一种树脂基复合材料表面电磁屏蔽涂层及制备方法与流程

1.本项目属于表面工程技术领域，涉及一种树脂基复合材料(酚醛树脂等复材)表面电磁屏蔽涂层制备方法。采用本技术在树脂基复合材料防热套等部件上制备电磁屏蔽涂层，基材受喷涂热影响小，涂层沉积效率高、速度快，涂层厚度可控，沉积的涂层与基材结合强度高，并可后续进行打磨或机加工，是一种针对防热套等树脂基复材上制备电磁屏蔽涂层的新技术。有望大面积应用于航天、航空、机械等领域改善现有热喷涂技术的不足，提高部件可靠性。


背景技术：

2.树脂基复合材料因其优异的热力学性能，近年来在防热套等热端部件上得到广泛使用。但该种材料本身是一种透波材料，不具备电磁屏蔽性能，本项目采用电弧喷涂技术和冷气动力喷涂技术在树脂基复合材料表面制备金属铝涂层，使其具备电磁屏蔽性能，以满足部件电磁屏蔽的功能需求。
3.电弧喷涂技术是利用电弧将喷涂丝材熔化，并用高速气流将熔化的喷涂材料雾化、加速喷向工件表面形成涂层的技术，该技术广泛应用于防腐、耐磨等工程领域。冷气动力喷涂技术(简称冷喷涂技术)，是基于空气动力学与高速碰撞动力学原理的涂层制备技术，该技术原理是将一定粒度喷涂粉末送入经过预热的高速气流中，经过加速，在完全固态下高速撞击基体，产生较大的塑性变形而沉积于基体表面形成涂层。
4.电弧喷涂技术由于喷涂温度高，长时间喷涂易对树脂基复合材料造成热损伤，冷喷涂技术由于喷涂粒子速度快，直接喷涂易对树脂基复合材料造成冲蚀无法形成涂层。因此本技术采用电弧喷涂和冷喷涂技术相结合的方式，首先采用电弧喷涂技术在树脂基复合材料上制备厚度约0.1mm的铝涂层，然后采用冷喷涂技术制备约0.5mm的铝涂层。领用该种涂层制备方法，树脂基复合材料基材温升低(不超过80℃)、涂层结合力高(大于3mpa)、涂层沉积效率高、速度快，涂层厚度可控，并可后续进行打磨或机加工，实现对需求电磁屏蔽的树脂基类非金属复材部件表面，快速沉积制备金属电磁屏蔽涂层的目的。


技术实现要素：

5.本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种树脂基复合材料表面电磁屏蔽涂层及制备方法，通过采用电弧喷涂技术和冷气动力喷涂技术在树脂基复合材料表面制备金属铝涂层，使其具备电磁屏蔽性能，以满足部件电磁屏蔽的功能需求。采用本技术在树脂基复材上制备的电磁屏蔽涂层，基材受喷涂热影响小，涂层沉积效率高、速度快，涂层厚度可控，沉积的涂层与基材结合强度高，可满足树脂基类非金属复材部件表面电磁屏蔽性能需求，解决树脂基复合材料本身不具备电磁屏蔽性能的问题。
6.本发明的技术解决方案是：
7.一种树脂基复合材料表面电磁屏蔽涂层制备方法，包括：
8.在树脂基复合材料样品表面电弧喷涂铝底层，随后采用冷喷涂工艺将铝材质的冷
喷涂粉体喷涂在铝底层之上，得到冷喷层；铝底层和冷喷层形成电磁屏蔽涂层。
9.所述冷喷涂粉体由纯铝粉体经等离子球化后制成，冷喷涂粉体适用于冷喷涂。
10.所述纯铝粉体纯度≥99.9％，粒径为40-65μm，经等离子球化后制成的冷喷涂粉体纯度≥99.9％，粒径为5-45μm。
11.所述等离子球化工艺参数包括：主气流量为80-100scfh、辅气流量为5-10scfh、电流为600-750a、送粉量为40-50g/min。
12.所述树脂基复合材料为酚醛树脂复合材料；电磁屏蔽涂层的厚度为0.5-1mm；制备铝底层原材料为φ3mm纯铝丝材，纯度≥99％。
13.所述电弧喷涂工艺参数包括：喷涂电压35-40v、喷涂电流250-450a、喷涂距离180-240mm、机械手行走速度300-500mm/s、平移步距4-6mm。
14.所述铝底层厚度为0.05-0.1mm。
15.所述冷喷涂工艺参数包括：喷涂载气为氮气，喷涂气体压力5-7mpa、喷涂气体温度300-500℃、喷涂距离20-40mm、送粉量30-50g/s、机械手行走速度300-500mm/s、平移步距1-3mm。
16.所述冷喷涂获得的涂层厚度为0.5-1mm。
17.一种树脂基复合材料表面电磁屏蔽涂层，根据上述任一所述的一种树脂基复合材料表面电磁屏蔽涂层制备方法获得。
18.综上所述，本技术至少包括以下有益技术效果：
19.1、通过电弧喷涂和冷喷涂工艺结合，实现了厚度为0.5-1mm的电磁屏蔽涂层的制备；
20.2、通过采用电弧喷涂技术在树脂基复合材料表面制备厚度适当的底层，保证了冷喷涂工艺可以在树脂基复合材料表面喷涂制备大厚度铝涂层，从而实现了树脂基复合材料表面优良的电磁屏蔽性能；
21.3、本技术制备的电磁屏蔽涂层制备效率高，涂层孔隙率低，涂层结合力明显优于传统刷涂金属涂层与粘贴金属薄膜等技术手段，喷涂制备的涂层可直接进行机加工处理而不开裂脱落；
22.4、本技术解决了单纯电弧喷涂制备电磁屏蔽涂层易造成树脂基复合材料表面热损伤问题，以及单独采用冷喷涂技术无法在树脂基复合材料表面喷涂制备铝涂层的行业难题，攻克了树脂基复合材料表面制备性能优良电磁屏蔽涂层的技术难题。
附图说明
23.图1实施例1树脂基复合材料表面喷涂电磁屏蔽涂层前后宏观形貌照片；
24.图2实施例1电磁屏蔽涂层截面扫描电镜照片。
具体实施方式
25.下面结合附图和具体实施例对本技术作进一步详细的描述：
26.实施例1
27.将纯度≥99.9％，粒径为5-45μm的纯铝粉体经等离子球化后制成纯度≥99.9％，粒径为5-45μm的适用于冷喷涂粉体，其中等离子球化工艺参数为：主气流量为80scfh、辅气
流量为5scfh、电流为600a、送粉量为40g/min。
28.采用电弧喷涂铝底层，其中喷涂原材料为φ3mm纯铝丝材，纯度≥99％，电弧喷涂工艺参数为：喷涂电压35v、喷涂电流250a、喷涂距离180mm、机械手行走速度300mm/s、平移步距4mm、涂层厚度0.05mm。
29.采用冷喷涂工艺将前述适用于冷喷涂粉体喷涂在铝底层之上，得到电磁屏蔽涂层，其中冷喷涂工艺参数为：喷涂载气为氮气，喷涂气体压力5mpa、喷涂气体温度300℃、喷涂距离20mm、送粉量30g/s、机械手行走速度300mm/s、平移步距1mm、涂层厚度0.5mm。
30.涂层性能测试结果：涂层结合强度3.62mpa，涂层孔隙率1.35％，涂层电阻率3.4
×
10-8
ωm。
31.附图1为树脂基复合材料表面喷涂电磁屏蔽涂层前后宏观形貌照片，附图2为电磁屏蔽涂层截面扫描电镜照片，通过附图可看出本技术制备的树脂基复合材料电磁屏蔽涂层表面完好无开裂，涂层截面组织致密无明显孔隙，涂层与基材界面交互结合紧密，无明显裂纹。
32.实施例2
33.将纯度≥99.9％，粒径为5-45μm的纯铝粉体经等离子球化后制成纯度≥99.9％，粒径为5-45μm的适用于冷喷涂粉体，其中等离子球化工艺参数为：主气流量为100scfh、辅气流量为10scfh、电流为750a、送粉量为50g/min。
34.采用电弧喷涂铝底层，其中喷涂原材料为φ3mm纯铝丝材，纯度≥99％，电弧喷涂工艺参数为：喷涂电压40v、喷涂电流450a、喷涂距离240mm、机械手行走速度500mm/s、平移步距6mm、涂层厚度0.1mm。
35.采用冷喷涂工艺将前述适用于冷喷涂粉体喷涂在铝底层之上，得到电磁屏蔽涂层，其中冷喷涂工艺参数为：喷涂载气为氮气，喷涂气体压力7mpa、喷涂气体温度500℃、喷涂距离40mm、送粉量50g/s、机械手行走速度500mm/s、平移步距3mm、涂层厚度1mm。
36.涂层性能测试结果：涂层结合强度4.19mpa，涂层孔隙率0.93％，涂层电阻率3.2
×
10-8
ωm。
37.实施例3-6
38.实施例3-6的铝底层厚度分别为0.02mm、0.07mm、0.1mm、0.15mm。
39.其他制备条件均为：将纯度≥99.9％，粒径为5-45μm的纯铝粉体经等离子球化后制成纯度≥99.9％，粒径为5-45μm的适用于冷喷涂粉体，其中等离子球化工艺参数为：主气流量为80scfh、辅气流量为5scfh、电流为600a、送粉量为40g/min。
40.采用电弧喷涂铝底层：其中喷涂原材料为φ3mm纯铝丝材，纯度≥99％，电弧喷涂工艺参数为：喷涂电压35v、喷涂电流250a、喷涂距离180mm、机械手行走速度300mm/s、平移步距4mm，得到铝底层。
41.采用冷喷涂工艺将前述适用于冷喷涂粉体喷涂在铝底层之上，得到电磁屏蔽涂层，其中冷喷涂工艺参数为：喷涂载气为氮气，喷涂气体压力5mpa、喷涂气体温度300℃、喷涂距离20mm、送粉量30g/s、机械手行走速度300mm/s、平移步距1mm、涂层厚度0.5mm。
42.涂层性能测试结果见表1。
43.表1:不同厚度铝底层的电磁屏蔽涂层的检测结果
[0044][0045]
实施例7-9
[0046]
实施例7-9仅等离子球化工艺参数不同。
[0047]
实施例7的等离子球化工艺参数为：主气流量为60scfh、辅气流量为4scfh、电流为500a、送粉量为30g/min。
[0048]
实施例8的等离子球化工艺参数为：主气流量为90scfh、辅气流量为8scfh、电流为675a、送粉量为45g/min。
[0049]
实施例9的等离子球化工艺参数为：主气流量为100scfh、辅气流量为10scfh、电流为750a、送粉量为50g/min。
[0050]
其他制备条件均与实施例1相同。
[0051]
涂层性能测试结果见表2。
[0052]
表2:不同等离子球化工艺参数的电磁屏蔽涂层的检测结果
[0053] 涂层结合强度/mpa涂层孔隙率/％涂层电阻率/ωm备注实施例72.433.074.6
×
10-8 实施例83.441.173.3
×
10-8 实施例93.591.193.3
×
10-8 [0054]
实施例10-12
[0055]
实施例10-12仅电弧喷涂工艺参数不同。
[0056]
实施例10的电弧喷涂工艺参数为：喷涂电压32v、喷涂电流200a、喷涂距离160mm、机械手行走速度200mm/s、平移步距3mm。
[0057]
实施例11的电弧喷涂工艺参数为：喷涂电压38v、喷涂电流350a、喷涂距离210mm、机械手行走速度400mm/s、平移步距5mm。
[0058]
实施例12的电弧喷涂工艺参数为：喷涂电压40v、喷涂电流450a、喷涂距离240mm、机械手行走速度500mm/s、平移步距6mm。
[0059]
其他制备条件均与实施例1相同。
[0060]
涂层性能测试结果见表3。
[0061]
表3:不同电弧喷涂工艺参数的电磁屏蔽涂层的检测结果
[0062][0063]
实施例13-15
[0064]
实施例13-15仅冷喷涂工艺参数不同。
[0065]
实施例13的冷喷涂工艺参数为：喷涂载气为氮气，喷涂气体压力4mpa、喷涂气体温度200℃、喷涂距离15mm、送粉量20g/s、机械手行走速度200mm/s、平移步距0.5mm。
[0066]
实施例14的冷喷涂工艺参数为：喷涂载气为氮气，喷涂气体压力6mpa、喷涂气体温度400℃、喷涂距离30mm、送粉量40g/s、机械手行走速度400mm/s、平移步距2mm。
[0067]
实施例15的冷喷涂工艺参数为：喷涂载气为氮气，喷涂气体压力7mpa、喷涂气体温度500℃、喷涂距离40mm、送粉量50g/s、机械手行走速度500mm/s、平移步距3mm。
[0068]
其他制备条件均与实施例1相同。
[0069]
涂层性能测试结果见表4。
[0070]
表4:不同冷喷涂工艺参数的电磁屏蔽涂层的检测结果
[0071][0072]
对比例1
[0073]
与实施例1的不同之处为：仅采用电弧喷涂制备0.55mm厚度的电磁屏蔽涂层。
[0074]
具体步骤为：采用电弧喷涂铝涂层，其中喷涂原材料为φ3mm纯铝丝材，纯度≥99％，电弧喷涂工艺参数为：喷涂电压35v、喷涂电流250a、喷涂距离180mm、机械手行走速度300mm/s、平移步距4mm、涂层厚度0.55mm。
[0075]
该过程中，树脂基复合材料表面因电弧喷涂热损伤严重，涂层开裂脱落，无法制备得到该厚度的电磁屏蔽涂层。
[0076]
对比例2
[0077]
与实施例1的不同之处为：仅采用冷喷涂制备0.55mm厚度的电磁屏蔽涂层。
[0078]
具体步骤为：采用冷喷涂工艺将实施例1等离子球化工艺制备的适用于冷喷涂粉体喷涂在树脂基复合材料之上，其中冷喷涂工艺参数为：喷涂载气为氮气，喷涂气体压力5mpa、喷涂气体温度300℃、喷涂距离20mm、送粉量30g/s、机械手行走速度300mm/s、平移步距1mm、涂层厚度0.55mm。
[0079]
冷喷涂过程中树脂基复合材料因冲蚀逐渐减薄，无法制备得到电磁屏蔽涂层。
[0080]
对比例3
[0081]
与实施例1的不同之处为：冷喷涂工艺采用的的冷喷涂粉体未经过等离子球化，即冷喷涂粉体为市售形貌不规则粉体。
[0082]
涂层性能测试结果：涂层结合强度2.43mpa，涂层孔隙率5.61％，涂层电阻率5.53
×
10-8
ωm。
[0083]
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此，本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

技术特征：
1.一种树脂基复合材料表面电磁屏蔽涂层制备方法，其特征在于：包括在树脂基复合材料样品表面电弧喷涂铝底层，随后采用冷喷涂工艺将铝材质的冷喷涂粉体喷涂在铝底层之上，得到电磁屏蔽涂层。2.根据权利要求1所述的一种树脂基复合材料表面电磁屏蔽涂层制备方法，其特征在于：所述冷喷涂粉体由纯铝粉体经等离子球化后制成，冷喷涂粉体适用于冷喷涂。3.根据权利要求2所述的一种树脂基复合材料表面电磁屏蔽涂层制备方法，其特征在于：所述纯铝粉体纯度≥99.9％，粒径为40-65μm，经等离子球化后制成的冷喷涂粉体纯度≥99.9％，粒径为5-45μm。4.根据权利要求2所述的一种树脂基复合材料表面电磁屏蔽涂层制备方法，其特征在于：所述等离子球化工艺参数包括：主气流量为80-100scfh、辅气流量为5-10scfh、电流为600-750a、送粉量为40-50g/min。5.根据权利要求1所述的一种树脂基复合材料表面电磁屏蔽涂层制备方法，其特征在于：所述树脂基复合材料为酚醛树脂复合材料；电磁屏蔽涂层的厚度为0.5-1mm；制备铝底层原材料为φ3mm纯铝丝材，纯度≥99％。6.根据权利要求1所述的一种树脂基复合材料表面电磁屏蔽涂层制备方法，其特征在于：所述电弧喷涂工艺参数包括：喷涂电压35-40v、喷涂电流250-450a、喷涂距离180-240mm、机械手行走速度300-500mm/s、平移步距4-6mm。7.根据权利要求1所述的一种树脂基复合材料表面电磁屏蔽涂层制备方法，其特征在于：所述铝底层厚度为0.05-0.1mm。8.根据权利要求1所述的一种树脂基复合材料表面电磁屏蔽涂层制备方法，其特征在于：所述冷喷涂工艺参数包括：喷涂载气为氮气，喷涂气体压力5-7mpa、喷涂气体温度300-500℃、喷涂距离20-40mm、送粉量30-50g/s、机械手行走速度300-500mm/s、平移步距1-3mm。9.根据权利要求1所述的一种树脂基复合材料表面电磁屏蔽涂层制备方法，其特征在于：所述冷喷涂获得的涂层厚度为0.5-1mm。10.一种树脂基复合材料表面电磁屏蔽涂层，其特征在于：根据权利要求1-9任一所述的一种树脂基复合材料表面电磁屏蔽涂层制备方法获得。

技术总结
一种树脂基复合材料(酚醛树脂等复材)表面电磁屏蔽涂层及制备方法，该涂层采用电弧喷涂技术和冷气动力喷涂技术(简称冷喷涂)在树脂基复合材料表面制备铝涂层，使其具备电磁屏蔽性能。涂层原材料为纯铝丝材和经过等离子球化的纯铝粉体，铝丝材外径为Φ3mm，铝粉体粒度5-45μm；电弧喷涂：喷涂电压35-40V、喷涂电流250-450A、喷涂距离180-240mm、机械手行走速度300-500mm/s、平移步距4-6mm、涂层厚度0.05-0.1mm；冷喷涂：喷涂载气为氮气，喷涂气体压力5-7MPa、喷涂气体温度300-500℃、喷涂距离20-40mm、送粉量30-50g/s、机械手行走速度300-500mm/s、平移步距1-3mm、涂层厚度0.5-1mm。制备的涂层结合强度≥3MPa，孔隙率≤3％，涂层电阻率≤3.5


技术研发人员：马康智 杨震晓 曾一兵 倪立勇 贺晨 曲栋 李春
受保护的技术使用者：航天材料及工艺研究所
技术研发日：2023.03.30
技术公布日：2023/7/25