CN101016614A - 一种在环氧树脂基碳纤维复合材料制品表面喷涂陶瓷的工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及对环氧树脂基碳纤维复合材料制品进行表面保护的技术领域，特指一种在环氧树脂基碳纤维复合材料制品表面喷涂陶瓷的工艺。本发明主要包括如下步骤：A、对环氧树脂基碳纤维复合材料制品表面进行粗化处理；B、在粗化表面喷涂金属底层；C、在金属底层表面喷涂陶瓷粉末形成陶瓷涂层。本发明可应用于各种环氧树脂基碳纤维复合材料制品领域，在其制品表面喷涂上喷涂陶瓷涂层后，由于陶瓷具有耐高温、耐磨、隔热等特点，将对环氧树脂基碳纤维复合材料及其制品起到很好的保护作用，提高产品的使用安全性能以及增加其使用寿命，并且使环氧树脂基碳纤维复合材料应用范围更加广泛。
Description
技术领域：
本发明涉及对使用环氧树脂基碳纤维材料作为基体材料的民用工业制品及包括运动器材、体育器械用品表面进行保护的技术领域，特指一种在环氧树脂基碳纤维复合材料制品表面喷涂陶瓷的工艺。
背景技术：
在复合材料大家族中，纤维增强材料一直是人们关注的焦点。自玻璃纤维与有机树脂复合的玻璃钢问世以来，碳纤维、陶瓷纤维以及硼纤维增强的复合材料相继研制成功，性能不断得到改进，使复合材料领域呈现出一派勃勃生机。
碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，其含碳量随种类不同而异，一般在90％以上。碳纤维是由含碳量较高，在热处理过程中不熔融的人造化学纤维，经热稳定氧化处理、碳化处理及石墨化等工艺制成的。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐磨擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。碳纤维比重小，因此有很高的强度。
碳纤维的主要用途是与树脂、金属等基体复合，制成结构材料。由碳纤维和环氧树脂结合而成的复合材料，具有比重小、刚性好和强度高等优点，在很多领域或机械部件制造上能取代钢材作为基材。但是，由于树脂的TG点(玻璃化温度)较低以及复合材料成型工艺所致，使得环氧树脂基碳纤维复合材料制品工作温度必须低于树脂的TG点，否则，树脂将会软化变形进而导致整个复合材料制品变形而报废，因此限制了环氧树脂基碳纤维复合材料的推广和普及。
另一方面，由于陶瓷具有耐高温、耐磨、隔热等特点，可作为一种很好的保护材料；而且目前电弧喷涂设备以及等离子喷涂设备的研发以及喷涂技术的日益成熟，为陶瓷喷涂工艺作了良好的技术基础。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种用于环氧树脂基碳纤维复合材料制品表面喷涂陶瓷的喷涂工艺，使其对环氧树脂基碳纤维复合材料制品在工作中起到很好的保护作用。
本发明实现其目的采用的技术方案是：其包括如下步骤：
A、对环氧树脂基碳纤维复合材料制品表面进行粗化处理；
B、在粗化表面喷涂金属底层；
C、在金属底层表面喷涂陶瓷粉末形成陶瓷涂层。
其中，该工艺中采用以下较佳方案：
步骤A中是使用喷砂粗化设备进行表面粗化，且喷砂砂粒的大小为40～60目，喷砂设备的压缩空气压力为0.4～0.8MPa，其目的是更便于金属底层与复合材料表面结合。
在步骤A之前，可先使用超声波清洁设备对表面进行清洁，以及用丙酮或丁酮(MEK)或者其他试剂进行擦拭，干燥后再进行粗化处理。
步骤B中是使用电弧喷涂设备或等离子喷涂设备喷涂金属底层，而且金属底层为低熔点金属或其合金，如Zn、Al、Al-Mg合金、Zn-Al合金等，因低熔点金属或其合金在凝固时放热较高熔点金属及其合金凝固时放热要小的多，因此对环氧树脂基碳纤维复合材料制品的影响也要小得多，金属底层的厚度约为0.05mm～0.25mm。
其中步骤B中较佳的喷涂方案是采用电弧喷涂设备，所喷涂的金属底层材料为锌铝合金，当然，采用其他低熔点金属或其合金材料也可。其原理是将两根金属丝不断地送入喷枪的正负极，经接触产生电弧将金属丝熔化并借助压缩空气把熔融的金属雾化成细小的微粒，以高速喷射到零件表面形成涂层。电弧喷涂具有以下特点：①.不需要可燃气体；②.生产效率高，沉积效率高，适合大面积喷涂；③.生产成本低，为所有热喷涂工艺中成本最低的；④.操作简单，机动灵活，既适合手工作业，也可用于机械化生产；⑤.输出电流稳定，焰流波动小，涂层质量高，其结合强度、致密性均优于火焰喷涂。喷涂金属底层的目的是为步骤C喷涂陶瓷打底，因陶瓷喷涂过程温度高，直接喷涂于复合材料表面将破坏整个环氧树脂基碳纤维复合材料制品，因此需要以金属底层作为依托进行陶瓷喷涂。
步骤C中使用等离子喷涂设备进行等离子喷涂；步骤C中所使用的陶瓷粉末为氧化铝(Al2O3)陶瓷粉末或YSZ陶瓷粉末或金属陶瓷粉末(如WC/Co、CrC/NiCr、WC/Co/Cr)或者其他种类的陶瓷粉末，陶瓷粉末的直径约为5～40微米；步骤C喷涂过程中使用氩气或者氮气等惰性气体作为等离子气体。
等离子喷涂是利用等离子弧进行的，离子弧是压缩电弧，电弧的电压约为40V～120V，电流约为300A～700A，与自由电弧项比较，其弧柱细，电流密度大，气体电离度高，因此具有温度高，能量集中，弧稳定性好等特点。等离子喷涂具有以下特点：①超高温特性，便于进行高熔点材料的喷涂。②喷射粒子的速度高，涂层致密，粘结强度高。③由于使用惰性气体作为工作气体，所以喷涂材料不易氧化。
等离子喷涂设备主要包括：
①喷枪：实际上是一个非转移弧等离子发生器，是最关键的部件，其上集中了整个***的电，气，粉，水等。
②电源：用以供给喷枪直流电。通常为全波硅整流装置。
③送粉器：用来贮存喷涂粉末并向喷枪输送粉末的装置。
④热交换器：主要用以使喷枪获得有效的冷却，达到使喷嘴延寿的目的。
⑤供气***：包括工作气和送粉气的供给***。
⑥控制框：用于对水，电、气、粉的调节和控制。
步骤C中喷涂过程中喷涂距离约为60mm～20mm，且喷涂过程中环氧树脂基碳纤维复合材料制品即基件的温度应控制在120℃～200℃以下，同时设有保持环氧树脂基碳纤维复合材料制品不变形的挡体。因在等离子喷涂时，熔融的陶瓷通过压缩气流高速喷射到基件的金属底层表面，会对基件产生一定压力并使基件温度升高，为避免基件受压受热变形，所以需要控制温度以及设置一挡体，保持基件稳定不变形。
本发明可应用于各种环氧树脂基碳纤维复合材料制品领域，在其制品表面喷涂上喷涂陶瓷涂层后，由于陶瓷具有耐高温、耐磨、隔热等特点，将对环氧树脂基碳纤维复合材料及其制品起到很好的保护作用，提高产品的使用安全性能以及增加其使用寿命，并且使环氧树脂基碳纤维复合材料应用范围更加广泛。
附图说明：
图1是本发明工艺的流程图；
图2是本发明应用实施例一自行车轮圈的截面示意图；
图3是本发明应用实施例二碟刹盘的示意图；
图4是本发明应用实施例二碟刹盘的截面图。
具体实施方式：
如图1所示，本发明主要包括如下步骤：
A、对环氧树脂基碳纤维复合材料制品表面进行粗化处理；
B、在粗化表面喷涂金属底层；
C、在金属底层表面喷涂陶瓷粉末形成陶瓷涂层。
其中：该工艺中采用以下较佳方案：
步骤A中是使用喷砂粗化设备进行表面粗化，且喷砂砂粒的大小为40～60目，喷砂设备的压缩空气压力为0.4～0.8MPa。
在步骤A之前，可先使用超声波清洁设备对表面进行清洁，以及用丙酮或丁酮(MEK)或者其他试剂进行擦拭，干燥后再进行粗化处理。
步骤B中是使用电弧喷涂设备或等离子喷涂设备喷涂金属底层，而且金属底层为低熔点金属或其合金，如Zn、Al、Al-Mg合金、Zn-Al合金等，因低熔点金属或其合金在凝固时放热较高熔点金属及其合金凝固时放热要小的多，因此对环氧树脂基碳纤维复合材料制品的影响也要小得多，金属底层的厚度约为0.05mm～0.25mm。步骤B中较佳的喷涂方案是采用电弧喷涂设备。
步骤B中使用等离子喷涂设备进行等离子喷涂；步骤B中所使用的陶瓷粉末为氧化铝(Al2O3)粉末或者其他陶瓷粉末，粉末直径5～40微米；步骤B喷涂过程中使用氩气或者氮气等惰性气体作为等离子气体。
步骤C中喷涂过程中喷涂距离约为60mm～200mm，且喷涂过程中环氧树脂基碳纤维复合材料制品即基件的温度应控制在120℃～200℃以下，同时设有保持环氧树脂基碳纤维复合材料制品不变形的挡体。因在等离子喷涂时，熔融的陶瓷通过压缩气流高速喷射到基件的金属底层表面，会对基件产生一定压力并使基件温度升高，为避免基件受压受热变形，所以需要控制温度以及设置一挡体，保持基件稳定不变形。
当然，按照本发明工艺，可在外面陶瓷涂层表面再喷涂金属层作为表层，或者再继续喷涂陶瓷涂层或其他涂层等。
下面结合实施例及其附图对本发明进一步说明。
实施例一：
如图2所示，本发明用于环氧树脂基碳纤维复合材料自行车轮圈的制造。因采用环氧树脂基碳纤维复合材料制造的轮圈，要防止刹车时产生的高温使轮圈变形，可在其刹车面设置陶瓷涂层，一来隔热，二来可增加耐磨性。
取自行车轮圈1成品，在轮圈刹车面10的内侧设置好挡体2，其目的是避免刹车面10在喷涂时产生的压力以及热量的作用下发生变形，保持产品特性。准备好后，对其刹车面10进行喷砂粗化处理，砂粒大小为40目，然后然后通过电弧喷涂设备均匀喷涂一层锌-铝合金金属底层11，该金属底层厚度为0.05mm，最后用等离子喷涂设备喷涂陶瓷粉末，陶瓷粉末成分为氧化铝，粉末直径为40微米，喷涂时，电弧的电压为80V，电流为500A，喷枪喷嘴离基件表面距离为100mm，均匀喷涂厚度为0.5mm的陶瓷涂层12。
实施例二：
如图3、4所示，与实施例一同理，本发明用于环氧树脂基碳纤维复合材料碟刹盘的制造。
取碟刹盘成品，先在碟刹盘3的一侧设置挡体，对另一侧的刹车面30进行喷砂粗化处理，砂粒大小为60目，然后然后通过电弧喷涂设备均匀喷涂一层Al-Mg合金金属底层31，该金属底层厚度为0.25mm，最后用等离子喷涂设备喷涂陶瓷粉末，陶瓷粉末成分为氧化铝，粉末直径为5微米，喷涂时，电弧的电压为120V，电流为700A，喷枪喷嘴离基件表面距离为100mm，均匀喷涂厚度为0.5mm的陶瓷涂层32。
Claims (8)
1.一种在环氧树脂基碳纤维复合材料制品表面喷涂陶瓷的工艺，其特征在于：其包括如下步骤：
A、对环氧树脂基碳纤维复合材料制品表面进行粗化处理；
B、在粗化表面喷涂金属底层；
C、在金属底层表面喷涂陶瓷粉末形成陶瓷涂层。
2.根据权利要求1所述的一种在环氧树脂基碳纤维复合材料制品表面喷涂陶瓷的工艺，其特征在于：步骤A中是使用喷砂粗化设备进行表面粗化，且喷砂砂粒的大小为40～60目，喷砂设备的压缩空气压力为0.4～0.8MPa。
3.根据权利要求1所述的一种在环氧树脂基碳纤维复合材料制品表面喷涂陶瓷的工艺，其特征在于：步骤B中是使用电弧喷涂设备或等离子喷涂设备喷涂金属底层。
4.根据权利要求1或3所述的一种在环氧树脂基碳纤维复合材料制品表面喷涂陶瓷的工艺，其特征在于：所述的步骤B中金属底层为低熔点金属或其合金。
5.根据权利要求4所述的一种在环氧树脂基碳纤维复合材料制品表面喷涂陶瓷的工艺，其特征在于：所述的金属底层厚度为0.05～0.25mm。
6.根据权利要求1所述的一种在环氧树脂基碳纤维复合材料制品表面喷涂陶瓷的工艺，其特征在于：步骤C中是使用等离子喷涂设备进行等离子喷涂。
7.根据权利要求1或6所述的一种在环氧树脂基碳纤维复合材料制品表面喷涂陶瓷的工艺，其特征在于：步骤C喷涂过程中使用氩气或者氮气等惰性保护气体作为等离子气体。
8.根据权利要求1或6所述的在环氧树脂基碳纤维复合材料制品表面喷涂陶瓷的工艺，其特征在于：步骤C中喷涂过程中设有保持环氧树脂基碳纤维复合材料制品不变形的挡体。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |