CN105542524B - SiC增强金属基复合材料的表面处理方法及表面涂层 - Google Patents

SiC增强金属基复合材料的表面处理方法及表面涂层 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种SiC增强金属基复合材料的表面处理方法及表面涂层，该表面处理方法包括：将24～30份水溶性硅酸盐、1～5份硅烷偶联剂、3～10份三聚磷酸铝、8～25份水溶性钼酸盐与64～82份去离子水混合得到复合硅溶胶粘结剂；将15～30份片状金属粉加到20～50份有机醇溶剂中，并依次加入3～6份硅烷偶联剂、2～6份氨水、1～3份乳化剂、0.5～1.2份流平剂、0.2～0.4份增稠剂，得到膏状混合物；在40～50℃水浴和搅拌条件下，向膏状混合物中加入复合硅溶胶粘结剂，制得涂覆液；将涂覆液涂到SiC增强金属基复合材料表面并烘干，从而制备出附着力好的表面涂层，这不仅可以提供良好的防护性能，而且不会影响材料的导热和导电性能。

Description

SiC增强金属基复合材料的表面处理方法及表面涂层
技术领域
本发明涉及SiC增强金属基复合材料的表面处理技术领域，尤其涉及一种SiC增强金属基复合材料的表面处理方法及表面涂层。
背景技术
SiC增强金属基复合材料具有较高的比强度、比刚度、弹性模量和耐磨性，还具有较低的热膨胀系数，在航空航天、汽车发动机、精密仪表、电子封装、体育器材等方面有着广泛的应用前景。采用SiC对金属基复合材料进行增强虽然可以使材料的很多性能得到提升，但同时也降低了材料组织的均一性，从而会使材料耐蚀性能大幅下降，因此对SiC增强金属基复合材料进行有效的表面处理，以提升耐腐蚀、耐磨损和耐高温氧化性能显得尤为重要。
SiC/Al复合材料是极具代表性的SiC增强金属基复合材料。目前，对SiC/Al复合材料进行表面处理的方法主要包括微弧氧化、阳极氧化、化学钝化、有机涂层等，但微弧氧化、阳极氧化、化学钝化，这几种表面处理方法所制备出的表面保护膜普遍存在耐腐蚀能力不佳、附着力差、易于受到破坏等问题，而现有的有机涂层会严重影响SiC/Al复合材料的导热和导电性能。
发明内容
针对现有技术中的上述不足之处，本发明提供了一种SiC增强金属基复合材料的表面处理方法及表面涂层，能够在SiC增强金属基复合材料的表面制备出附着力好的表面涂层，不仅可以对SiC增强金属基复合材料提供良好的防护性能，而且不会影响SiC增强金属基复合材料的导热和导电性能。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种SiC增强金属基复合材料的表面处理方法，包括以下步骤：
步骤A、将24～30质量份的水溶性硅酸盐、1～5质量份的硅烷偶联剂、3～10质量份的三聚磷酸铝、8～25质量份的水溶性钼酸盐与64～82质量份的去离子水混合，得到复合硅溶胶粘结剂；
步骤B、将15～30质量份的片状金属粉加入到20～50质量份的有机醇溶剂中，并在搅拌状态下依次加入3～6质量份的硅烷偶联剂、2～6质量份pH＝8～11的氨水、1～3质量份的乳化剂、0.5～1.2质量份的流平剂、0.2～0.4质量份的增稠剂，充分分散，得到膏状混合物；其中，所述的片状金属粉为锌粉、铝粉、镁粉、锌铝合金粉或锌镁合金粉中的至少一种；所述的有机醇溶剂为聚乙二醇、丙三醇、乙二醇或二丙二醇中的至少一种；
步骤C、在40～50℃的水浴条件和搅拌状态下，向步骤B制得的膏状混合物中加入步骤A制得的复合硅溶胶粘结剂，并充分分散，得到涂覆液；其中，膏状混合物与复合硅溶胶粘结剂的混合比例为：每35～50质量份的膏状混合物中加入50～65质量份的复合硅溶胶粘结剂；
步骤D、将步骤C制得的涂覆液涂覆到SiC增强金属基复合材料的表面，并在250～350℃下进行烘干处理，从而在SiC增强金属基复合材料的表面制备出表面涂层。
优选地，所述SiC增强金属基复合材料中的金属为铝、铜、钛、铝合金、铜合金或钛合金。
优选地，所述的硅烷偶联剂为KH550，KH560或KH570中的至少一种；所述的乳化剂为壬基酚聚氧乙烯醚、烷基酚聚氧乙烯醚或脂肪醇聚氧乙烯醚中的至少一种；所述的流平剂为聚醚改性聚二甲基硅氧烷；所述的增稠剂为羟乙基纤维素。
优选地，所述的水溶性硅酸盐为硅酸钠、硅酸锂、硅酸钾或硅酸季铵盐；所述的水溶性钼酸盐为钼酸钠、钼酸锂、钼酸钾、钼酸铵或钼酸镁。
优选地，在步骤B中，氨水加入后，先搅拌至少5小时，再依次加入乳化剂、流平剂和增稠剂，然后再分散至少3小时，得到膏状混合物。
一种SiC增强金属基复合材料的表面涂层，采用上述上述技术方案中所述的SiC增强金属基复合材料的表面处理方法在SiC增强金属基复合材料的表面制备而成。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例所提供的SiC增强金属基复合材料的表面处理方法通过三聚磷酸铝和钼酸盐对涂覆液中的片状金属粉和SiC增强金属基复合材料中的金属基材进行钝化，并通过硅烷偶联剂的水解包覆作用保障片状金属粉在水性涂覆液中稳定存在，同时利用硅酸盐可以同时与金属和SiC形成化学键的特点，采用硅烷偶联剂和水溶性硅酸盐水解所产生的硅溶胶将SiC增强金属基复合材料中的SiC和金属基材与涂覆液中的片状金属粉通过硅氧键牢固粘结在一起，可以在SiC增强金属基复合材料的表面制备出附着力非常好的表面涂层。此外，涂层制备过程中片状金属粉会在基材表面层层排列，这些层层覆盖的片状金属粉不仅可以为SiC增强金属基复合材料提供优异的防护能力，而且片状金属粉自身具有良好的导电和导热能力，因此当所述涂覆液涂覆到SiC增强金属基复合材料表面后，SiC增强金属基复合材料仍具有较好的导热和导电性能，这使得本发明所提供的SiC增强金属基复合材料的表面处理方法尤其适用于对SiC/Al复合材料(SiC/Al复合材料主要用途之一是用作电子封装材料)进行表面防护。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
首先需要说明的是，在本发明实施例中，SiC增强金属基复合材料中的SiC为SiC颗粒或SiC纤维，而SiC增强金属基复合材料中的金属为铝、铜、钛、铝合金、铜合金或钛合金。下面对本发明所提供的SiC增强金属基复合材料的表面处理方法及表面涂层进行详细描述。
一种SiC增强金属基复合材料的表面处理方法，包括如下步骤：
步骤A、将24～30质量份的水溶性硅酸盐、1～5质量份的硅烷偶联剂、3～10质量份的三聚磷酸铝、8～25质量份的水溶性钼酸盐与64～82质量份的去离子水混合，得到复合硅溶胶粘结剂。
其中，所述的水溶性硅酸盐为硅酸钠、硅酸锂、硅酸钾或硅酸季铵盐；所述的水溶性钼酸盐为钼酸钠、钼酸锂、钼酸钾、钼酸铵或钼酸镁；所述的硅烷偶联剂为KH550，KH560或KH570中的至少一种。
步骤B、将15～30质量份的片状金属粉加入到20～50质量份的有机醇溶剂中，并在搅拌状态下依次加入3～6质量份的硅烷偶联剂、2～6质量份pH＝8～11的氨水、1～3质量份的乳化剂、0.5～1.2质量份的流平剂、0.2～0.4质量份的增稠剂，充分分散，得到膏状混合物。
其中，所述的片状金属粉为锌粉、铝粉、镁粉、锌铝合金粉或锌镁合金粉中的至少一种；所述的有机醇溶剂为聚乙二醇、丙三醇、乙二醇或二丙二醇中的至少一种；所述的硅烷偶联剂为KH550，KH560或KH570中的至少一种；所述的乳化剂为壬基酚聚氧乙烯醚、烷基酚聚氧乙烯醚或脂肪醇聚氧乙烯醚中的至少一种；所述的流平剂为聚醚改性聚二甲基硅氧烷；所述的增稠剂为羟乙基纤维素。具体而言，将片状金属粉加入到有机醇溶剂中后，先在搅拌状态下加入硅烷偶联剂KH550，再在搅拌状态下以1～5滴/min的速率滴加氨水，并搅拌至少5小时，然后在搅拌状态下依次加入乳化剂、流平剂和增稠剂，并分散至少3小时，从而制得膏状混合物。
步骤C、在40～50℃的水浴条件和搅拌状态下，向步骤B制得的膏状混合物中加入步骤A制得的复合硅溶胶粘结剂，并充分分散，得到涂覆液。
其中，膏状混合物与复合硅溶胶粘结剂的混合比例为：每35～50质量份的膏状混合物中加入50～65质量份的复合硅溶胶粘结剂。
步骤D、将步骤C制得的涂覆液涂覆到SiC增强金属基复合材料的表面，并在250～350℃下进行烘干处理，从而在SiC增强金属基复合材料的表面制备出表面涂层。
具体地，本发明所提供的SiC增强金属基复合材料的表面处理方法原理如下：
(1)所述涂覆液中的三聚磷酸铝和水溶性钼酸盐可以对片状金属粉和SiC增强金属基复合材料中的金属基材起到钝化作用，而硅烷偶联剂的水解包覆作用可以保证片状金属粉在所述涂覆液中稳定存在，同时硅烷偶联剂和水溶性硅酸盐水解所产生的硅溶胶在加热后能够将SiC增强金属基复合材料中的SiC和金属基材与涂覆液中的片状金属粉通过硅氧键牢固粘结在一起，从而可以在SiC增强金属基复合材料的表面制备出附着力非常好的表面涂层。
(2)片状金属粉在涂覆层中的层层排列不仅可以为SiC增强金属基复合材料提供优异的防护能力，而且片状金属粉自身具有良好的导电和导热能力，因此当所述涂覆液涂覆到SiC增强金属基复合材料表面后，SiC增强金属基复合材料仍具有较好的导热和导电性能，也就是说，按照上述方法在SiC增强金属基复合材料表面制备出的表面涂层不会影响SiC增强金属基复合材料的导热和导电性能，这使得本发明所提供的SiC增强金属基复合材料的表面处理方法尤其适用于对SiC/Al复合材料(SiC/Al复合材料主要用途之一是用作电子封装材料)进行表面防护。
(3)在现有技术中，新制备出的SiC增强金属基复合材料需要进行热处理才能使用，而本发明所提供的SiC增强金属基复合材料的表面处理方法中，SiC增强金属基复合材料可以先不用进行热处理，当将步骤C制得的涂覆液涂覆到SiC增强金属基复合材料的表面后，再以250～350℃进行烘干处理，从而可以将SiC增强金属基复合材料的热处理过程与涂层的烘干过程通过一次热处理同时完成，这可以节省工序、节约能源。
除了上述技术方案外，本发明还提供了一种SiC增强金属基复合材料的表面涂层，采用上述技术方案中所述的SiC增强金属基复合材料的表面处理方法在SiC增强金属基复合材料的表面制备而成。
综上可见，本发明实施例能够在SiC增强金属基复合材料的表面制备出附着力好的表面涂层，不仅可以对SiC增强金属基复合材料提供良好的防护性能，而且不会影响SiC增强金属基复合材料的导热和导电性能，具有较好的实际应用前景。
为了更加清晰地展现出本发明所提供的技术方案及所产生的技术效果，下面以几个具体实施例对本发明实施例所提供的SiC增强金属基复合材料的表面处理方法及表面涂层进行详细描述。
实施例1
一种SiC增强金属基复合材料的表面处理方法，包括如下步骤：
步骤A1、将96g质量分数为30％、模数为4.8的硅酸锂水溶液加入到烧杯中，在不断搅拌水浴条件下加入12g钼酸钠和10g去离子水并滴加2g硅烷偶联剂KH550，再加入5g超细三聚磷酸铝粉末，搅拌分散，得到复合硅溶胶粘结剂。
步骤B1、将23g片状铝粉加入到30g有机醇溶剂中，并在搅拌状态下加入5g硅烷偶联剂KH550，充分搅拌分散，再缓慢滴加3ml pH＝10的氨水，搅拌至少5小时后，依次加入1.6g脂肪醇聚氧乙烯醚O-20、0.7g聚醚改性聚二甲基硅氧烷，0.36g羟乙基纤维素，充分分散3小时后，得到膏状混合物。
步骤C1、在40～50℃的水浴条件和搅拌状态下，按照每45g膏状混合物中加入55g复合硅溶胶粘结剂的比例，向步骤B1制得的膏状混合物中缓慢加入步骤A1制得的复合硅溶胶粘结剂，并充分搅拌分散，得到涂覆液。
步骤D1、将步骤C1制得的涂覆液涂覆到SiC增强金属基复合材料的表面，并通过离心机离心处理后，置于马弗炉中以250～350℃进行烘干，从而即可在SiC增强金属基复合材料的表面制得光亮的铝基涂层，涂层附着力可达3级以上。
实施例2
一种SiC增强金属基复合材料的表面处理方法，包括如下步骤：
步骤A2、将96g质量分数为30％的、模数为4.8硅酸锂水溶液加入到烧杯中，在不断搅拌水浴条件下加入12g钼酸钠和10g去离子水滴加2g硅烷偶联剂KH550，再加入5g超细三聚磷酸铝粉末，搅拌分散，得到复合硅溶胶粘结剂。
步骤B2、将30g片状锌铝合金粉加入到30g有机醇溶剂中，并在搅拌状态下加入5g硅烷偶联剂KH550，充分搅拌分散，再缓慢滴加3ml pH＝10的氨水，搅拌至少5小时后，依次加入1.6g脂肪醇聚氧乙烯醚0-20、0.7g聚醚改性聚二甲基硅氧烷，0.36g羟乙基纤维素，充分分散3小时后，得到膏状混合物。
步骤C2、在40～50℃的水浴条件和搅拌状态下，按照每45g膏状混合物中加入55g复合硅溶胶粘结剂的比例，向步骤B2制得的膏状混合物中缓慢加入步骤A2制得的复合硅溶胶粘结剂，并充分搅拌分散，得到涂覆液。
步骤D2、将步骤C2制得的涂覆液涂覆到SiC增强金属基复合材料的表面，并通过离心机离心处理后，置于马弗炉中以250～350℃进行烘干，从而即可在SiC增强金属基复合材料的表面制得光亮的锌铝基涂层，涂层附着力可达3级以上。
综上可见，本发明实施例能够在SiC增强金属基复合材料的表面制备出附着力好的表面涂层，不仅可以对SiC增强金属基复合材料提供良好的防护性能，而且不会影响SiC增强金属基复合材料的导热和导电性能，具有较好的实际应用前景。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但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 (6)

1.一种SiC增强金属基复合材料的表面处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A、将24～30质量份的水溶性硅酸盐、1～5质量份的硅烷偶联剂、3～10质量份的三聚磷酸铝、8～25质量份的水溶性钼酸盐与64～82质量份的去离子水混合，得到复合硅溶胶粘结剂；
步骤B、将15～30质量份的片状金属粉加入到20～50质量份的有机醇溶剂中，并在搅拌状态下依次加入3～6质量份的硅烷偶联剂、2～6质量份pH＝8～11的氨水、1～3质量份的乳化剂、0.5～1.2质量份的流平剂、0.2～0.4质量份的增稠剂，充分分散，得到膏状混合物；
其中，所述的片状金属粉为锌粉、铝粉、镁粉、锌铝合金粉或锌镁合金粉中的至少一种；所述的有机醇溶剂为聚乙二醇、丙三醇、乙二醇或二丙二醇中的至少一种；
步骤C、在40～50℃的水浴条件和搅拌状态下，向步骤B制得的膏状混合物中加入步骤A制得的复合硅溶胶粘结剂，并充分分散，得到涂覆液；
其中，膏状混合物与复合硅溶胶粘结剂的混合比例为：每35～50质量份的膏状混合物中加入50～65质量份的复合硅溶胶粘结剂；
步骤D、将步骤C制得的涂覆液涂覆到SiC增强金属基复合材料的表面，并在250～350℃下进行烘干处理，从而在SiC增强金属基复合材料的表面制备出表面涂层。
2.根据权利要求1所述的SiC增强金属基复合材料的表面处理方法，其特征在于，所述SiC增强金属基复合材料中的金属为铝、铜、钛、铝合金、铜合金或钛合金。
3.根据权利要求1或2所述的SiC增强金属基复合材料的表面处理方法，其特征在于，所述的硅烷偶联剂为KH550，KH560或KH570中的至少一种；所述的乳化剂为烷基酚聚氧乙烯醚或脂肪醇聚氧乙烯醚中的至少一种；所述的流平剂为聚醚改性聚二甲基硅氧烷；所述的增稠剂为羟乙基纤维素。
4.根据权利要求1或2所述的SiC增强金属基复合材料的表面处理方法，其特征在于，所述的水溶性硅酸盐为硅酸钠、硅酸锂、硅酸钾或硅酸季铵盐；所述的水溶性钼酸盐为钼酸钠、钼酸锂、钼酸钾、钼酸铵或钼酸镁。
5.根据权利要求1或2所述的SiC增强金属基复合材料的表面处理方法，其特征在于，在步骤B中，氨水加入后，先搅拌至少5小时，再依次加入乳化剂、流平剂和增稠剂，然后再分散至少3小时，得到膏状混合物。
6.一种SiC增强金属基复合材料的表面涂层，其特征在于，采用上述权利要求1至5中任一项所述的SiC增强金属基复合材料的表面处理方法在SiC增强金属基复合材料的表面制备而成。
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