CN117626247A - 利用微波辐照实现冷喷涂涂层快速表面改性的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开利用微波辐照实现冷喷涂涂层快速表面改性的方法及装置，包括在涂层表面覆盖石墨片，在石墨片的外表面覆盖吸波材料；将涂层、石墨片以及吸波材料放置于陶瓷纤维盒中；陶瓷纤维盒中设有用于测量其内部温度的通孔；将陶瓷纤维盒放置于微波炉装置中，微波炉装置中设有温度测量装置；温度测量装置正对通孔实现对陶瓷纤维盒内腔温度的测量；设置微波炉装置的输出功率、微波波频、加热温度；打开微波炉装置的开关，对放置其中的陶瓷纤维盒加热；在加热过程中如果测温装置采集的温度达到预设的加热温度，停止加热然后试样随炉冷却即可实现对涂层表面的改性。本方法采用微波辐射方法实现表面改性，过程简化成本降低且涂层力学性能损失较小。
Description
技术领域
本发明涉及表面改性技术领域，具体涉及一种利用微波辐照实现冷喷涂涂层快速表面改性的方法及装置。
背景技术
在冷喷涂涂层的制备过程中，由于高速碰撞使得颗粒发生了剧烈的塑性变形，导致了严重的加工硬化现象。并且由于冷喷涂涂层内部颗粒及涂层/基体间的结合主要由机械结合实现，造成颗粒/颗粒以及颗粒/基体之间的结合力较低。因此，有必要对沉积完成的冷喷涂涂层进行后处理，修复涂层内部颗粒之间的界面，改善涂层/基体间的结合状态，从而优化涂层内部结构，提升涂层结合强度，满足多样化的使用需求。常用的增强体改性方法可分为湿法和干法两类，可应用于范围广泛的各种材料，包括聚合物、金属、陶瓷和各种形式的碳材料。湿处理主要包括化学或电化学处理和偶联剂或金属涂覆，而干处理主要包括等离子体、光辐射、臭氧和氟化处理等。各种处理的最终目标是改变增强体的机械性能。但是，上述方法需要高昂的设备，而且工艺本身很复杂，也有可能会降低冷喷涂涂层的机械性能。常用的冷喷涂涂层后处理方法有退火处理、激光处理等，但是激光处理的加工成本和维护成本较高，虽然传统的马弗炉退火处理成本较低，但处理时间较长。
对于落后产能、过剩产能、存量产能逐步淘汰、化解、优化，严格控制高耗能行业新增产能，推动钢铁、石化、化工等传统高耗能行业转型升级的现状，微波辐照作为一种有望替代传统热固化的热固性材料加热新兴技术，因其具有大幅减少生产能耗、提高生产效率的巨大潜力。
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种利用微波辐照实现冷喷涂涂层表面改性的方法，旨在解决现有冷喷涂涂层的性能调控过程复杂，耗时长，能耗高，对涂层力学性能损失较大的问题。
发明内容
1.所要解决的技术问题：
针对上述技术问题，本发明提供一种利用微波辐照实现冷喷涂涂层快速表面改性的方法及装置，采用微波辐射方法实现表面改性，从而解决现有方法过程繁琐，成本高，耗时长，对涂层力学性能损失较大的问题。
2.技术方案：
一种利用微波辐照实现冷喷涂涂层快速表面改性的方法，包括以下步骤：
步骤一：在需要改性的喷涂涂层表面覆盖一层石墨片，在石墨片的外表面覆盖预设厚度的吸波材料；
步骤二：将步骤一组装好的喷涂涂层、石墨片以及吸波材料放置于陶瓷纤维盒中，其形状与陶瓷纤维盒完全吻合；所述陶瓷纤维盒中设有用于测量其内部吸波材料表面的温度的通孔；
步骤三：将步骤一组装好的喷涂涂层、石墨片以及吸波材料放置于陶瓷纤维盒中，其形状与陶瓷纤维盒完全吻合；所述陶瓷纤维盒中设有用于测量其内部温度的通孔；
步骤四：设置微波炉装置的输出功率、微波波频、加热温度；打开微波炉装置的开关，对放置其中的陶瓷纤维盒加热；在加热过程中如果测温装置采集的温度达到预设的加热温度，停止加热然后试样随炉冷却即可实现对涂层表面的改性。
进一步地，所述于陶瓷纤维盒为硅酸铝板、含锆纤维板、多晶莫来石与高铝纤维混方板、多晶莫来石纤维板、多晶氧化铝纤维板中的一种或者多种制作而成。
进一步地，所述测温装置为热电偶测温或热电阻测温或红外温度传感器。
进一步地，所述吸波材料为碳系吸波材料、铁系吸波材料、陶瓷系吸波材料或者其他类型的材料中的一种；所述碳系吸波材料包括：石墨烯、石墨、炭黑、碳纤维、碳纳米管；所述铁系吸波材料包括：铁氧体，磁性铁纳米材料；所述陶瓷系吸波材料包括：碳化硅；所述其他类型的材料包括：导电聚合物、手性材料、等离子材料。
进一步地，所述需要改性的喷涂涂层为Cu、Al涂层及其复合涂层。
进一步地，步骤四中，输出功率为700-1000W；工作频率为2.45GHz；加热温度为400-900℃。
一种利用微波辐照实现冷喷涂涂层快速表面改性装置，包括：微波炉装置、陶瓷纤维盒、石墨板、吸波材料、测温装置以及基底；其中需要改性的喷涂涂层涂层朝外固定放置于基底上，涂层表面包裹石墨板、石墨板表面包裹吸波材料；将包裹好的涂层放置于陶瓷纤维盒后放置至微波炉装置中进行加热；通过测温装置采集的温度信息实现对微波炉装置的开关。
3.有益效果：
本发明利用微波辐照处理吸波材料覆盖的冷喷涂涂层，吸波材料在微波辐照过程中快速吸收微波，瞬间产生高温，当陶瓷纤维盒内温度达到指定的温度之后，吸波材料通过由上至下的热传递方式传递给冷喷涂涂层，微波辐照因具有体积加热、选择性加热等特性，使辐照后的涂层获得更精细的微观结构和更优良的力学性能。本发明该种方法操作简单、加热速度快、能量利用率高、温度均匀，冷喷涂涂层内部颗粒及涂层/基体间的结合方式由机械结合向冶金结合转变，显著提升颗粒/颗粒以及颗粒/基体之间的结合强度。
附图说明
图1为具体实施例采用本方法的微波辐照处理冷喷涂Cu-Al2O3涂层装置示意图中；
图2为具体实施例中采用的保温陶瓷纤维盒装置的示意图及剖面图；
图3为具体实施例中微波辐照处理冷喷涂Cu-Al2O3涂层前后的扫描电镜图。
附图标记：红外测温仪1；莫来石纤维板2；吸波材料3；冷喷涂涂层4；微波炉5；微波6；石墨板7；基底8。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行具体的说明。
一种利用微波辐照实现冷喷涂涂层快速表面改性的方法，包括以下步骤：
步骤一：在需要改性的喷涂涂层表面覆盖一层石墨片，在石墨片的外表面覆盖预设厚度的吸波材料；
步骤二：将步骤一组装好的喷涂涂层、石墨片以及吸波材料放置于陶瓷纤维盒中，其形状与陶瓷纤维盒完全吻合；所述陶瓷纤维盒中设有用于测量其内部温度的通孔；
步骤三：将陶瓷纤维盒放置于微波炉装置中，所述微波炉装置中设有温度测量装置；所述温度测量装置正对通孔实现对陶瓷纤维盒内腔温度的测量；
步骤四：设置微波炉装置的输出功率、微波波频、加热温度；打开微波炉装置的开关，对放置其中的陶瓷纤维盒加热；在加热过程中如果测温装置采集的温度达到预设的加热温度，停止加热然后试样随炉冷却即可实现对涂层表面的改性。
进一步地，所述于陶瓷纤维盒为硅酸铝板、含锆纤维板、多晶莫来石与高铝纤维混方板、多晶莫来石纤维板、多晶氧化铝纤维板中的一种或者多种制作而成。
进一步地，所述测温装置为热电偶测温或热电阻测温或红外温度传感器。
进一步地，所述吸波材料为碳系吸波材料、铁系吸波材料、陶瓷系吸波材料或者其他类型的材料中的一种；所述碳系吸波材料包括：石墨烯、石墨、炭黑、碳纤维、碳纳米管；所述铁系吸波材料包括：铁氧体，磁性铁纳米材料；所述陶瓷系吸波材料包括：碳化硅；所述其他类型的材料包括：导电聚合物、手性材料、等离子材料。
进一步地，所述需要改性的喷涂涂层为Cu、Al涂层及其复合涂层。
进一步地，步骤四中，输出功率为700-1000W；工作频率为2.45GHz；加热温度为400-900℃。
如附图1所示，一种利用微波辐照实现冷喷涂涂层快速表面改性装置，包括：微波炉装置5、陶瓷纤维盒2、石墨板7、吸波材料3、测温装置1以及基底8；其中需要改性的喷涂涂层4涂层朝外固定放置于基底上，涂层表面包裹石墨板、石墨板表面包裹吸波材料；将包裹好的涂层放置于陶瓷纤维盒后放置至微波炉装置中进行加热；通过测温装置采集的温度信息实现对微波炉装置的开关。图中6表示微波。
实施例：
如附图1、2所示，本实施例是利用微波辐照实现冷喷涂Cu-Al2O3涂层快速表面改性；其具体操作包括：
S1：保温装置的制作：本次实施例使用多晶莫来石纤维板切割成指定形状大小组装成盒状，上方留有一个圆孔，以方便测温装置测量多晶莫来石纤维盒内物料温度。
S2：微波炉的改进：在家用微波炉的正上方钻一个小孔，孔中设置固定测温装置的底座；本实施例采用的测温装置为高精度红外线非接触式测温仪，将红外测温仪安装固定在微波炉正上方，以确保测温仪能够准确测量多晶莫来石纤维盒内物料温度。
S3：本实施例中，将制备好的冷喷涂Cu-Al2O3涂层放置在多晶莫来石纤维盒里，在涂层上方放一片与涂层形状以及大小均一致的1mm厚的石墨片，然后在石墨片上铺满一定厚度的吸波材料。
S4：冷喷涂Cu-Al2O3涂层的快速表面改性：将装有冷喷涂Cu-Al2O3涂层的的陶瓷纤维盒置于微波处理器中，本实施例在700W的输出功率，2.45GHz的工作频率条件下，微波处理陶瓷纤维盒内吸波材料温度分别至400℃、450℃，然后岁炉冷却，得到三种不同微波热处理的冷喷涂涂层。如附图3所示为未处理时、温度为400℃、450℃时涂层表面的扫描电镜图。
本实施例中，微波辐照处理SiC覆盖的冷喷涂涂层，在接受微波辐照的过程中，由于交变电磁场的作用，会产生涡流，涡流会产生大量热量，使吸波材料迅速升温，从而达到预期的热处理温度，吸波材料通过由上至下的热传递方式传递给冷喷涂涂层，在短时间内实现冷喷涂涂层的热处理。
如附图3所示，本实施例用微波辐照实现冷喷涂Cu-Al2O3涂层快速表面改性的方法，短时间内能够实现冷喷涂Cu-Al2O3涂层的性能调控，利用微波与材料直接耦合特性，实现冷喷涂层的体积加热，打破传统由外向内的加热方式，加热均匀性好，加热效率提升，未微波辐照处理的冷喷涂涂层内部颗粒及涂层/基体间界面明显，颗粒的沉积方向也可以明显辨别出来，微孔和缝隙不均匀分布在颗粒边界处，当微波辐照温度为400℃的时候，涂层内部颗粒界面稍微改善，少数颗粒之间实现了向冶金结合的转变，当微波辐照温度提高至450℃时，颗粒的变形情况进一步缓和，基本已经无法辨别出颗粒的沉积方向。此外，温度的提升促进了再结晶现象的产生，同时加剧了颗粒之间的原子扩散，并最终导致大多数颗粒间界面变的模糊，只有少部分颗粒界面仍然存在。随着微波辐照温度的逐渐提供，涂层更加致密，减少Cu-Al2O3涂层孔隙率的同时，冷喷涂涂层内部颗粒及涂层/基体间的结合方式由机械结合向冶金结合转变，提高冷喷涂Cu-Al2O3涂层与基体结合强度，其整体性能也随之提升。
本方案中的微波炉装置，在其顶部加装一个测温装置，以测量陶瓷纤维盒内部物料温度；微波炉目前已经广泛应用于人们的日常生活，若让其投入到现代工业应用中，其内部温度的控制与生产出的产品质量休戚相关，因此，对微波炉的炉温测量、监控是控制产品质量的重要手段。因此本方法中采用测温装置实现对炉温测量及监控。
微波辐照是一种高效、绿色、非接触式的加热方式。本方法采用一种简单的方法对冷喷涂涂层进行热处理，在接受微波辐照的过程中，由于交变电磁场的作用，会产生涡流，涡流会产生大量热量，使吸波材料迅速升温，从而达到预期的热处理温度，吸波材料通过由上至下的热传递方式传递给冷喷涂涂层，在短时间内实现冷喷涂涂层的热处理。这种方法操作简单、快速、能量利用率高、温度均匀，冷喷涂涂层内部颗粒及涂层/基体间的结合方式由机械结合向冶金结合转变，显著提升颗粒/颗粒以及颗粒/基体之间的结合强度。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本发明的，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。
Claims (7)
1.利用微波辐照实现冷喷涂涂层快速表面改性的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：在需要改性的喷涂涂层表面覆盖一层石墨片，在石墨片的外表面覆盖预设厚度的吸波材料；
步骤二：将步骤一组装好的喷涂涂层、石墨片以及吸波材料放置于陶瓷纤维盒中，其形状与陶瓷纤维盒完全吻合；所述陶瓷纤维盒中设有用于测量其内部温度的通孔；
步骤三：将陶瓷纤维盒放置于微波炉装置中，所述微波炉装置中设有温度测量装置；所述温度测量装置正对通孔实现对陶瓷纤维盒内腔温度的测量；
步骤四：设置微波炉装置的输出功率、微波波频、加热温度；打开微波炉装置的开关，对放置其中的陶瓷纤维盒加热；在加热过程中如果测温装置采集的温度达到预设的加热温度，停止加热然后试样随炉冷却即可实现对涂层表面的改性。
2.根据权利要求1所述的利用微波辐照实现冷喷涂涂层快速表面改性的方法，其特征在于：所述于陶瓷纤维盒为硅酸铝板、含锆纤维板、多晶莫来石与高铝纤维混方板、多晶莫来石纤维板、多晶氧化铝纤维板中的一种或者多种制作而成。
3.根据权利要求1所述的利用微波辐照实现冷喷涂涂层快速表面改性的方法，其特征在于：所述测温装置为热电偶测温或热电阻测温或红外温度传感器。
4.根据权利要求1所述的利用微波辐照实现冷喷涂涂层快速表面改性的方法，其特征在于：所述吸波材料为碳系吸波材料、铁系吸波材料、陶瓷系吸波材料或者其他类型的材料中的一种；所述碳系吸波材料包括：石墨烯、石墨、炭黑、碳纤维、碳纳米管；所述铁系吸波材料包括：铁氧体，磁性铁纳米材料；所述陶瓷系吸波材料包括：碳化硅；所述其他类型的材料包括：导电聚合物、手性材料、等离子材料。
5.根据权利要求1所述的利用微波辐照实现冷喷涂涂层快速表面改性的方法，其特征在于：所述需要改性的喷涂涂层为Cu、Al涂层及其复合涂层。
6.根据权利要求1所述的利用微波辐照实现冷喷涂涂层快速表面改性的方法，其特征在于：步骤四中，输出功率为700-1000W；工作频率为2.45GHz；加热温度为400-900℃。
7.一种利用微波辐照实现冷喷涂涂层快速表面改性装置，采用如权利要求1-6任一权利要求方法实现冷喷涂涂层快速表面改性；其特征在于：包括：微波炉装置、陶瓷纤维盒、石墨板、吸波材料、测温装置以及基底；其中需要改性的喷涂涂层涂层朝外固定放置于基底上，涂层表面包裹石墨板、石墨板表面包裹吸波材料；将包裹好的涂层放置于陶瓷纤维盒后放置至微波炉装置中进行加热；通过测温装置采集的温度信息实现对微波炉装置的开关。
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Country Status (1)
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| CN (1) | CN117626247A (zh) |
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2023
- 2023-12-19 CN CN202311746409.3A patent/CN117626247A/zh active Pending
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