一種金屬表面抗腐蝕/散熱/電磁屏蔽復合涂層制備方法與流程
本發明屬于金屬表面抗腐蝕/散熱/電磁屏蔽復合涂層制備方法技術領域，具體涉及一種金屬表面抗腐蝕/散熱/電磁屏蔽復合涂層制備方法。
背景技術：
海洋氣候環境中使用的功率元器件殼體在服役過程中，要求具有優異抗腐蝕性能的同時，還需要優異的散熱(傳導和輻射)性能和高導電性能(電磁屏蔽)等。但功率元器件金屬(鋁、鎂、鈦合金及其復合材料)耐腐蝕性能遠不能滿足服役條件；同時，元器件金屬殼體的單一傳導散熱方式效率極為有限，而金屬殼體(如鋁、鎂、鈦合金)的輻射散熱能力很低，其發射率值僅為0.1左右；所以強化殼體輻射能力、提高散熱效率也是一直備受關注的問題。
功率元器件金屬殼體散熱效率也受表面潤濕角影響：在低接觸角條件下，水在散熱裝置表面會鋪展成一層水膜，這會嚴重阻礙熱量的傳導與輻射；相反，在高接觸角條件下，水不會在金屬殼體表面停留，并且在滑落過程中會帶走表面部分熱量，這將提高散熱裝置的效率。同時，高潤濕角表面也具有優異的耐腐蝕性能。
近年來，微弧氧化技術被廣泛應用于提高金屬(如鋁、鎂、鈦合金及其復合材料)耐腐蝕性能。同時，微弧氧化法制備的氧化物涂層具有良好的傳導和輻射性能，強化合金的散熱效率。但微弧氧化涂層具有絕緣性及親水性能，而功率元器件，特別是在電子設備服役環境下，為了防止誤動作，進行接地以去除電磁噪聲是非常重要的，這需要元器件殼體仍具有較好的電磁屏蔽效果。石墨烯因其優異的導電性、導熱性、熱輻射性及疏水等性能而被廣泛應用于功率元器件的散熱方面，但其直接與金屬殼體作用會對金屬產生腐蝕作用，同時膜基結合性能較差。
授權公告號為CN203641947U、授權公告日為2014年06月11日、名稱為“具有散熱功能的LED燈具”的實用新型專利公開了一種結構為采用傳導、輻射、對流三管齊下的方式，以便提高燈具的傳熱、散熱效果，但該專利并沒有對結構的具體實現方式及散熱效果做詳細說明及數據參考。申請公布號為CN105491788A、申請公布日為2016年04月13日、名稱為“一種石墨烯散熱型屏蔽膜及其制備方法”的發明專利申請，該專利是在柔性印刷線路板制備載體薄膜層、油墨層、石墨烯散熱層、導電膠黏層組成的復合涂層達到散熱及電子屏蔽作用，但這種方法制備的涂層結構繁瑣、工藝復雜，層與層之間存在較大的界面熱阻，嚴重影響涂層的散熱效率，并且該方法中使用的膠黏劑為有機黏結劑，所制備的涂層發射率低，熱穩定性、及結合力等都不是很理想。申請公布號為CN105039981A、申請公布日為2015年11月11日、名稱為“一種提高燈具散熱器性能的方法”，該專利通過制備微弧氧化與噴涂石墨烯制備散熱復合涂層，該方法使用噴涂石墨烯水性溶劑，但并未明確給出水性溶劑的成分，而且石墨烯在溶劑中的分散性很差，易于團聚，這會很大程度上削弱石墨烯的導熱、導電性能；并且該方法制備的石墨烯層需在140～160℃下進行固化，這將會引入熱應力，減弱微弧氧化涂層的結合性能，同時會對微弧氧化涂層產生腐蝕影響。
技術實現要素：
本發明的目的是為了解決上述現有技術存在的問題，進而提供一種金屬表面抗腐蝕/散熱/電磁屏蔽復合涂層制備方法。
本發明的目的是通過以下技術方案實現的：
一種金屬表面抗腐蝕/散熱/電磁屏蔽復合涂層制備方法，
步驟一、將功率元器件金屬(鋁、鎂、鈦合金及其復合材料)表面依次用600、800、1000和1200#砂紙拋光，然后用丙酮、酒精分別超聲清洗5～60min；
步驟二、配制nano-Al2O3改性微弧氧化電解液：將濃度g/L比為1:1:1:1～4:2:6:1的NaAlO2、NaOH、nano-Al2O3和陰離子表面活性劑，機械攪拌均勻，制成微弧氧化電解液；
步驟三、以電解槽的不銹鋼板為陰極，以功率元器件金屬殼體為陽極，用步驟二制備的微弧氧化電解液，然后以脈沖電源為電源，在電解槽兩端外加300V～800V的電壓，并在電壓為300V～800V、溫度低于50℃及攪拌的條件下，氧化反應5～100min，得到厚度為5～50μm的高熱導致密的含Al2O3微弧氧化底層；
步驟四、將改進Hummers法合成的氧化石墨烯分散到水溶液中，超聲5～360min，得到濃度為0.05～10mg/ml的氧化石墨烯分散液；
步驟五、將步驟四制備的氧化石墨烯分散液涂覆于步驟三制備的微弧氧化底層上，制得微弧氧化/氧化石墨烯復合涂層試樣；
步驟六、將步驟五制備的微弧氧化/氧化石墨烯復合涂層試樣放入到濃度為0.05～10mol/L的維生素C溶液中，室溫還原0.5～48h，制得微弧氧化/石墨烯復合涂層試樣。
所述步驟一中，功率元器件金屬為鋁、鎂、鈦合金及其復合材料。
所述步驟一中，用丙酮、酒精分別超聲清洗20min。
所述步驟二中，陰離子表面活性劑為十二烷基苯磺酸鈉或硬脂酸。
所述步驟三中，氧化反應時間為10min。
所述步驟五中的涂覆為旋涂：旋涂的轉速為1000～5000r/min。
所述步驟五中的涂覆為浸涂：浸涂的提拉速度為5～30mm/s。
所述步驟六中，維生素C溶液的濃度為0.1mol/L。
所述步驟六中，室溫還原2h。
本發明采用微弧氧化與簡單的室溫氧化石墨烯還原的方法在功率元器件金屬表面制備了抗腐蝕疏水/散熱/電磁屏蔽微弧氧化/石墨烯復合涂層。該涂層具有更優異的結合性能、耐腐蝕性能、熱傳導性能、熱輻射性能、疏水性能以及良好的電磁屏蔽效果。
本發明制備的功率元器件金屬殼體表面抗腐蝕/散熱微弧氧化底層主要物相為高熱導率的含氧化鋁涂層，涂層厚度為5～50μm之間。本發明提出用十二烷基苯磺酸鈉或硬脂酸等陰離子表面活性劑對nano-Al2O3顆粒進行處理，以提高nano-Al2O3在電解液中的分散性，且處理過的nano-Al2O3顆粒表面帶陰離子，在電場作用下，粒子向陽極遷移，電泳沉積在金屬表面，明顯提高nano-Al2O3粒子在微弧氧化涂層中的摻雜量，涂層中nano-Al2O3的加入可提高微弧氧化涂層的致密度(如圖1所示)，強化涂層的抗腐蝕性能和散熱性能；nano-Al2O3摻雜微弧氧化底層具有優異的抗腐蝕性能，其耐鹽霧腐蝕能力達1500h以上；同時具有良好的散熱性能，熱導率值可達2～25W/m·K，8～20μm波段范圍內發射率值達0.8。
本發明制備的功率元器件金屬殼體表面抗腐蝕疏水/散熱/電磁屏蔽微弧氧化/石墨烯復合涂層具有優異的熱輻射性能。由于微弧氧化涂層在3～8μm波段內發射率較低，通過涂覆(旋涂、浸涂或噴涂)一層石墨烯涂層以強化3～8μm波段內輻射散熱效果(如圖2所示)。測試結果表明，微弧氧化/石墨烯復合涂層的3～8μm波段發射率值明顯提高，且8～20μm波段值高達0.8以上(如圖3所示)，而功率元器件金屬殼體僅為0.1左右，這將大幅度提高元器件的輻射散熱效率。同時，微弧氧化/石墨烯復合涂層仍具有優異的耐腐蝕性能，其耐鹽霧腐蝕能力仍達1500h以上。
本發明制備的功率元器件金屬殼體表面抗腐蝕疏水/散熱/電磁屏蔽微弧氧化/石墨烯復合涂層具有優異的疏水性能，其靜態接觸角可達120°以上(如圖4所示)，當水滴滴在低表面能的涂層試樣表面時，其可迅速滾落而不會形成水膜，并且會帶走部分熱量，同時石墨烯疏水層會提高復合涂層的抗腐蝕性能。
本發明制備的功率元器件金屬殼體表面抗腐蝕疏水/散熱/電磁屏蔽微弧氧化/石墨烯復合涂層具有優異的強化散熱效果，覆有涂層的散熱裝置，其散熱效率明顯提高，可有效降低散熱裝置溫度達10％～20％(如圖5所示)。
本發明制備的功率元器件金屬殼體表面抗腐蝕疏水/散熱/電磁屏蔽微弧氧化/石墨烯復合涂層具有良好的電磁屏蔽效果，其表面的石墨烯膜層具有良好的導電性能，屏蔽效果可達50dB以上，能夠保證功率元器件正常工作。
采用本方法制備的一種金屬表面抗腐蝕疏水/散熱/電磁屏蔽微弧氧化/石墨烯復合涂層，集多重性能于一體，有效地提高了功率元器件殼體的抗腐蝕性能、散熱性能、疏水性能及電磁屏蔽效果，為科學研究與工程應用提供了良好的思路與方法，功率元器件的大規模應用打下堅實的基礎。
附圖說明
圖1為金屬殼體表面微弧氧化涂層的微觀形貌照片。
圖2為金屬殼體表面微弧氧化/石墨烯復合涂層的微觀形貌照片。
圖3為金屬殼體、微弧氧化涂層、微弧氧化/石墨烯復合涂層的發射率示意圖。
圖4為金屬殼體表面微弧氧化/石墨烯復合涂層的靜態接觸角曲線圖。
圖5為金屬殼體表面微弧氧化涂層、微弧氧化/石墨烯復合涂層的降溫散熱效果曲線圖。
具體實施方式
下面將對本發明做進一步的詳細說明：本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式，但本發明的保護范圍不限于下述實施例。
實施例1
本實施例的一種金屬表面抗腐蝕/散熱/電磁屏蔽復合涂層制備方法如下：
一、選用6061鋁合金為基體，依次用600、800、1000和1200#砂紙對表面拋光，然后用丙酮、酒精分別超聲清洗15min；
二、以NaAlO2：1g/L、NaOH：1g/L、nano-Al2O3：1g/L和十二烷基苯磺酸鈉：1g/L的比例混合，機械攪拌均勻，制得nano-Al2O3改性的微弧氧化電解液；
三、以電解槽的不銹鋼板為陰極，以6061鋁合金為陽極，用步驟二制備的微弧氧化電解液，然后以脈沖電源為電源，在電解槽兩端外加300V的電壓，并在電壓為300V、溫度低于50℃及攪拌的條件下，氧化反應5min，得到高熱導致密的含Al2O3微弧氧化底層；
四、將改進Hummers法合成的氧化石墨烯分散到水溶液中，超聲20min，得到濃度為0.1mg/ml的氧化石墨烯分散液；
五、將步驟四制備的氧化石墨烯分散液以1000r/min的轉速旋涂于步驟三制備的微弧氧化底層上，制得微弧氧化/氧化石墨烯復合涂層試樣；
六、將步驟五制備的微弧氧化/氧化石墨烯復合涂層試樣放入到濃度為0.1mol/L的維生素C溶液中，室溫還原2h，制得微弧氧化/石墨烯復合涂層試樣。
本實施例的方法制備的鋁合金元器件表面抗腐蝕疏水/散熱/電磁屏蔽的微弧氧化/石墨烯復合涂層具有優異的導熱性；熱輻射性能：發射率大于0.8；疏水性能：靜態接觸角大于120°；降低散熱裝置溫度達10～20％；耐鹽霧腐蝕1500h以上；良好的電磁屏蔽效果：屏蔽效果可達50dB以上。
實施例2
本實施例的一種金屬表面抗腐蝕/散熱/電磁屏蔽復合涂層制備方法如下：
一、選用高熱導率AlN增強鎂基復合材料為基體，依次用600、800、1000和1200#砂紙對基體表面進行拋光，然后用丙酮、酒精分別超聲清洗20min；
二、以NaAlO2：4g/L、NaOH：2g/L、nano-Al2O3：6g/L和硬脂酸：1g/L的比例混合，機械攪拌均勻，制得nano-Al2O3改性的微弧氧化電解液；
三、以電解槽的不銹鋼板為陰極，以高熱導率AlN增強鎂基復合材料為陽極，用步驟二制備的微弧氧化電解液，然后以脈沖電源為電源，在電解槽兩端外加800V的電壓，并在電壓為800V、溫度低于50℃及攪拌的條件下，氧化反應20min，得到高熱導致密的含Al2O3微弧氧化底層；
四、將改進Hummers法合成的氧化石墨烯分散到水溶液中，超聲100min，得到濃度為10mg/ml的氧化石墨烯分散液；
五、將步驟三制備的微弧氧化底層浸漬于步驟四制備的氧化石墨烯分散液中，制得微弧氧化/氧化石墨烯復合涂層試樣；
六、將步驟五制備的微弧氧化/氧化石墨烯復合涂層試樣浸入到濃度為10mol/L的維生素C溶液中，室溫還原48h，制得微弧氧化/石墨烯復合涂層試樣。
本實施例的方法制備的鎂基復合材料元器件表面抗腐蝕疏水/散熱/電磁屏蔽的微弧氧化/石墨烯復合涂層具有優異的導熱性；熱輻射性能：發射率大于0.8；疏水性能：靜態接觸角大于120°；降低散熱裝置溫度達10～20％；耐鹽霧腐蝕1500h以上；良好的電磁屏蔽效果：屏蔽效果可達50dB以上。
以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，這些具體實施方式都是基于本發明整體構思下的不同實現方式，而且本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應該以權利要求書的保護范圍為準。
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