一种在树脂及树脂基复合材料表面覆陶瓷层的方法技术

一种在树脂及树脂基复合材料表面覆陶瓷层的方法，它涉及表面工程领域，本发明专利技术对金属表明打磨清洗去污后，进行微弧氧化，加热至树脂熔点，放上树脂或树脂基复合材料，采用超声头施加压力，并进行超声处理后，快速冷却，然后将树脂或树脂基复合材料与金属分离。本发明专利技术的方法适用性强，能够适用于一般商用树脂及树脂基复合材料，无需对材料进行特殊处理，可在各种形状的树脂及树脂基复合材料表面覆陶瓷层。陶瓷层与树脂之间存在紧密的机械结合，结合质量好，制成效率高，可在树脂及树脂基复合材料表面一次性整体完成陶瓷的覆盖。表面一次性整体完成陶瓷的覆盖。表面一次性整体完成陶瓷的覆盖。

【技术实现步骤摘要】
一种在树脂及树脂基复合材料表面覆陶瓷层的方法


[0001]本专利技术涉及表面工程领域，具体涉及一种在树脂及树脂基复合材料表面覆陶瓷层的方法。

技术介绍

[0002]聚苯硫醚、聚醚醚酮等特种工程树脂具有比强度高、耐腐蚀、绝缘性好等特点，在航空航天、轨道交通及船舶制造领域应用广泛。但由于树脂硬度低、耐磨性差的不足使其在一些工况下容易发生磨损失效，难以达到设计使用寿命，其后续修补费时费力，降低构件经济效益，这些原因限制了特种工程树脂的使用范围。作为一种具有高硬度材料，陶瓷具有绝佳的耐磨性，除此之外，陶瓷还有耐热、耐腐蚀、绝缘、隔热的优良特性。在树脂表面覆盖一层陶瓷不仅能有效提升树脂材料的硬度和耐磨性，提升其在高摩擦工况下的服役性能，还可以提升树脂表面的耐高温性能。
[0003]目前，提升树脂及树脂基复合材料表面硬度的方法是在树脂表面固化陶瓷材料，或者在树脂表面涂刷带有陶瓷颗粒的漆，然而以上方法形成表层是树脂和陶瓷的混合体，其耐磨性低于纯陶瓷。郝晓东等人(授权公告号：CN102251208)公开了一种使用等离子喷涂工艺在树脂表面制备氧化铝陶瓷涂层的方法，这种方法需要预先在树脂基材的表面固化一定厚度铝粉，这种树脂基材需要特殊制备，不能用于一般的商用树脂，适用性有限。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是为了解决树脂或树脂基复合材料由于表面硬度较低，在一些工况下容易磨损失效的问题，而提供一种在树脂及树脂基复合材料表面覆陶瓷层的方法，以提高树脂及树脂基复合材料表面耐磨性能。
[0005]本专利技术根据树脂表面所需陶瓷层的成分确定进行微弧氧化的金属种类，根据待覆陶瓷层的树脂的表面形状和尺寸确定进行微弧氧化的金属的形状和尺寸，使金属的形状和尺寸能贴合待覆陶瓷层的树脂表面。
[0006]本专利技术的一种在树脂及树脂基复合材料表面覆陶瓷层的方法，它是按照以下步骤进行的：
[0007](1)依据树脂或树脂基复合材料表面所需陶瓷层的成分选择进行微弧氧化的金属，然后对金属表面打磨、清洗去油污；
[0008](2)对金属进行微弧氧化，使金属表面生成厚度≥20μm的微弧氧化陶瓷层；
[0009](3)将微弧氧化后金属加热至树脂熔点，并保持该温度；然后将待覆陶瓷层的树脂或树脂基复合材料置于金属表面，采用超声头压住叠放在一起的树脂或树脂基复合材料和微弧氧化后金属，使树脂或树脂基复合材料与微弧氧化后金属接触面处的压强为0.1
‑
1MPa，树脂或树脂基复合材料与金属接触的表面热塑性变形后，进行超声处理，超声时长0.5s～10s；
[0010](4)将超声处理后的工件，以8～100℃/s的冷却速度冷却至室温后，将树脂或树脂
基复合材料与金属分开，即完成所述的在树脂及树脂基复合材料表面覆陶瓷层。
[0011]进一步地，所述的树脂为热塑性树脂，所述的热塑性树脂为聚苯硫醚(PPS)、聚醚醚酮(PEEK)、PEI(聚乙烯亚胺)和聚乙烯(PE)等热塑性树脂。
[0012]进一步地，所述的树脂为熔点在120℃以上的热塑性树脂。
[0013]进一步地，所述的超声的施加功率≥100W，超声的频率≥10kHz。
[0014]进一步地，所述的超声的功率根据覆陶瓷层的面积确定，功率密度为5～30W/mm2，超声的频率15～40kHz。
[0015]进一步地，所述的微弧氧化过程中使用的电解液为碱性电解液，所述的碱性电解液为硅酸盐系、磷酸盐系或铝酸盐系碱性电解液。
[0016]进一步地，所述微弧氧化电解液组成为：浓度为5
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8g/L的Na2SiO3·
9H2O、浓度为1
‑
1.8g/L的KOH和浓度为0.5
‑
1.0g/L的NaF。
[0017]进一步地，所述微弧氧化电源参数为双向脉冲电源，正向电压0
‑
400V，负向电压0
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800V，正向空占比40％
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60％，负向空占比40％
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60％，正向电流密度1
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5A/cm2，负向电流密度0.5
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3A/cm2，电压频率100
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500Hz，氧化时间10
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60min，电解液温度25
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30℃。
[0018]进一步地，所述的金属为阀金属。
[0019]进一步地，所述的阀金属为铝及其合金、镁及其合金或钛及其合金。
[0020]本专利技术技术原理：
[0021]铝、镁、钛等阀金属在通电后置于电解液中可产生的弧光放电效应，该效应产生的高温高压能在金属表面生成以基体的金属氧化物为主要成分的陶瓷层，这种生成陶瓷层的过程称作微弧氧化。利用微弧氧化方法在金属表面生成的陶瓷层可分为内部致密层和外部疏松层两部分，致密层和疏松层在化学成分上存在一定差异，二者在物理结构上也有差异，致密层薄而致密，存在细小孔隙，而疏松层厚而多孔，并且孔径尺寸较大。内部致密层与金属基体结合紧密，但是和外部疏松层之间有不连续的缝隙，因此致密层和疏松层之间结合相对薄弱，这为微弧氧化层上外部疏松层和内部致密层的分离提供了契机。
[0022]本专利技术中，将微弧氧化后金属加热至树脂的熔点，由于物理结构和化学成分的差异，疏松层和致密层之间的热膨胀系数存在较大区别，因此在加热和冷却过程中疏松层和致密层因“热胀冷缩”过程中体积变化的不一致而在连接界面处产生内应力，这进一步削弱了两层之间的结合。将树脂置于加热后的金属上，树脂表面加热至接近熔点时会发生塑性变形，在外部压力驱动下向疏松层上的孔隙内流动，但由于熔融树脂仍具有较大的粘度，难以充分流入直径为几十微米的细小微孔中，因此本专利技术实施过程施加了超声振动。超声波本身具有的能量和高频振动剪切力场，会使聚合物分子间作用力减弱，纵向超声振动场叠加于同向剪切流动场，促进流体沿流动方向运动，从而促进熔融树脂充分填充孔隙，形成充分机械互锁。此外，超声振动另一个作用是其在疏松层和致密层连接界面产生的应力应变和因两层之间热膨胀系数不同产生的内应力相叠加，又进一步促进了疏松层和致密层之间原本薄弱连接的分裂。以上热
‑
超声复合能场作用下树脂和疏松层充分结合后，以较高的冷却速率对工件进行冷却。与加热过程一样，快速冷却过程同样会引起致密层和疏松层之间由于热膨胀系数的不同而产生应变不一致，再一步削弱了疏松层和致密层在结合界面处连接。以上过程产生的多重因素使冷却后的疏松层与内部致密层之间的连接十分薄弱，然而外部的疏松层与树脂表面除了形成紧密的机械连接，还存在树脂和疏松层间的范德华力，
一些树脂上的极性官能团还能和微弧氧化层形成共价键，形成化学连接，所以疏松层和树脂之间的结合远强于疏松层和致密层之间的薄弱连接，当施加一垂直于结合界面的剥离力时，微弧氧化层的疏松层会与金属上微弧氧化层的致密层分离，疏松层转移到树脂表面，实现树脂表面覆陶瓷层。
[0023]本专利技术包含以下有效果：...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种在树脂及树脂基复合材料表面覆陶瓷层的方法，其特征在于它是按照以下步骤进行的：(1)依据树脂或树脂基复合材料表面所需陶瓷层的成分选择进行微弧氧化的金属，然后对金属表面打磨、清洗去油污；(2)对金属进行微弧氧化，使金属表面生成厚度≥20μm的微弧氧化陶瓷层；(3)将微弧氧化后金属加热至树脂熔点，并保持该温度；然后将待覆陶瓷层的树脂或树脂基复合材料置于金属表面，采用超声头压住叠放在一起的树脂或树脂基复合材料和微弧氧化后金属，使树脂或树脂基复合材料与微弧氧化后金属接触面处的压强为0.1
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1MPa，树脂或树脂基复合材料与金属接触的表面热塑性变形后，进行超声处理，超声时长0.5s～10s；(4)将超声处理后的工件，以8～100℃/s的冷却速度冷却至室温后，将树脂或树脂基复合材料与金属分开，即完成所述的在树脂或树脂基复合材料表面覆陶瓷层。2.根据权利要求1所述的一种在树脂及树脂基复合材料表面覆陶瓷层的方法，其特征在于所述的树脂为热塑性树脂，所述的热塑性树脂为聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚乙烯亚胺或聚乙烯。3.根据权利要求1或2所述的一种在树脂及树脂基复合材料表面覆陶瓷层的方法，其特征在于所述的树脂为熔点在120℃以上的热塑性树脂。4.根据权利要求1所述的一种在树脂及树脂基复合材料表面覆陶瓷层的方法，其特征在于所述的超声的施加功率≥100W，超声的频率≥10kHz。5.根据权利要求1或4所述的一种在树脂及树脂基复合材料表面覆陶瓷层的方法，其特征在于所述的超声的功率根据覆陶瓷层的面积确定，功率密度为5～30W/mm2，超声的频率15～4...

【专利技术属性】
技术研发人员：马钟玮，许志武，李政玮，陈姝，闫久春，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：