述步骤D中的竹质基体在热喷涂之前进行预热处理，且预热温度不高于50℃。

所述步骤D中获得的竹基金属复合材料进行打磨、抛光或封闭处理，以提高竹基金属复合材料的表面质量。

所述步骤D中的电弧喷涂装置或者超音速电弧喷涂装置配置具有喷涂参数调控功能的喷涂传感监控系统，喷涂传感监控系统监控到工件表面温度超过竹质基体的耐受温度，通过降低工作电压并增大工作气体压力或流量、延长扫描间隔时间以调整喷涂参数。

本发明采用的热喷涂加工技术的原理和说明如下：

热喷涂加工技术在金属工件表面防护领域非常常见，其基本原理是通过高温热源熔化金属丝材或粉末，使之沉积于金属材料的表面。本发明所采用的热喷涂方法为电弧喷涂或者超音速电弧喷涂，所能实现的金属涂层的厚度≥50um，典型的厚度范围为100-400μm，其材料组分可保持一致也可以在厚度方向上梯度变化。涂层的厚度是通过多次往复扫描沉积实现，即往复扫描沉积的次数越多，沉积的涂层越厚；因此，为实现金属涂层在厚度方向上的成分相异或者梯度变化，仅需在多次扫描沉积过程中采用不同成分的金属丝材即可。根据文献报道（陈永雄, 徐滨士, 许一,等. 高速摄像法监测电弧喷涂雾化粒子的飞行过程[C]//全国热喷涂技术协作组. 全国热喷涂技术协作组, 2005.），电弧或者超音速电弧喷涂在有效喷涂距离内的金属颗粒平均温度可达2000℃。一般而言，竹材的燃点小于400℃。因此，竹基金属复合材料的热喷涂制备有可能造成竹材表面烧蚀。为确保工件材料在喷涂加工过程中保持完整性，需通过传感检测系统实施监控金属粒子和工件表面的温度，是确保竹材表面完整的重要措施，一旦发现金属粒子或工件表面温度超过限定值，则适当调低电压、电流，降低送丝速度，延长往复喷涂扫描沉积的间隔时间，从而确保工件处于热耐受范围；延长喷涂扫描间隔可降低工件表面温度，防止热聚集。根据文献报道，不同材料之间的结合方式主要有机械结合、物理结合（分子间作用力）、冶金结合（化学反应）等附着形式。由于附着机理及其复杂，一般认为金属表面的喷涂涂层以机械结合（如咬合、穿插、挤压等）为主，同时也存在着物理结合、冶金结合等其他形式。与之不同，本发明在竹质基体表面喷涂的沉积力主要源自金属粒子和竹质材料表面的机械结合（如咬合、穿插、挤压等）；在喷涂前对竹材表面进行粗化处理，通过粗化处理形成的凹坑可以提高基体和金属粒子的接触面积，提高表面机械结合力。

本发明相比现有技术有如下优点：

本发明的竹基金属复合材料包含金属涂层和竹质基体，金属涂层和竹质基体通过电弧喷涂方法或超音速电弧喷涂方法直接结合而成，而非通过胶黏剂粘、电镀镀覆、原位纳米化学反应等方式结合。

本发明的竹基金属复合材料的结构简单，以竹质材料为基体、以金属材料为涂层，通过电弧喷涂方法或超音速电弧喷涂方法加工制备；制备过程无需复杂的真空环境等，可在大气压环境下作业，且工件的外表形状及尺寸不受限制；该类竹基复合材料应用范围广，制备过程直接、高效、无污染、效率高，金属涂层结构致密、表面细腻、界面结合紧密、可选金属材料种类繁多，有望解决竹材加工利用领域的耐候防腐难题，赋予竹材导热、导电、耐磨、电磁屏蔽等特殊功能。

本发明给出的新型竹基复合材料拓展了竹材应用领域，极有可能形成颠覆性方法并开辟竹基金属复合材料的热喷涂制备新领域，具有大规模工业化生产的潜质。

附图说明

附图1为本发明提供的竹基金属复合材料的结构示意图；

附图2为本发明的制备方法所采用的超音速电弧喷涂加工装置的工作原理图；

附图3为本发明的实施例制备的竹基金属复合材料从竹纤维的顺纹方向观察结合界面的金相图；

附图4为本发明的实施例制备的竹基金属复合材料从竹纤维的横纹方向观察结合界面的金相图。

其中：1—竹质基体；2—金属涂层；3—金属粒子；4—第一导丝嘴；5—第二导丝嘴；6—第一金属丝；7—第二金属丝；8—第一送丝轮；9—第二送丝轮；10—电弧电源；11—喷嘴；12—压缩气体；13—喷涂传感监控系统。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示：一种竹基金属复合材料，该竹基金属复合材料包括竹质基体1和金属涂层2，金属涂层2采用的丝材为纯金属材料、金属合金材料、金属基复合材料中的一种或者多种的组合，竹质基体1采用的原材料是以竹材为主要制品的材料，如天然竹材、竹材人造板材、竹基纤维复合人造板材中的一种；金属涂层2通过热喷涂方法沉积在竹质基体1表面，竹质基体1与金属涂层2之间通过热喷涂方法形成的界面结合力直接连接，热喷涂方法为电弧喷涂方法或超音速电弧喷涂方法。

在上述竹基金属复合材料中，金属涂层2的厚度≥50um，优选厚度范围为100-400μm；金属涂层2的整体采用同种材料组分，或者在厚度方向上将金属涂层2分为多层、且每层采用同种材料组分，这样就能根据性能需要形成具有不同功能梯度的金属涂层2。

一种竹基金属复合材料的制备方法，该制备方法的详细步骤为：

A、将竹材进行干燥处理，控制含水率为8%-12%；

B、将干燥后的竹材通过机械加工方法处理平整并去除表面杂物和毛刺，处理后的竹材表面横纹或顺纹方向的粗糙度Ra≤3.2μm；机械加工方法包括刨削、铣削、车削、砂削、磨削，粗化处理的方法包括抛丸、喷丸、喷砂、压印、打磨；

C、将处理平整的竹材表面进行粗化处理，得到竹质基体1表面粗糙度Ra≥12.5；

D、将金属丝材通过电弧喷涂装置或者超音速电弧喷涂装置进行加热熔融、雾化、加速，使之沉积于竹质基体1表面形成致密的金属涂层2，金属涂层2的厚度通过往复喷涂扫描沉积的次数控制，获得具有指定厚度金属涂层2的竹基金属复合材料；

上述步骤D中的竹质基体1在热喷涂之前进行预热处理，且预热温度不高于50℃。

上述步骤D中的电弧喷涂装置或者超音速电弧喷涂装置所采用的工作气体为压缩空气、或者氩气、或者氦气。

上述步骤D中获得的竹基金属复合材料进行打磨、抛光或封闭处理，以提高竹基金属复合材料的表面质量。

上述步骤D中的电弧喷涂装置或者超音速电弧喷涂装置配置具有喷涂参数调控功能的喷涂传感监控系统，喷涂传感监控系统监控到工件表面温度超过竹质基体1的耐受温度，通过降低工作电压并增大工作气体压力或流量等方式、延长扫描间隔时间以调整喷涂参数。

如图2所示的本发明的制备方法所采用的超音速电弧喷涂加工装置的工作原理图，利用超音速电弧喷涂加工装置进行涂层加工，该超音速电弧喷涂加工装置包括第一导丝嘴4、第二导丝嘴5、第一金属丝材6、第二金属丝材7、第一送丝轮8；第二送丝轮9、电弧电源10、喷嘴11、压缩气体12，还包括喷涂传感监控系统13；第一金属丝材6和第二金属丝材7分别接电弧电源10的正负极，第一金属丝材6在第一送丝轮8的带动下沿第一导丝嘴4运动，与此同时，第二金属丝材7在第二送丝轮9的带动下沿第二导丝嘴5运动；当第一金属丝材6和第二金属丝材7的末端接近时产生电弧放电并被加热熔融；压缩气体12通过喷嘴11喷出，使得熔融材料被雾化形成金属粒子3；金属粒子3撞击竹材1的表面沉积形成涂层2；喷涂传感监控系统13实时监测金属粒子3和竹材1的温度，并根据监测结果控制喷涂参数，可进一步保证喷涂的质量，防止竹材表面的烧蚀。喷涂传感监控系统包括检测单元和控制单元，其中检测单元主要测量喷涂金属粒子3和竹材1的温度，可通过红外温度检测装置实现，或者通过集成商用的喷涂监控系统，如AccuraSpray等实现温度以及金属粒子3的运动参数等采集；喷涂传感监控系统13通过判断金属粒子3和竹材1的温度，与电弧电源系统通信，从而调节喷涂参数；喷涂传感监控系统13与安装电弧喷枪的机器人装置或者机床通信，调整喷涂距离。

实施例一

采用本发明提供的制备方法在竹质基体表面进行金属涂层加工制备竹基金属复合材料，热喷涂设备采用如图2所示的超音速电弧喷涂加工装置。

待喷涂工件为已进行表面刨削加工的竹材，竹材表面顺纹方向粗糙度Ra为1.8μm、横纹方向表面粗糙度Ra为2.8μm。首先，对竹材工件的含水率进行测量，测试仪器：阿客斯-MT02，测得含水率为10%左右；其次，含水率测试后，通过喷砂机在工件表面进行粗化处理，得到的工件表面经测量其粗糙度Ra约为16μm；然后，进行电弧喷涂作业，工作电压25V、工作电流400A、喷涂距离28cm，工作气体为压缩空气、压力为0.8Mpa，金属丝材为镍-铝基合金材料，加工中未对材料进行预热，环境温度25℃左右；喷涂加工得到的工件表面粗糙度Ra为9.8μm。

为验证金属涂层2和竹质基体1的结合面性能，进一步进行金相镶嵌制样并通过金相显微镜观察结合界面，观察仪器：XJL-02A。图3和图4的图像是分别从竹纤维的顺纹方向和横纹方向观察结合界面（注：横纹方向竹质基体1中的圈状组织为竹纤维的维管束结构），发现竹质基体1和金属涂层2之间无明显的间隙，且竹质基体1通过适当的变形形成咬合金属粒子的微观凹坑结构，竹质基体1和金属涂层2咬合紧密、连成一体，无法轻易剥离。

本发明的竹基金属复合材料的结构简单，以竹质材料为基体、以金属材料为涂层，通过电弧喷涂方法或超音速电弧喷涂方法加工制备；该类竹基复合材料应用范围广，制备过程直接、高效、无污染、效率高，且制备过程不引起竹质基体表面烧蚀损坏，金属涂层结构致密、表面细腻、界面结合紧密、可选金属材料种类繁多，有望解决竹材加工利用领域的耐候防腐难题，形成具有导热、导电、耐磨、电磁屏蔽的新型功能性复合材料。

因为竹材含有天然生物质材料，易霉变、开裂、老化变色；而金属材料具有强度好、耐磨性好、耐候性佳等特点；本发明将金属材料和竹材相互结合可有效地利用金属材料的优点克服竹材的缺点，形成功能性竹基金属复合材料，且新型竹基复合材料的结构简单，所用的热喷涂制备效率高、成本低，具有大规模工业应用前景。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围；凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内；本发明未涉及的技术均可通过现有技术加以实现。

Claims (10)

1.一种竹基金属复合材料，其特征在于：该竹基金属复合材料包括竹质基体（1）和金属涂层（2），金属涂层（2）通过热喷涂方法沉积在竹质基体（1）表面，竹质基体（1）与金属涂层（2）之间通过热喷涂方法形成的界面结合力直接连接。

2.根据权利要求1所述的竹基金属复合材料，其特征在于：所述的金属涂层（2）采用的丝材为纯金属材料、金属合金材料、金属基复合材料中的一种或者多种的组合。

3.根据权利要求1所述的竹基金属复合材料，其特征在于：所述金属涂层（2）的厚度≥50um，所述金属涂层（2）的整体采用同种材料组分，或者在厚度方向上将金属涂层（2）分为多层、各层材料组分相异或渐变。

4.根据权利要求3所述的竹基金属复合材料，其特征在于：所述的竹质基体（1）采用的原材料为天然竹材、竹材人造板材、竹基纤维复合人造板材中的一种。

5.根据权利要求1所述的竹基金属复合材料，其特征在于：所述的热喷涂方法为电弧喷涂方法或超音速电弧喷涂方法。

6.根据权利要求1-5任一所述的竹基金属复合材料的制备方法，其特征在于：该制备方法的详细步骤为：

A、将竹材进行干燥处理，控制含水率为8%-12%；

B、将干燥后的竹材通过机械加工方法处理平整并去除表面杂物和毛刺，处理后的竹材表面横纹或顺纹方向的粗糙度Ra≤3.2μm；

C、将处理平整的竹材表面进行粗化处理，得到的竹质基体（1）表面粗糙度Ra≥12.5；

D、将金属丝材通过电弧喷涂装置或者超音速电弧喷涂装置进行加热熔融、雾化、加速，使之沉积于竹质基体（1）表面形成致密的金属涂层（2），金属涂层（2）的厚度通过往复喷涂扫描沉积的次数控制，从而获得竹基金属复合材料。

7.根据权利要求6所述的竹基金属复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤B中的机械加工方法包括刨削、铣削、车削、砂削、磨削；所述步骤C中的粗化处理的方法包括抛丸、喷丸、喷砂、压印、打磨；所述步骤D中的电弧喷涂装置或者超音速电弧喷涂装置所采用的工作气体为压缩空气、或者氩气、或者氦气。

8.根据权利要求6所述的竹基金属复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤D中的竹质基体（1）在热喷涂之前进行预热处理，且预热温度不高于50℃。

9.根据权利要求6所述的竹基金属复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤D中获得的竹基金属复合材料进行打磨、抛光或封闭处理，以提高竹基金属复合材料的表面质量。

10.根据权利要求6所述的竹基金属复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤D中的电弧喷涂装置或者超音速电弧喷涂装置配置具有喷涂参数调控功能的喷涂传感监控系统，喷涂传感监控系统监控到工件表面温度超过竹质基体（1）的耐受温度，通过降低工作电压并增大工作气体压力或流量、延长往复喷涂扫描沉积的间隔时间，确保竹质基体（1）处于耐候温度范围内。

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