CN113061400B - 一种石墨烯改性的激光冲击强化用胶带及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于零件表面处理技术领域，涉及一种石墨烯改性的激光冲击强化用胶带及其制备方法；本发明在胶带的背面涂以橡胶型压敏胶，提高与零件表面的粘附力；在胶带的正面喷涂一层石墨烯改性的涂层，通过石墨烯改性涂层提高激光吸收率；通过综合力学性能较优的聚氯乙烯胶带基体提高抗激光诱导等离子体冲击波的破坏，并传递更多的冲击力，从而在零件表面产生更高幅值和更深层的残余压应力层；该胶带具有比传统黑色胶带更高的激光能量利用率、更低的胶带破损率；将激光吸收层涂料通过压缩气体驱动喷涂的方式涂覆在胶带表面，可以在胶带表面获得均匀的涂层，提高激光冲击强化的均匀性。

Description

一种石墨烯改性的激光冲击强化用胶带及其制备方法
技术领域
本发明属于零件表面处理技术领域，涉及一种石墨烯改性的激光冲击强化用胶带及其制备方法。
背景技术
激光冲击强化技术是一种先进的表面强化技术，该技术利用激光诱导产生的高能等离子冲击波的力学效应，使零件表面产生塑性变形层和残余压应力层，从而提高零件的疲劳性能。因具有良好的高周疲劳性能增益效果，被国内外航空制造厂商所广泛采用，应用于多种零件的制造中。
激光吸收层及其涂覆技术是激光冲击强化的关键技术之一，关系到强化后的零件表面质量优劣。激光吸收层覆盖在零件表面，其主要作用有三：1)吸收激光脉冲能量，并在吸收层表面产生等离子冲击波，2)阻挡等离子冲击波的热作用，3)传递等离子冲击波的力，使材料表面发生塑性变形。
目前，常用的激光吸收层为铝箔或黑色胶带。铝箔对激光的反射率较高，因而激光脉冲的能量利用率低。因此，越来越多选择黑色胶带替代，其材质通常为聚氯乙烯(PVC)，一面涂以橡胶型压敏胶，提高对金属的粘性，该胶带具有一定的良好的隔热、传递力的作用。然而，选用黑色胶带时，在激光吸收率与胶带材料的刚度之间难以兼得，高激光吸收率的胶带通常刚度较低，等离子冲击波的力的传递率下降，强化效果打折扣；而刚度较好的胶带则激光吸收率较低，激光能量利用率低，需要更高的激光脉冲能量才能达到高喷丸强度的强化效果。
发明内容
本发明的目的是：提出了一种石墨烯改性的激光冲击强化用胶带及其制备方法，通过涂层+基带制备功能梯度胶带，达到高的激光吸收率与冲击力传递兼得的效果，提高激光冲击强化效果，满足高品质零件疲劳性能提升的需求。
本发明的技术方案是：
一种石墨烯改性的激光冲击强化用胶带，其特征在于：所述胶带为聚氯乙烯胶带，背面涂以橡胶型压敏胶，总厚度为0.05～1mm，对钢板粘性0.39～0.98oz./mm，对带基粘性0.39～0.98oz./mm，最大延伸率100％～200％，断裂强度0.47～0.63lbs/mm；该胶带的正面喷涂了一层石墨烯改性的涂层，该涂层由聚氨酯树脂、石墨烯、氧化铁黑、功能助剂及去离子水组成，各组元的含量分别为X、Y、Z、R和T，其中，X+Y+Z+R+T＝1，X＝50％～70％，Y＝0.1％～5％，Z＝10％～30％，R＝1％～10％，T＝0％～20％，均为质量百分比。。
所述橡胶型压敏胶是由天然橡胶、丁苯橡胶、萜烯树脂、防老剂、松香脂、甘油、汽油－甲苯混合溶剂组成。
所述聚氨酯树脂为水性乳液，固含量为10％～60％(质量百分比)。
所述石墨烯为粉末或包含水性石墨烯浆料。
所述功能助剂为硬脂酸钠或油酸钠。
所述石墨烯改性的涂层的固化时间为常温下1～3h，50～80℃条件下0.5～2h。
所述石墨烯改性的涂层的激光能量利用率比传统的黑色胶带更高，在相同激光工艺参数下处理的阿尔门试片的弧高度值比传统的黑色胶带处理的弧高度值大10％及以上。
所述石墨烯改性的激光冲击强化用胶带的延伸率为100％～200％，在激光功率密度为8～10GW/cm2、搭接率为临界0％的条件下的破损率不超过0.1％
一种石墨烯改性的激光冲击强化用胶带的制备方法，其特征在于：所述的石墨烯改性的激光冲击强化用胶带，其制备的步骤如下：
1、胶带的准备：将长度2m、宽度1m的聚氯乙烯胶带固定，保持平整。
2、涂料制备：将石墨烯加入去离子水中，形成石墨烯浆料，再将氧化铁黑在石墨烯浆料中超声分散均匀，然后将混合浆料加入水性聚氨酯树脂乳液中，高速分散均匀，再加入功能助剂，再次分散均匀制备涂料。
3、涂料的涂覆：将涂料均匀涂覆在制备的聚氯乙烯胶带上，流量为10ml/min～500ml/min，喷枪与聚氯乙烯胶带表面距离为10cm～30cm，经干燥后，涂层的厚度为20μm～200μm。
4胶带切割：根据待激光冲击强化的零件表面区域尺寸大小，将胶带切割成所需的尺寸大小。
所述涂料的涂覆采用压缩空气驱动喷涂的方式。
本发明的优点是：
其一，本发明提出了一种石墨烯改性的激光冲击强化用胶带及其制备方法，在胶带的背面涂以橡胶型压敏胶，提高与零件表面的粘附力；在胶带的正面喷涂一层石墨烯改性的涂层，通过石墨烯改性涂层提高激光吸收率；通过综合力学性能较优的聚氯乙烯胶带基体提高抗激光诱导等离子体冲击波的破坏，并传递更多的冲击力，从而在零件表面产生更高幅值和更深层的残余压应力层。该胶带具有比传统黑色胶带更高的激光能量利用率、更低的胶带破损率。
其二，将激光吸收层涂料通过压缩气体驱动喷涂的方式涂覆在胶带表面，可以在胶带表面获得均匀的涂层，提高激光冲击强化的均匀性。
附图说明
图1黑色胶带、铝箔及本专利的胶带在激光功率密度为10GW/cm2、搭接率为临界0％的条件下冲击1000个点后的破损率
图2在相同激光工艺参数下采用黑色胶带、本专利涂料、铝箔强化后钛合金的表面残余压应力分布
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明：
一种石墨烯改性的激光冲击强化用胶带，所述胶带为聚氯乙烯胶带，背面涂以橡胶型压敏胶，该压敏胶是由天然橡胶、丁苯橡胶、萜烯树脂、防老剂、松香脂、甘油、汽油－甲苯混合溶剂组成；聚氯乙烯胶带与橡胶型压敏胶的总厚度为0.05～1mm，对钢板粘性0.39～0.98oz./mm，对带基粘性0.39～0.98oz./mm，最大延伸率100％～200％，断裂强度0.47～0.63lbs/mm；
在聚氯乙烯胶带的正面喷涂了一层石墨烯改性的涂层，该涂层由聚氨酯树脂、石墨烯、氧化铁黑、功能助剂及去离子水组成，各组元的含量分别为X、Y、Z、R和T，其中，X+Y+Z+R+T＝1，X＝50％～70％，Y＝0.1％～5％，Z＝10％～30％，R＝1％～10％，T＝0％～20％，均为质量百分比。另外，聚氨酯树脂为水性乳液，固含量为10％～60％(质量百分比)；石墨烯为粉末或包含水性石墨烯浆料；功能助剂为硬脂酸钠或油酸钠。石墨烯改性的涂层的固化时间为常温下1～3h，50～80℃条件下0.5～2h，其激光能量利用率与传统黑色胶带相比，在相同激光工艺参数下的阿尔门试片弧高度值大10％及以上。
通过上述方法制备的石墨烯改性的激光冲击强化用胶带的延伸率为100％～200％，在激光功率密度为8～10GW/cm2、搭接率为临界0％的条件下的破损率不超过0.1％。
所述的石墨烯改性的激光冲击强化用胶带，其制备的步骤如下：
1、胶带的准备：将长度2m、宽度1m的聚氯乙烯胶带固定，保持平整。
2、涂料制备：将石墨烯加入去离子水中，形成石墨烯浆料，再将氧化铁黑在石墨烯浆料中超声分散均匀，然后将混合浆料加入水性聚氨酯树脂乳液中，高速分散均匀，再加入功能助剂，再次分散均匀制备涂料。
3、涂料的涂覆：采用压缩空气驱动喷涂的方式，将涂料均匀涂覆在制备的聚氯乙烯胶带上，流量10ml/min～500ml/min，喷枪与聚氯乙烯胶带表面距离为10cm～30cm，经干燥后，涂层的厚度为20μm～200μm。
4胶带切割：根据待激光冲击强化的零件表面区域尺寸大小，将胶带切割成所需的尺寸大小。
本发明的工作原理是：
本发明制备了一种兼具优异光学与力学性能的一体化复合材料带材。基体胶带具有良好的延展性和断裂强度，可抵抗激光诱导等离子体冲击波产生的剧烈塑性变形，防止胶带破损，确保工艺可靠性；而胶带正面的涂料层利用石墨烯与高能短脉冲激光的相互作用，显著提高对激光脉冲能量利用率，产生更高的冲击波压强，在金属材料表层产生更高幅值和深层的残余压应力分布，提高表面强化效果；胶带的背面涂以橡胶型压敏胶，提高与零件表面的粘附力。本项目还采用压缩气体驱动喷涂的方式，将涂料涂覆在胶带表面，该方法简单高效，可在胶带表面获得均匀的涂层，无需额外改进胶带制造设备。通过该方法制备的复合材料胶带具备高的激光吸收率与抗撕扯的能力，既提高了激光冲击强化效果，又提高了工艺可靠性，为获得高品质的零件提供了物质条件。
实施例1
一种石墨烯改性的激光冲击强化用胶带，胶带基体为聚氯乙烯材质，背面涂以由天然橡胶、丁苯橡胶、萜烯树脂、防老剂、松香脂、甘油、汽油－甲苯混合溶剂组成的橡胶型压敏胶。聚氯乙烯胶带与橡胶型压敏胶的总厚度约为1mm，对钢板粘性0.98oz./mm，对带基粘性0.98oz./mm，最大延伸率200％，断裂强度0.63lbs/mm；该胶带的正面喷涂了一层石墨烯改性的涂层，该涂层聚氨酯树脂70％、石墨烯粉末5％、氧化铁黑10％、硬脂酸钠5％及去离子10％，均为质量百分比。
所述石墨烯改性的涂层固化时间为常温下1h，50℃条件下1h，80℃条件下0.5h。所述石墨烯改性的涂层激光能量利用率与传统黑色胶带相比，在相同激光工艺参数下的阿尔门试片弧高度值大15％。
所述石墨烯改性的激光冲击强化用胶带的延伸率为200％，在激光功率密度为10GW/cm2、搭接率为0％的条件下的破损率为0％，见图1。另外，如图2所示，采用所述石墨烯改性的激光冲击强化用胶带强化后，钛合金表面产生的残余压应力层深度达到0.95mm，比传统的黑色胶带的深度(0.72mm)大32％，比铝箔的深度(0.6mm)大58％。
所述的石墨烯改性的激光冲击强化用胶带，其制备的步骤如下：
1、胶带的准备：将长度2m、宽度1m的聚氯乙烯胶带固定，保持平整。
2、涂料制备：将石墨烯加入去离子水中，形成石墨烯浆料，再将氧化铁黑在石墨烯浆料中超声分散均匀，然后将混合浆料加入水性聚氨酯树脂乳液中，高速分散均匀，再加入功能助剂，再次分散均匀制备涂料。
3、涂料的涂覆：采用压缩空气驱动喷涂的方式，将涂料均匀涂覆在制备的聚氯乙烯胶带上，流量500ml/min，喷枪与聚氯乙烯胶带表面距离为30cm，经室温下干燥后，涂层的厚度为200μm。
4胶带切割：根据待激光冲击强化的零件表面区域尺寸大小，将胶带切割成所需的尺寸大小。
实施例2
该胶带表面喷涂了一层石墨烯改性的涂层，该涂层由聚氨酯树脂、石墨烯、氧化铁黑、功能助剂及去离子水组成，各组元的含量分别为X、Y、Z、R和T，其中X＝55％，Y＝5％，Z＝10％，R＝10％，T＝20％，均为质量百分比。所述聚氨酯树脂为水性乳液，固含量为30％(质量百分比)。所述石墨烯为粉末。所述功能助剂为油酸钠。所述石墨烯改性的涂层激光能量利用率与传统黑色胶带相比，在相同激光工艺参数下的阿尔门试片弧高度值大约20％。
所述石墨烯改性的激光冲击强化用胶带的延伸率为100％，在激光功率密度为10GW/cm2、搭接率为0％的条件下的破损率为0％。
涂料的涂覆：采用压缩空气驱动喷涂的方式，将涂料均匀涂覆在制备的聚氯乙烯胶带上，流量10ml/min，喷枪与聚氯乙烯胶带表面距离为10cm，经室温下干燥后，涂层的厚度为50μm。

Claims (7)

1.一种石墨烯改性的激光冲击强化用胶带，其特征在于：所述胶带为聚氯乙烯胶带，背面涂以橡胶型压敏胶，总厚度为0.05～1mm，对钢板粘性0.39～0.98oz./mm，对带基粘性0.39～0.98oz./mm，最大延伸率100％～200％，断裂强度0.47～0.63lbs/mm；正面喷涂了一层石墨烯改性的涂层，涂层由聚氨酯树脂、石墨烯、氧化铁黑、功能助剂及去离子水组成，各组元的含量分别为X、Y、Z、R和T，其中，X+Y+Z+R+T＝1，X＝50％～70％，Y＝0.1％～5％，Z＝10％～30％，R＝1％～10％，T＝0％～20％，均为质量百分比；
所述橡胶型压敏胶由天然橡胶、丁苯橡胶、萜烯树脂、防老剂、松香脂、甘油、汽油－甲苯混合溶剂组成；
所述聚氨酯树脂为水性乳液，质量百分比固含量为10％～60％；
所述功能助剂为硬脂酸钠或油酸钠。
2.根据权利要求1所述的石墨烯改性的激光冲击强化用胶带，其特征在于：所述石墨烯为粉末或包含水性石墨烯浆料。
3.根据权利要求1所述的石墨烯改性的激光冲击强化用胶带，其特征在于：所述石墨烯改性的涂层的固化时间为常温下1～3h，50～80℃条件下0.5～2h。
4.根据权利要求1所述的石墨烯改性的激光冲击强化用胶带，其特征在于：所述石墨烯改性的涂层的激光能量利用率比传统的黑色胶带高10％及以上，在相同激光工艺参数下处理的阿尔门试片的弧高度值比传统的黑色胶带处理的弧高度值≥10％。
5.根据权利要求1所述的石墨烯改性的激光冲击强化用胶带，其特征在于：所述胶带的激光功率密度为8～10GW/cm2，搭接率为临界0％的条件下的破损率不超过0.1％。
6.根据权利要求1－5任意一项所述的石墨烯改性的激光冲击强化用胶带的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
9.1、胶带的准备：将长度2m、宽度1m的聚氯乙烯胶带固定，保持平整；
9.2、涂料制备：将石墨烯加入去离子水中，形成石墨烯浆料，再将氧化铁黑在石墨烯浆料中超声分散均匀，然后将混合浆料加入水性聚氨酯树脂乳液中，高速分散均匀，再加入功能助剂，再次分散均匀制备涂料；
9.3、涂料的涂覆：将涂料均匀涂覆在制备的聚氯乙烯胶带上，流量为10ml/min～500ml/min，喷枪与聚氯乙烯胶带表面距离为10cm～30cm，经干燥后，涂层的厚度为20μm～200μm；
9.4胶带切割：根据待激光冲击强化的零件表面区域尺寸大小，将胶带切割成所需的尺寸大小。
7.根据权利要求6所述的石墨烯改性的激光冲击强化用胶带的制备方法，其特征在于：所述步骤9.3、涂料的涂覆采用压缩空气驱动喷涂的方式。
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