表面复合（精选8篇）
表面复合 篇1
摘要：本文介绍了表面复合技术的产生背景和发展状况, 并以等离子喷涂和激光表面处理复合技术为例阐述了复合表面技术的重要特性和功能优势等, 以及在众多领域的应用, 并展望了复合表面技术在未来的发展趋势。
关键词：复合表面技术,应用,发展方向
0前言
表面技术是以表面科学为基础, 通过融合机械学科、材料学、化学等学科而发展成的一门综合性的学科。它渗透到航空航天、信息技术、新材料技术、先进制造业等前沿技术的各个领域, 具有极广的应用性和令人瞩目的潜在价值性[1]。
科学技术的迅猛发展对材料性能 (耐磨损性、耐高温等等) 的要求越来越高, 使得一些材料表面处理技术和工艺无法满足稳定性和可靠性等性能的要求[2,3]。同时, 人们也希望通过局部改变材料表面结构, 实现昂贵材料具有的特性的目的。鉴于各种需求, 复合表面技术便应运而生, 在一定程度上实现了材料的特性, 发掘了材料的应用潜力。复合表面技术是将多种处理表面的理论和工艺方法用在同一工件的处理上的技术。综合运用多种技术的复合表面处理技术可以发挥分不同技术或不同材料的各自优势、互相配合、取长补短, 以获得最佳的表面性能, 且能突显各种技术组合的特殊效果[4,5]。这项技术在欧美等发达国家获得广泛应用, 并取得了良好效果。目前, 我国对这项极具发展前景的复合技术也给予了足够的重视, 在许多方面加大投资, 进行新型复合表面技术研制与拓新。
1 复合表面技术的进展
表面复合技术在各行各业的应用日趋广泛, 多种工艺和材料的最佳协同效应使材料获得了稳定的可靠性, 延长了零部件使用寿命, 提高了工件表面质量, 获得了良好的经济性等。伴随着各位院士、专家和学者等人的辛勤付出和拼搏钻研, 发掘出了多种表面复合技术方法, 包括真空镀膜与离子束技术的复合、纳米复合电镀、激光束表面处理与等离子喷涂的复合等, 下面简要分析等离子喷涂和激光表面处理复合强化技术。
等离子喷涂和激光表面处理复合技术是指用等离子喷涂法在工件表面形成合金化层涂层, 然后再用激光迅速使其熔化, 冷却形成符合要求的、具有高性能的强化层。
一般的有色金属与钢铁材料相比较, 具有高导热、易加工、比强度高、抗冲击等优点, 但存在硬度低、不耐磨、易腐蚀等不足。有色金属若采用单一的表面硬化涂层, 受力时发生的塑性变形会削弱硬化层的结合强度及硬化层与基体的附着力, 使硬化层塌陷, 并且会脱离而形成为磨拉, 导致材料的早期失效[6,7]。为解决这个问题, 可以采用:激光合金化+涂覆硬化层, 从而提高金属表面的耐磨性和恶劣处境下的耐蚀性。
对工况复杂零件, 有时进行了两种表面技术的复合处理, 仍难以满足工况要求, 因此需要采用由两种以上表面技术组成的复合处理。例如, 钛合金进行了物理气相沉积Ti N和离子渗氮复合处理后, 改性层不足10μm, 当零件达到临界接触应力时发生基体的塑性变形, 使表面硬化层塌陷和脱落, 形成磨粒, 导致失效。为避免钛合金表面过早的失效, 可以采取在PVD和离子渗氮处理前进行高能束氮的合金化, 增加基体承载能力, 改善其性能, 减缓表面硬化层的塌陷。再如, 等离子喷涂法在钢材表面形成Ni-Cr合金、WC合金涂层, 然后再用激光进行复合处理, 大大提高了钢材的表面硬度和耐磨性能, 延长了工件的使用寿命。此外, 这类复合技术在模具的强化和修复方面应用也很广泛。
2 复合表面技术的应用
2.1 减缓表面变化和强化修复表面损伤
工作状态下, 设备中的零部件要受各种载荷的作用, 产生不同程度的微观缺陷或破损, 导致材料力学性能降低。通过表面复合技术可强化表面并减缓工件表面表面变化, 修复表面损伤, 提高可靠性, 大大缩短报废周期。
2.2 获得具有特殊功能的表面
使用表面技术在应用较广的材料表面获得稀贵金属和战略元素具有的特殊功能, 实现“小成本, 大收益”的节约资源的目的。
2.3 再制造工程不可缺少的手段
再制造工程是通过采用恰当的技术和工艺, 对工作过程中出现问题的器件进行加工、改造或修复, 延长寿命周期, 提高产品技术性能和附加值, 最大限度挖掘制造业产品的潜在价值, 让资源尽其所用, 接近“零浪费”。同时, 也体现了对国家“节能减排”政策的积极响应和号召。
2.4 发展新兴技术和学术研究
新兴技术往往代表一个国家或民族的创新精神及科技的发展水平, 学术研究的强弱关系着国家的世界地位, 决定着综合实力的高低, 表面工程新技术自然也有着不可估量的价值, 所以发展新兴技术是推动社会进步和经济发展的必不可少的关键技术之一。
3 展望表面工程的发展方向
表面工程技术的迅速发展和突破性进展对很多行业的进步起到显著的推动和促进作用, 在本世纪和新世纪仍将处于至关重要地位。展望今后, 表面工程技术的发展方向大致为:
3.1 领衔国家重大工程, 支撑发展先进制造业
重大工程项目关乎国家屹立于世界之地位, 很大程度体现国家的发展水平和象征国家综合实力之强弱。先进制造业中零部件的强化、损伤部位的涂覆和修复以及防护等措施能显著提高其使用性能, 为先进制造业提供技术支撑。
3.2 绿色制造兼节能减耗, 贯彻可持续发展战略
复合表面工程技术在实施的同时, 为避免带来环境污染和宝贵资源消耗等严重缺陷。所以, 必须切实贯彻国家发展政策方针, 实施可持续发展战略。深入研究表面工程是产品全寿命周期设计, 遵循高效节能的原则, 朝着再循环再制造方面再接再厉。
3.3 探索极端、复杂环境下的规律, 加强技术改进和科研创新
在苛刻的环境中应用一些尖端和高性能产品, 对材料表面 (涂覆、镀层等) 需要更为特殊的要求, 以保证产品的可靠服役。研究材料在极端状态下的损伤过程、失效机理及寿命预测理论和方法等, 实现材料表面的损伤预报和寿命预测。
3.4 开展表面工程基础理论研究, 完善表面分析测量手段
表面工程涉及到广泛而深入的应用基础理论, 制造新表面、实现新突破至关重要。表面材料性能的测试以及对部门结构不同层次的表征是表面工程的重要组成部分, 今后必将得到继续发展和完善。
4 总结
表面复合技术的发展日新月异, 应用领域遍及各行各业, 其极强的实用性和巨大的增效性, 必将产生令人瞩目的经济效益。以创新促发展, 以发展谋创新, 加大新型复合技术研究力度, 材料的复合表面技术将是未来表面工程中最具开发前景的关键技术之一。
参考文献
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表面复合 篇2
关键词： 表面等离子体共振； 光纤； 反射率曲线
中图分类号： TN 253； TP 212.14文献标识码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2012.03.019
引言
表面等离子体共振（surface plasmon resonance，SPR）传感技术因其对外界介质折射率（介电常数）的微小变化极其敏感而广泛应用于物质浓度、含量、温度以及能够引起折射率变化的相关参数等物理量的测量与检测，在生物医学、环境污染、食品安全以及石油化工等方面应用前景广阔[15]。SPR是一种物理光学现象，一般系指P偏振光在玻璃与金属薄膜界面处发生全内反射，消逝波在金属薄膜与介质界面处引起金属表面电子有规律的振荡，激发起表面等离子体波，入射角或波长在某一值时，表面等离子体波与消逝波两者的波矢在金属薄膜与介质界面方向的分量相等，达到波矢匹配，两者发生谐振，入射光通过消逝波与表面等离子体波的耦合，能量被金属表面电子强烈吸收，使反射光能量急剧下降，产生表面等离子体谐振现象。
1968年，Kretschmann和Reather[6]提出了基于衰减全内反射棱镜耦合方式激发SPR，促进了表面等离子体共振传感技术的长足发展。目前，SPR传感器主要分为Kretschmann型棱镜角度调制型和光纤波长调制型两类[7，8]。其中，光纤SPR具有探针体积小、结构紧凑以及可实现远程感测的优势，能够克服棱镜结构型SPR传感器体积大、需配备机械可动部件和不能进行远程传感等缺点[914]。因此，基于表面等离子体共振的光纤传感器引起了人们的广泛关注。已有研究表明，SPR传感特性显著依赖于金属薄膜厚度和金属材质[12]。通常，金（Au）膜因其具有良好的抗腐蚀能力而被用作SPR传感元件，但其传感灵敏度低于银（Ag）膜。探索两种薄膜的结合方式，以提高光纤SPR传感器的灵敏度和抗腐蚀能力具有重要的实际意义。为此，文中利用TFCalc国际薄膜设计软件对基于AuAg复合膜光纤SPR传感器的传感特性进行系统研究，深入阐述薄膜厚度对光纤SPR光谱特性的影响规律。
3结论
利用TFCalc软件仿真研究了Ag膜和AuAg复合膜厚度对光纤SPR传感器反射光谱特性的影响规律，获得主要结论如下：
（1）光纤表面等离子体共振现象吸收峰显著依赖于Ag膜厚度，当Ag膜厚度由40 nm逐渐增加到80 nm时，共振吸收峰的半峰全宽逐渐减小，吸收峰锐化程度增强；
（2）当Ag膜厚度由40 nm逐渐增大到80 nm时，表面等离子体共振吸收峰对应的反射率先减小后增大，其中60 nm厚Ag膜的共振现象最明显；SPR共振波长随Ag膜厚度的增大而减小；
（3）不同厚度AuAg复合膜的SPR共振波长随Au膜厚度的增大而增大，金膜的引入对共振吸收峰反射率的影响不大，各组AuAg复合膜的SPR光谱反射率均低于20%，共振现象明显。
参考文献：
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表面复合 篇3
金属材料在使用过程中会与环境相互作用引起损坏或变质而产生腐蚀, 从而显著降低金属材料的强度、塑性、韧性等力学性能[1,2,3], 破坏金属构件的几何形状, 增加零件间的磨损, 恶化电学和光学等物理性能。全世界因金属腐蚀而造成的经济损失十分惊人, 在化学工业中, 由于金属腐蚀造成的事故数量甚至超过了单纯由机械性损失造成的事故数量。
为了提高金属材料的耐蚀性, 目前主要将金属材料表面进行磷化处理, 使被保护的金属材料表面形成一层磷化膜[4,5], 将金属材料与腐蚀介质隔绝开, 从而提高金属材料的耐蚀性[6]。然而磷化处理中涉及到锌、锰、镍等重金属和亚硝酸盐等致癌物质, 同时废水、废渣的排放易产生严重的环境污染[7,8];此外, 磷化处理存在能耗大、工艺复杂、操作不方便等缺点[9,10,11,12]。因此, 从环保性和使用成本方面考虑, 需要寻找一种新型、环保、节能、低排放、低成本的表面处理技术以替代传统的磷化处理技术, 这方面的研究已成为国内外学者关注的重点。硅烷化表面处理技术是以硅烷为主要原料在金属材料表面沉积硅烷膜层的一种表面处理新技术。硅烷化表面处理与传统磷化处理相比具有以下优点[13,14]:无有害重金属离子, 不含磷, 无需加温;硅烷化过程不产生沉渣, 处理时间短, 控制简便;处理步骤少, 可省去表调工序, 槽液可重复使用;可有效提高涂层对基材的附着力;可共线处理铁板、镀锌板、铝板等多种基材。硅烷化材料表面处理技术因具有环保、节能和操作简单等传统磷化处理技术无可比拟的优点, 使其在金属材料表面处理领域应用前景广阔, 有望取代传统的磷化处理技术。
1 普通的硅烷表面处理获得的硅烷膜的成膜机理
普通的硅烷表面处理是指通过将金属材料浸入一定浓度的硅烷溶液中, 然后将处理后的金属材料置于空气中干燥即可在金属表面沉积一层硅烷膜[15,16]。硅烷膜的形成主要包括以下两个过程: (1) 硅烷中的羟基与金属的反应; (2) 硅烷自身的缩聚反应。其反应式如式 (1) 、式 (2) 所示。
(1) 硅烷溶液中的SiOH与金属表面的MeOH形成MeO-Si共价键:
(2) SiOH之间脱水缩合形成Si-O-Si共价键:
金属表面的硅烷膜在发生缩合反应并且干燥以后, 生成的Me-O-Si共价键提高了硅烷膜与金属基体的结合力, 生成的Si-O-Si共价键具有三维网状结构, 从而提高硅烷膜分子间的结合力[2,17]。但在金属表面制备的硅烷膜, 其膜厚较小, 使用过程中硅烷膜易产生局部损伤;硅烷膜致密度较低, 常存在气孔和微裂纹[18], 使其耐蚀性能并不令人满意。到目前为止, 各国学者制备的硅烷膜的耐蚀性还不能达到磷化的耐蚀性。近年来为了进一步增强硅烷膜的耐蚀性, 很多学者都致力于对硅烷膜进行改进研究, 主要是制备硅烷复合薄膜, 以克服纯硅烷薄膜存在的各种不足, 从而提高表面处理后金属材料的耐蚀性。
2 复合硅烷薄膜
为了提高硅烷膜的耐蚀性, 目前可在硅烷溶液中添加不同的稀土化合物或纳米粒子, 在金属材料表面制备单层的多相复合硅烷薄膜;或者先在金属材料表面制备出硅烷薄膜, 然后再沉积一层特殊性能的薄膜, 从而得到多层的复合硅烷薄膜材料[19]。
2.1 单层复合硅烷膜
由于纯硅烷膜比较薄, 薄膜局部易损坏, 易发生局部点蚀现象[5]。为了改进耐蚀性, 可通过在硅烷溶液中添加不同的稀土化合物或纳米粒子, 在金属材料表面制备单层的多相复合硅烷膜。
近年来, 国内外学者尝试在硅烷溶液中掺杂微量稀土化合物如Ce (NO3) 3。结果表明, 含有微量稀土化合物的硅烷膜表现出与磷化膜接近的耐蚀性及“自修复”功能[20,21,22,23]。张金涛等[24]采用硫酸阳极氧化法在LY12铝合金表面制备了阳极氧化膜, 然后在γ-环氧丙氧丙基三甲氧基硅烷 (GPT-MS) /正硅酸乙酯 (TEOS) 硅烷溶液中添加Ce3+;通过极化曲线与电化学阻抗谱 (EIS) 研究了在硅烷溶液中添加Ce3+后得到的复合硅烷膜的耐蚀性。结果表明:当浸泡了549h后, 铝合金电极的腐蚀电位发生了较为明显的变化, 降至-840mV;但阳极维钝电流密度与浸泡初期相比变化甚微, 极化曲线形态亦是如此;电极在浸泡时间为652~1726h之间的极化曲线表明, 铝合金的腐蚀电位进一步下降至-1000mV左右, 并基本保持不变, 其阳极维钝电流密度呈现先增大后降低的趋势;其中, 浸泡时间为816h时, 阳极极化曲线比浸泡初期右移了约0.5个数量级, 但阳极维钝电流密度仍能达到10-9A/cm2, 表现出极好的耐蚀性。上述研究表明, Ce3+的存在可改善复合硅烷膜的致密性, 提高其对腐蚀离子的阻挡作用, 抑制铝合金基体腐蚀的发生与发展, 使其具有较好的耐蚀性。Montemor[25]在BTESPT双硫硅烷中添加稀土铈盐对AZ31镁合金进行复合硅烷化处理, 得到的复合硅烷膜较厚, 孔隙率较低, 耐腐蚀性较好, 且膜层具有一定的自修复能力。在纳米改性功能方面, Vignesh[26]通过在水基的C-氨丙基三甲氧基硅烷/乙烯基三乙酰氧基硅烷混合体系中填充少量的纳米铝粒子, 在AA5005表面获得了纳米粒子填充的复合硅烷膜, 使得纳米结构的硅烷膜的耐蚀性得到了显著的提高。
张圣麟等[27]将稀土氧化物氧化钇掺杂到1, 2-双-三乙氧基乙烷 (BTSE) 硅烷溶液中, 使其在铝合金表面形成了复合硅烷薄膜;并采用电化学测试的方法研究了稀土氧化物氧化钇对铝合金表面BTSE硅烷膜在3.5%NaCl溶液中耐蚀性的影响。结果表明, BTSE硅烷膜的形成并未改变6061铝合金试样表面的电极反应动力学行为, 硅烷膜的存在主要抑制了电化学腐蚀中的阴极还原反应, 对腐蚀性介质起到物理阻挡作用。在BTSE硅烷膜制备过程中掺杂Y203可有效提高硅烷膜的耐蚀性, 并且在该试验工艺条件下, Y203的最佳掺杂量为10~20mg/L。丁新更等[28]在乙烯基三甲氧基硅烷膜中掺杂银离子, 在不锈钢材料表面得到了复合硅烷薄膜。结果表明, 样品的点蚀率仅为相同条件下不锈钢的1/40。不锈钢表面沉积复合硅烷薄膜可以显著地提高不锈钢表面的耐腐蚀性能。许斌[29]为了提高电镀锌板硅烷膜的耐腐蚀性能, 采用在硅烷溶液中添加氟锆酸盐在镀锌板上制备了复合硅烷膜。结果表明, 复合硅烷膜中存在Si-O-Si等共价键形成的三维网络结构及成分为ZrO2·ZnOxFy的化合物;沉积复合硅烷膜的镀锌板经96h中性盐雾实验后仍无任何腐蚀迹象。
庞志成[30]在KH560硅烷溶液中掺杂硅钼杂多酸稀土镧盐, 于冷轧钢板表面制备单层复合硅烷膜。结果表明:沉积复合硅烷膜的冷轧钢板在中性盐雾实验中的耐蚀性接近磷化膜;与经过纯硅烷化表面处理的冷轧钢进行比较, 沉积复合硅烷膜的冷轧钢板的阳极和阴极极化曲线均向低电流密度方向移动, 自腐蚀电位均提高, 自腐蚀电流密度下降了3个数量级, 沉积单层复合硅烷膜的金属材料的腐蚀防护效率也由纯硅烷化表面处理的54.68%增加到99.12%。
2.2 多层硅烷复合膜
多层复合硅烷处理技术是指采用多步沉积的方法依次在金属材料表面交替沉积以下两种多层复合薄膜: (1) 双层或多层不同成分的硅烷膜; (2) 先沉积一层硅烷膜, 然后在其上再沉积无机薄膜。
Sheffer M等[31]采用电化学沉积法在铝表面依次沉积了正硅酸乙酯 (TEOS) 、甲基三甲氧基硅烷和苯基三甲氧基硅烷膜 (PTMOS) 复合硅烷薄膜。研究发现, 复合薄膜由两种不同成分的单层硅烷膜组成, 由于苯基三甲氧基硅烷膜具有更强的疏水性, 因此, 苯基三甲氧基硅烷薄膜可显著地提高金属材料的耐蚀性, 而疏水性最弱的正硅酸乙酯薄膜提高金属材料的耐蚀性的效果并不明显。徐斌等[32]通过将镀锌钢板先后浸入γ-氨丙基三乙氧基硅烷 (γ-APS) 溶液和双-[3- (三乙氧基) 硅丙基]四硫化物 (BTESPT) 硅烷溶液, 得到了具有不同硅烷成分的双层复合硅烷膜。结果表明:复合硅烷膜的耐蚀性明显优于单一成分硅烷膜;双层复合硅烷膜组成以C、O、Si、S等为主;复合硅烷膜结构完整, 对基体覆盖度高;表面沉积复合硅烷膜的镀锌钢的阻抗值比未沉积复合薄膜的镀锌钢的阻抗值高出1个数量级。这说明复合硅烷膜的存在极大地阻碍了电子和锌离子等在腐蚀介质和金属间的扩散和转移, 有效地抑制了电化学腐蚀反应中的阳极氧化反应, 从而全面抑制腐蚀反应的发生及发展。
Song等[33]在镀锌板表面依次沉积了硅烷、磷酸盐、钼酸盐和硅酸盐薄膜。研究结果表明:在金属材料表面的外层形成了C-Si-O共价键, 内层形成Mo-P-Zn共价键, 从而使镀锌板的防腐蚀性能得到显著提高, 经24h的盐雾实验, 金属材料表面没有锈蚀的现象。吴海江[34]在热镀锌钢板表面先沉积一层硅烷膜, 再沉积一层钼酸盐薄膜, 从而获得了钼酸盐/硅烷复合膜。研究表明:膜层为双层结构, 最内层基本上是由C、O、Si组成的硅烷膜, 外层则为钼酸盐转化膜, 膜厚为350~400nm;复合薄膜的化学成分形成了连续的梯度变化, 膜与基体结合良好;金属材料电化学阻抗值提高了约1个数量级, 可能是由于复合膜中的钼酸盐完全填充了下层硅烷膜中的气孔和裂纹, 从而提高了金属材料的耐蚀性。
3 结语
复合硅烷化表面处理技术是一种新型的绿色环保化的表面处理技术, 在不久的将来有望完全取代传统的表面磷化处理技术, 具有广阔的应用前景。随着各国对环境保护的日益重视, 开发可以完全替代磷化处理的环保型复合硅烷化处理技术将成为研究热点。国内外学者在金属表面复合硅烷膜的制备和性能研究方面已取得了一定的进展, 与纯硅烷膜的耐蚀性能相比, 制备的复合硅烷膜的耐蚀性能有了一定的提高, 但到目前为止, 沉积复合硅烷膜的金属材料的耐蚀性仍低于磷化处理后的金属材料。因此, 为了使复合化硅烷处理技术得到大规模的商业化应用, 还需要开展进一步的研究。笔者认为今后应重点进行以下两方面的研究: (1) 单层复合薄膜研究应着重于如何使纳米颗粒在硅烷溶液中均匀分散及如何提高复合薄膜与金属材料在界面处的结合力。 (2) 沉积双层或多层复合薄膜时, 需研究如何通过改变复合膜的成分和优化沉积工艺, 使先沉积的硅烷膜中的气孔和裂纹能够得到填充, 从而提高金属材料的耐蚀性;在同时添加多个组元时, 需研究它们间的相互作用对金属材料耐蚀性的影响。
摘要：金属材料硅烷化表面处理技术具有环保、节能和操作简单等优点, 使其有望完全取代目前普遍使用的易产生环境污染的磷化处理技术。论述了应用硅烷处理技术得到的硅烷膜的成膜机理和普通的硅烷膜耐蚀性不好的主要原因;着重阐述了单层复合硅烷膜和多层复合硅烷膜的研究现状;最后指出了目前复合硅烷膜研究中存在的主要问题和今后应重点进行的研究工作。
表面复合 篇4
1 材料与方法
1.1 材料
A 2色的3M/ESPE Z250微混合修复复合树脂(3M/ESPE,St.Paul,MN,USA)。CalsetUnit 21复合树脂加热器(AdDent,Inc.,Danbury,CT,USA)。BuehlerMicromet二位数字显微硬度测量仪(Buehler,Dusseldorf,Germany)。EliparTrilight卤素光固化机(TL,3M/ESPE,Seefeld,Germany)。EliparFreelightll LED光固化机(FE,3M/ESPE,Seefeld,Germany)。
1.2 方法
1.2.1 盘状样本的制作
将45个内径8mm高2mm的硅特氟纶模具环放在置于玻片上的透明基质带上,注入复合树脂,然后在上方再盖上另一片透明基质带并轻加压去除多余的树脂。15个盘状样本储存在5℃的冰箱中24h;15个盘状样本储存室温(25℃)条件下;15个盘状样本加热到37℃。
1.2.2 样本分组
5℃的15个盘状样本再被平均分成3组(每组5个),室温(25℃)条件下15个盘状样和37℃15个盘状样本也同样再被各平均分成3组。9个试验组,每组5个样本,共45个样本。
1.2.3 试验组固化光源
(1)EliparTrilight持续卤素光700mW/cm 2持续光照40s。5、25、37℃条件下各取1组共15个样本。
(2)EliparTrilight软启动卤素光,先以200mW/cm 2光照10s,然后以600mW/cm 2光照30s。5、25、37℃条件下各取1组共15个样本。
(3)EliparFreelightllLED光1 000mW/cm 2光照20s。5、25、37℃条件下各取1组共15个样本。
根据温度和固化方法获得了9组固化样本。从模具上分离出这些圆盘样本,用解剖刀片刮除多余的材料。所有样本被浸泡在水中24h。
1.2.4 显微硬度测量
使用附有Vickers金刚石锯齿的BuehlerMicromet二位数字显微硬度测量仪测定样本的表面硬度。2.94N(300g)的力加压在样本表面12s。作用在样本上的3个锯齿被等距离环形放置,彼此相距1mm以上,离样本的边缘也在1mm以上。1.2.5统计分析使用SPSS软件(SPSSInc.,Chicago,IL,USA)统计分析所得资料。使用双向方差分析判断不同温度的复合树脂的硬度值以及不同固化光源的复合树脂的硬度值之间的差异。
2 结果
在3种不同温度下不同光固化的样本顶部及底部表面的平均Vickers显微硬度值见表1。
(1):在冷冻到5℃下与QTH组的底部VHK无显著差异(P>0.05);(2):顶部和底部VHK无显著差异(P>0.05)。Soft-start=软启动卤素光,QTH=持续卤素光,LED=发光二极管光
双向方差分析结果表明3种不同温度的硬度值存在明显差异(P=0.000)。3种不同光固化方法的硬度值也存在明显差异(P=0.000)。无论使用何种聚合光源,当复合树脂的温度升高,样本顶部和底部表面的显微硬度值也相应增加。在3种不同的温度条件下,LED固化的复合树脂的顶部和底部的表面都获得了最好的硬度值。在另一方面,软启动固化的所有样本都获得了明显低的硬度值。总体来看,所有样本的顶部都获得了比底部更高的硬度值。然而采用软启动技术的冷冻组的顶部和底部硬度值没有显著差异(P=0.350)。另外,QTH和LED的37℃组的顶部和底部的硬度值也没有显著差异(P>0.05)。
3 讨论
3.1 复合树脂固化有效性的评估方法
复合树脂固化的有效性可以用直接和间接方法来评估。直接法(如Raman激光和红外线光谱分析)不能被常规使用,因为它们是复杂的、昂贵和耗时。间接方法如硬度测定通常被使用。硬度是物质对锯齿样划痕损伤的抵抗力,它与物质的刚度和强度正相关。在本研究中Vickers硬度实验被选用是因为它相对简单并且与红外线探测的转化程度具有有利的关系。Asmussen[4]和Ferracane[5]发现复合树脂的转化程度增加其表面硬度也相应增加。具有低的表面硬度的树脂包含有大量未反应的甲基丙烯酸盐群。
3.2 温度和固化光对复合树脂硬度的影响
理想的状况是在各个深度的复合树脂的聚合程度应该相同,并且在顶部和底部的硬度系数应该彼此非常接近和相同。本研究的结果显示通过不同固化光固化的冷冻和室温下的复合树脂顶部表面硬度明显高于底部表面。然而,在本研究中采用传统持续QTH和LED固化的预热的复合树脂的顶部和底部硬度无显著差异。这说明温度影响了它的最终聚合程度。同时,使用预先加热到37℃的复合树脂在3种不同的固化光条件下都获得了最好的表面硬度(顶部和底部)。在另一面,冷冻的复合树脂的表面硬度最低(顶部和底部)。但升高的温度是否会损伤牙髓?有资料表明当复合树脂被加热到57.2℃时,内部牙髓的温度只升高了1.6℃,远远低于牙髓能耐受的温度(10℃以内)[6]。
使用软启动固化的预热样本比其他2种温度下的样本(在同等软启动固化光条件下)显示了明显高的顶部和底部硬度值,但明显低于使用传统持续QTH和LED光固化的样本。Yap[7]发现无论复合树脂的温度,软启动技术都可以减少底部复合树脂的固化效率。使用10s低强度200mW/cm 2的初始光明显减少了高强度光的补偿作用。初始光产生的树脂聚合可能干扰了光的传播并且严重减少到达复合树脂底部的光子数量。在本研究中,尽管LED光照射的时间比QTH光短,无论在哪种温度下,LED光组的顶部和底部都获得了比QTH组更好的固化效率,与以往的研究结果相一致[8,9,10]。值得注意的是姬亚昆等[11]研究发现LED光固化10s的复合树脂硬度值明显低于40s的QTH光固化组,提示照射时间的重要性。
3.3 临床操作建议
根据本试验的结果,提倡使用20s的LED光固化取代QTH光固化,可以节省操作时间,而且LED光源不像QTH光源会老化衰减。从提高复合树脂的硬度方面考虑不提倡使用软启动固化技术。在使用冷冻的复合树脂时建议先在室温下复温或者使用专用的树脂加热器预热复合树脂。
4 结论
无论采用何种光源,当复合树脂温度升高,样本顶部和底部表面的显微硬度也相应增加;在3种不同的温度下,LED光固化树脂的显微硬度最好,软启动技术固化树脂的显微硬度最低。
摘要：目的:探讨在3种不同的固化光源条件下,不同的温度对光固化复合树脂表面硬度的影响。方法:采用Z250复合树脂制作45个的圆盘形样本。以每组5个样本分成9组,分别在3种不同温度下(冷冻到5℃,室温25℃,预先加热到37℃)给予持续卤素光、软启动卤素光和二极管光(LED)照射固化。用Buehler Micromet二位数字显微硬度检测仪检测样本顶部和底部表面的显微硬度。获得的资料采用双向方差分析(ANOVA)。结果:无论使用何种光源,当复合树脂的温度增加,样本顶部和底部表面的显微硬度也增加。在3种不同温度下,采用LED光聚合的复合树脂的顶部和底部表面都获得了明显更好的硬度。采用软启动卤素光固化的复合树脂的顶部和底部表面的固化有效性明显减少。结论:预先加热复合树脂的方法能明显改善复合树脂的聚合。LED光比持续卤素光和软启动卤素光光聚合效果都好。
关键词：复合树脂修复,显微硬度,固化光,复合树脂温度
参考文献
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表面复合 篇5
粉末涂料不含溶剂, 具有近100%的利用率, 高效、环保、节能、经济, 其涂层具有优异的机械性能和耐候抗腐蚀性能, 近二十年来在世界范围内取得了迅猛的发展。目前采用含有片状材料的环氧树脂粉末涂料作热喷涂金属涂层的封闭层, 同时又采用具有装饰和防护作用热固性粉末涂料作外层的技术设计还未见有公开的报导。
在徐州问世金属表面腐蚀防护的复合涂层, 在金属表面紧密结合覆盖有由底层、中间层和外层组成的复合涂层, 复合涂层的底层是热喷涂金属层、中间层为环氧粉末涂料喷塑层、外层为热固性粉末涂料喷塑层。
表面复合 篇6
钢是最重要的工业材料, 因为钢的熔点高, 密度大, 而碳纳米管在钢液中上浮极快, 不能像铝、镁等低熔点金属一样通过直接搅拌铸造进行制备, 所以至今很少有关于铸钢与碳纳米管复合材料的研究报道。
铸造成型周期短, 成本低, 易实现工业化生产。是制备金属复合材料较好的选择, 目前使用铸造方法制备碳纳米管与钢复合材料的相关文献极少。本工作使用铸造冲入法制备了碳纳米管铸钢复合材料, 研究了该过程中碳纳米管形貌的变化。第一步, 先将碳纳米管与铝粉混合球磨, 使碳纳米管包裹在铝粉上, 冷压制成预制块。第二步, 将钢水浇入到底部放置了碳纳米管预制块的浇包中, 利用钢水冲入浇包时的流动力, 将碳纳米管卷入到钢液中, 随着钢液冷却, 碳纳米管被固定在基体内部, 得到复合材料。碳纳米管与铝粉混合后在钢水中上浮速率相对于纯碳纳米管显著降低, 延长了碳纳米管与钢液的接触时间, 同时由于铝是炼钢过程良好的脱氧剂, 所以碳纳米管能够与钢形成较好的结合。本工作对复合材料内碳纳米管与铸钢基体结合情况进行了观察, 对附着在铸件表面的铸造残余物进行了研究。
1 实验
1.1 实验原料及实验过程
实验所用的多壁碳纳米管样品由南昌太阳纳米技术有限公司提供, 直径50nm。原料钢材选用45#钢。熔炼温度1600℃, 浇注温度1550℃, 从融化到浇注的总时间为20min。熔炼时间由预实验控制, 后续实验的时间点和功率掌握均与预实验完全相同。
将碳纳米管和铝粉混合球磨, 压制成块[14], 再加工成粒径为2mm的颗粒, 烘干备用。将该预制块粉末投入浇包内, 等待钢液温度降至1550℃, 钢液注入浇包, 等待5s, 利用钢液注入时的搅拌力把碳纳米管卷入基体混合后, 浇注到砂型中制得质量为2kg的试样。
1.2 样品表征
使用环境扫描电镜 (FEI Quanta200F, 加速电压20kV) 对碳纳米管/铸钢复合材料样品的断面进行观察;使用透射电镜 (Hitachi-600, 加速电压75kV) , 高分辨透射电镜 (JEM-2100, 加速电压200kV) 对附着在复合材料表面的铸造残渣样品中的碳纳米管进行形貌和石墨化的研究。
2 结果与讨论
2.1 复合材料断面研究
图1是碳纳米管铸钢复合材料断面的扫描电镜图, 由图1可见碳纳米管嵌入在钢基体中, 证明碳纳米管在铸造过程中被成功加入到钢中。
该截面内分布有十余根碳纳米管, 其端部直径约50nm, 与原碳纳米管直径相符。位于图1正中间较长的碳纳米管部分附着有钢基体, 显示在凝固过程中, 钢液能以碳纳米管为核心生长, 形成碳纳米管-钢复合增强相。在拔出的过程中, 这部分钢基体未从碳纳米管表面脱离, 显示两者间结合力较强。
使用Hitachi-600的透射电镜对样品进行观察, 验证其是否为中空的碳纳米管而非碳纤维。图2为直管碳纳米管的透射电镜图, 由图2可见, 照片中的细长直棒确为中空结构, 是碳纳米管典型的形貌。在图2中部竖直方向的碳纳米管开始被铁水填充, 而中下方横向且较粗的碳纳米管由于内部被基体填充较多而致使电子不能穿透管体。若管体进一步被铁水充填及包裹, 即可能形成类似图1中钢基体与碳纳米管复合结构。这也展示了碳纳米管被钢水浸润及包裹的过程。
2.2 碳纳米管的形貌变化
图3为原始碳纳米管扫描电镜图, 由图3可见, 原始碳纳米管的直径约为50nm, 管型弯曲。管壁上有较多附着物, 这些附着物是生产碳纳米管时残存的催化剂及杂质, 包括金属颗粒及碳纤维。
图4是铸造残余物的扫描电镜图, 这些残余物是未能融进钢液的碳纳米管预制块, 其内部含有较多的碳纳米管。钢液倾出后, 这些浇注残余物暴露在空气中, 连同部分钢水在空气中自然冷却。
由图4可见, 弯曲的碳纳米管管型舒展, 由于变得平直, 管体之间无法像原始碳纳米管一样互相缠绕而分散开来。这说明碳纳米管内部的结构得到了优化, 缺陷被大量消除。外在的表现即是管型变直。碳纳米管与高温钢液短暂接触的时间视为碳纳米管热处理时间, 碳纳米管与1550℃钢液混合时间为5s, 之后立即进行浇注, 浇注完成后, 铸造残余物失去钢液的热源, 冷却速率较快, 由于这些残余物聚合黏结在浇包内壁, 因此冷却时间参照浇包冷却时间, 其中温度在1000℃以上的时间不超过360s, 在1500℃以上的时间不超过60s[15,16], 因此铸造残渣内的碳纳米管热处理时间较短。另外, 按照以往的认识, 碳纳米管在空气环境中500℃即开始氧化, 800℃左右会大量氧化, 在该温度下几秒钟时间即完全氧化, 郑明东报道, 其实验室自制的碳纳米管在空气环境中579℃即开始大量氧化, 620℃氧化完毕[17], 可是在本实验中, 浇包内壁残余物中发现大量碳纳米管, 均保留碳纳米管完整形貌而且没有呈现出管体被氧化的迹象。该现象与郑明东和曹茂盛等[17,18]的研究相背, 他们的报道也是碳纳米管空气中耐氧化能力的“常识”。由此可以推测, 在1550℃的热处理温度, 且在大量钢水作为催化剂的条件下, 碳纳米管发生快速且完全的石墨化, 其内部结构得到优化, 缺陷得到大量消除。
经过高温处理后, 碳纳米管管壁的附着物被去除。附着物被去除而碳纳米管存留下来可以证明经过了热处理的碳纳米管具有较强的抗氧化能力。高温下碳管内部的结构得到了优化, 缺陷被消除。外在的表现是管型变直, 而内在的表现是物理性能的提高, 其中一个表现就是高温下能够抵抗氧化。图4视场中的每一根碳纳米管都变得平直, 这说明碳管结构得到优化是一个系统现象, 值得进一步研究。
2.3 碳纳米管的石墨化研究
图5是石墨化的直碳纳米管SEM图。由图5可见残余物中的碳纳米管全段均呈现完美的笔直形状, 显示原始样品中的缺陷及内应力几乎完全消除, 碳纳米管石墨化程度非常完全。这样的碳纳米管提取出来适合用于制作原子力显微镜的探针等产品。
图6为对样品观察时发现的一张弓形碳纳米管电镜图。这根碳纳米管直径约为20nm, 长度在20μm以上, 两端被铸造残渣固定住, 样品移动带动残渣位移因而使得整根碳纳米管发生弯曲, 形成大跨度弓形。该图显示该碳纳米管具有较大刚度。
使用高分辨透射电镜JEM-2100对样品进一步进行观察, 研究碳管管壁的变化。图7为直管碳纳米管高分辨透射电镜图。由图7 (a) 可见该碳纳米管总体平直, 侧面生长出两根支管, 这种结构有利于“卡”在基体中, 使碳管与基体二者结合更牢固。由图7 (c) 可以清楚地看到碳纳米管管壁碳层排列平行无杂, 非常完美。在所示区域内, 其在初始样品中所显示的内部缺陷几乎被完全消除, 显示其在随同铸型冷却的短时间内发生程度很高的石墨化现象。曹茂盛等[18]对碳纳米管粉体高温石墨化进行研究, 认为最佳石墨化条件为2200℃, 压力4MPa, 时间4h。Kim和Chen等[19,20]认为, 碳纳米管在1800℃以下热处理60min不发生明显的石墨化, 其结构的明显改变发生在1800~2200℃之间, 相应的热处理时间在2~60min, 超过2200℃热处理时石墨化程度才较完全。而在本实验中, 碳管经历的最高温度不超过1550℃, 参考2kg钢铸型的冷却时间, 该碳纳米管样品停留在1500℃以上的时间不超过1min。因此, 本文中的碳纳米管石墨化条件在热处理温度的降低非常明显, 热处理时间大幅度缩短。
3 结论
(1) 碳纳米管经过1550℃浇注过程的短时间内发生高度石墨化现象, 管型变直, 大部分缺陷得到消除。
表面复合 篇7
纤维增强复合材料是一种新型的复合材料, 它具有许多优点, 比如质量较轻、抗腐蚀性较强、保温效果好等。较为常见的纤维增强复合材料包括玻璃纤维增强复合材料, 由于其各个方面具有的优势, 能充分满足极为恶劣条件下的工作需求, 还能充分满足现代建筑施工的要求。因此, 这种复合材料被运用到越来越多的领域。其主要产品以玻璃钢制品和铁氟龙制品为主, 占领了70%~80%的材料市场。作为新兴产业的代表者, 在这个提倡节能环保的社会中, 玻璃钢复合材料有着非常大的优势, 因为它不仅有着节能环保的特点, 比较符合现如今市场的需求, 且我国一直在发展基础设施的建设以及灾区重建等各项工程, 这都会带动该产业的迅速发展。
2 主要合成材料
玻璃纤维增强复合材料的主要合成材料分为玻璃纤维和合成树脂两种。玻璃纤维在其中起着极其重要的作用, 合成树脂起着辅助作用, 使其能有效融合。在玻璃纤维增强复合材料中, 玻璃纤维与树脂两种物质既是两个独立的个体, 也是不可分割的一个整体。只有玻璃纤维是无法合成完整的工程结构材料的。只有它们融合成一个完整的个体, 才能最大限度地发挥各自的作用。因此, 玻璃纤维增强复合材料是集玻璃纤维与树脂两种材料所有优点的一种新型复合材料, 它不仅能在普遍条件下提升产品的各项性能, 还能在高温条件下使用, 前景美好。
3 背景、现状及发展前景
3.1 背景和发现现状
经过尽20年的发展, 我国的玻璃纤维行业终于走上了正轨, 也使我国成为了玻璃纤维的生产强国, 在世界上也占据着较为重要的位置。但我们都知道, 要想开拓一个新行业, 是一件非常困难的事情。在发展初期, 常常会走入误区, 导致产品深加工发展严重停滞, 产品的竞争力大幅度下滑。2009年底, 我国的玻璃纤维也刚刚走过寒冬, 盼望着春天的到来, 但现实总是不尽如人意, 我们连连遭受了来自欧盟、印度等各国的反倾销诉讼, 这使我们的玻璃纤维行业的前景更加恶化。我国多年以来的玻璃纤维制品一直以无捻粗纱等初级产品作为主要方向, 明显的缺点是产业的竞争力不足。对此, 我们进行了必要的改革, 进行了全面的更新, 重点发展玻璃纤维制品加工行业, 扩大产品开发的应用的区域, 更加重视建设高品质的制品深加工体系。经过我们的不断努力, 获得了令人高兴的成绩, 积极地融入节能环保、新能源的新领域, 不断地向高层次的方向发展, 以便能更好地满足日益变化的市场需求。
冷却塔是我国最为普遍, 也是发展最好的应用玻璃钢材料的设备, 甚至已经接近国际水平。此产品应用到了很多领域, 比如石油、化工、供水、交通运输、运动以及游乐器材等。与许多国家相比, 我国虽然仍处于玻璃钢工业初级阶段, 但应用市场的开发空间较大。
3.2 玻璃纤维增强复核材料的发展前景
3.2.1 美国
美国的玻璃钢产量占全世界的40%, 最大的应用方向为陆上运输, 大约是总销量的1/3, 主要的用途就是用在汽车的车身板件以及发动机室的零部件等方面。建筑方面运用复合材料也占据了一定的地位, 建筑行业的飞速发展使玻璃纤维复合材料在淋浴室、住宅其他设备方面都有着较为广泛的应用。此外, 还应用在船舶领域, 比如应用在玻璃钢船、喷气艇等方面。
随着对复合材料的不断研究以及技术的不断更新, 人类对航空、通信等方面的研究越来越多, 对复合材料的需求也在不断增加。由此可见, 复合材料在航天航空方面会越来越受到重视。
3.2.2 德国
德国复合材料之所以能发展起来的大部分原因是其化学产业、汽车行业等的快速发展。我们都知道德国是一个生产名牌汽车的大国, 比如我们所熟知的奔驰、大众等知名品牌, 因此, 生产这些汽车所需要的前脸、车门、顶棚等许多部位都会采用复合材料, 因此, 复合材料在汽车行业的发展前景是非常可观的。
4 发展过程中存在的问题
在玻璃纤维增强复合材料应用的过程中, 也存在着许多问题, 尤其是在疏水性这一方面。纤维有一个明显的特点是在表面吸收水分之后会加速微裂纹的扩展, 机械性变差, 进而导致纤维的耐磨性、耐折性变差。因此, 我们对纤维的表面进行了疏水处理, 使其表面阻力变小, 这可有效提升城市输水系统的送水效率, 同时做到节能环保。此外, 我们对水上的运动器械也进行了合理的疏水处理, 使其的运动阻力变小, 有效提升了其各方面的运动效果, 使水上运动的发展前景变更加乐观。
5 改变性能的技术
5.1 添加氟化碳粒子
据研究表明, 氟化碳粒子有着非常高的分散性和粉末流动性, 且对水的接触角为140°。对于这种粒子, 我们可以用于复合材料的疏水、疏油等处理, 其是一种固体粉末, 即使在非常恶劣的条件下也能表现出非常优良的性能。但是这种物质也有一定的缺点, 即很难在其他材料上以一种稳定的形式分散, 所以, 可能不会完全发挥疏水性能。
5.2 低温等离子体处理
低温等离子体技术在近年来发展非常迅速, 其操作简单明了, 可以在常温条件下产生高速电子, 气体能发生许多不同的化学反应。因此, 其常用于复合材料的疏水性聚合物加工。这种方法是不会对材料本身的性能造成任何影响的, 因此, 许多科研人员都致力于研究低温等离子体技术。
在氟系气体在低温等离子表面的疏水处理方面和离子注入表面疏水处理方面, 我们常常运用四氟化碳作为非聚合气体, 经过一系列的处理可产生大量的氟原子。放电后, 各方面的疏水能力都得到了较为有效的优化, 1 min后就能实现接触角为110°, 且极其稳定。根据科学的测量发现, 这种情况发生原因是其表面上生成了多种疏水的离子基。但它也存在着一定的缺点, 因为这种反应属于气相反应, 这种反应的主要特点是反应较为复杂、反应不方便控制等, 还有待我们进行更加深入的研究和探讨。
在研究辉光放电等离子处理时, 使四氟乙烯在其表面沉淀, 并进行有效的连续处理, 间歇进行等离子处理。与连续处理的结果相比, 当DC大于10%时, 水的接触角也不会大于120°。然而, 当DC值较低时, 就能得到更好的疏水性能, 接触角甚至最大能达到165°。XPS分析显示, 当DC值变得较低时, 碳氟化率会变得更高, 导致这一现象出现的主要原因是二氟化碳的出现。图1为当DC值达到5%时超疏水膜材料的XPS谱线图。从图1中我们可以看出, 二氟化碳的强度比其他元素更强。图2中的IR图谱更加可以证明, 当DC值变得较小时, 碳碳双键明显有所减少, 等离子处理中分子发生了变化, 进而导致谱带发生了较大的改变。
6 张力玻璃纤维增强复合材料的原理
材料表面的疏水性能主要的影响因素在于材料的临界表面张力、水的接触角。表面张力越小或对水的接触角越大, 材料的疏水性能会越来越强。同时, 其他具有腐蚀性的液体也较难对此材料有所影响。因此, 临界表面张力和水的接触角都会对材料的各项性能造成较大的影响, 从而延长材料的使用时间。
实现疏水理想化状态的原理之一就是使复核材料形成具有低表面张力、有一定厚度的物质, 从而使复合材料具有较高的疏水能力。为了使复合材料表面的疏水性能变得更强, 必须增强其表面张力或增大其对水的接触角, 在不改变其本质的条件下, 在表面材料中加入含氟基因, 从而达到提升液体浸润性的目的。同时, 可提升材料的稳定性, 使其具有较高的疏水性。
碳氟表面的活性剂水溶液的表面张力最低可至15 m N/m。当它在溶液中的质量分数达到0.005 3~0.13时, 就能使水中的表面张力降至最低。然而, 一般碳氢表面的张力要想达到30 m N/m, 活性剂在溶液中的质量分数就需要控制在0.13左右。如图3和图4所示, 由于一系列的化学反应, 使固体表面的张力有所下降, 因此, 能更好地提升材料的疏水能力。
7 抗腐蚀性能方面的评价方法
如何正确使用玻璃纤维增强复合材料是人们一直所关注的问题, 延长其使用的寿命也是人们所期望的。因此, 依据测出玻璃纤维复合材料的耐腐蚀性, 然后进行较为明确的评价是极其重要的。有关这种测验的方法, 现在有许多种, 我们能运用这些方法测出玻璃纤维复合材料抗腐蚀性的具体数据。但因评价方法不具有统一性, 不同的使用者会给出各种各样的评价, 有时甚至相差十万八千里, 因此, 会导致在应用上出现一定的困难。我们可以依据试样及介质的变化数据进行直接评价, 这种试验评价的相关标准如表1所示。
8 结束语
随着如今社会各个行业的逐渐发展, 我国的玻璃纤维增强复合材料工业也获得了一定的发展, 在产品的种类、产量以及技术水平等各个方面都有了巨大的提升, 在我国的经济发展中起着极为重要的作用。近年来, 我国从其他各个国家先后引入了较多的先进设备, 装备水平大大提升了。笔者相信, 我国以后在复合材料这一方面的发展前景将会变得越来越好, 也将带动我国社会经济等方面的发展。
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表面复合 篇8
金属表面涂敷层或电镀金属层可以隔绝腐蚀介质与基体的接触[1,2,3],达到装饰和防蚀的目的。目前,常用的防蚀涂料为有机溶剂型[4,5],尽管能抑制腐蚀,但含有危害人体的挥发性溶剂;电镀大多含有毒物质,严重污染环境,且生产成本较高。铝-钛复合涂层无废气排放、不添加重金属铅和铬,耐蚀性好,烘烤成型后无氢脆现象。目前,还未见有关低碳钢表面制备铝-钛复合层的报道。本工作以羧基聚合物、铝粉、钛粉为原料配制水性涂料,涂敷在低碳钢表面后,热固化制备成铝-钛复合涂层,以达到防蚀和装饰的目的。
1 试 验
1.1 基材前处理
基材为普通低碳钢,尺寸为80.0 mm×40.0 mm×0.5 mm,前处理如下:于稀释5倍的LS-209 酸性除油除锈剂(由磷酸和复合表面活性剂复配)中浸泡20 min →清水冲洗→3% NaOH(分析纯)溶液中浸泡10 min→稀释10倍的LS-418自组装成膜液(由膦羟乙酸和聚环氧琥珀酸组成)中浸泡10 min→自然晾干。
1.2 涂层制备工艺优选
置一定量的羧基聚合物于烧杯中,加入一定量的钛粉(分析纯)和铝粉(分析纯),搅拌均匀。通过初步试验和正交试验确定涂料组成及涂覆工艺参数。
1.3 涂层性能测试
将涂覆试样取出放置数小时至室温后,按GB/T 1732-93漆膜耐冲击法测试涂层的抗冲击性;按GB/T 10125-1997人造气氛腐蚀试验——盐雾试验测定涂层的抗蚀性;按GB/T 1720-79测试涂层的附着力。
2 结果与讨论
2.1 涂覆工艺的优化
根据初步试验确定的原料种类和工艺范围,设计正交试验 L 16(54),其因素-水平参数见表1。正交试验方案与综合评定结果见表2。
(续表2)
表2中:K1,K2,K3,K4 分别对应于因素水平1,2,3,4涂层抗腐蚀性能的平均值;R是K值的极差;K1’,K2 ’,K3’,K4’分别对应于因素水平1,2,3,4涂层抗冲击性能的平均值;R’是K’的极差。综合抗冲击力和抗腐蚀性能,筛选出最佳工艺:A1B3C2D2E3,即固化时间50 min;固化温度200 ℃;钛粉加入量1.5 g;铝粉加入量0.8 g;羧基聚合物加入量2.5 g,其加入比例为1.9 ∶1.0 ∶3.1,可得5.7 μm厚涂层。
2.2 固化条件对涂层性能的影响
优化的工艺条件中,固化时间和固化温度对涂层性能的影响见表3,表4。
由表3可见:固化时间小于50 min,涂层外观良好,但附着力和抗蚀性较差,说明涂层未完全固化;固化50 min,涂层外观略有变化,70 min及其以上,涂层颜色变深,可能是高分子聚合物开始被氧化所致,虽然涂层附着力未受太大影响,但抗蚀性能有所下降。
由表4可见:固化温度低于200 ℃,涂层达不到最佳固化程度,虽然对外观和附着力影响不大,但其抗蚀性较低;固化温度过高,高分子聚合物开始碳化,涂层颜色变深且出现裂纹,抗蚀性和附着力明显下降。因此,最佳固化温度为200~225 ℃。
2.3 钛粉、铝粉加入量对涂层性能的影响
其他条件不变,钛粉和铝粉加入量对涂层性能的影响见表5,表6。
由表5可知:钛粉加入量少于1.5 g,涂层的抗冲击力较差,加入量越高,涂层的抗冲击力越大;加入量大于2.0 g,会造成涂料太稠,不能均匀涂覆,涂层的抗冲击力降低,达不到预期的效果。
由表6可知:铝粉加入量小于0.8 g,对涂层外观及抗冲击力影响不大,但抗蚀性较差。可见,铝粉主要起到提高涂层抗蚀性的作用。理论上,铝粉的含量越高,涂层的抗腐蚀性能越好,但过高,涂料稠,不易形成均匀的涂层,反而会影响其抗蚀效果和附着力。
3 结 论
(1)在低碳钢表面制备铝-钛复合涂层的最佳工艺:
固化时间50 min;固化温度200 ℃;钛粉 ∶铝粉 ∶羧基聚合物为1.9 ∶1.0 ∶2.5。
(2)以最佳工艺制备的铝-钛复合涂层致密,厚度为5.7
μm时,抗冲击力可达500 N·cm,中性盐雾腐蚀达480 h,可以部分替代电镀锌及镉工艺。
摘要：为了研究一种高抗蚀、环保型的钢铁防护新工艺,以钛粉、铝粉、羧基聚合物为原料,配制了一种水性涂料,通过热固化处理,在低碳钢表面制成了铝-钛防腐蚀复合涂层,优化得到了最佳工艺:钛粉∶铝粉∶羧基聚合物为1.9∶1.0∶3.1;固化温度200℃,时间50 min。结果显示:以最佳工艺制备的的铝-钛复合层致密,抗冲击力可达500 N.cm;中性盐雾腐蚀时间达480 h以上。本工艺可部分替代现用的电镀锌、电镀镉工艺。
关键词：铝-钛复合涂层,低碳钢,抗冲击,耐腐蚀性能
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