一种铝合金表面防腐耐磨涂层及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明具体涉及一种铝合金防腐、耐磨涂层及其制备方法，属于金属材料腐蚀与防护领域。
【背景技术】
[0002]铝合金密度小、强度高、导电导热性能优良、塑性和成型性好、易加工，被广泛应用于航空航天、军工、建筑、汽车、船舶等领域中。然而铝合金的硬度偏低，耐磨性差，耐腐蚀性较差，限制了其的应用。目前，铝合金表面处理主要有电镀、化学镀、热喷涂等。随着现代工业的高速发展，对铝合金的表面要求越来越高，一些成本低、污染少，能满足特殊条件要求的铝合金表面处理技术将受到人们的极大关注。
[0003]近年来，基于硅烷水解产物的有机-无机掺杂涂层越来越受到关注。由于该掺杂涂层能够与金属表面形成化学键metal-0-Si，因而与金属表面具有良好的结合力；此外，该掺杂涂层本身能够通过缩合反应形成具有高度致密的三维网络结构的薄膜，可以有效阻隔腐蚀因子，故而能够显著提高金属的抗腐蚀性能。但是，薄膜稳定性较差，使用效果不是非常理想。
【发明内容】
[0004]鉴于现有技术中的前述不足，本发明的主要目的在于提供一种兼具良好防腐、耐磨性能以及高稳定性的铝合金表面防腐耐磨涂层及其制备方法。
[0005]为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括:
一种铝合金表面防腐耐磨涂层，包括:
主要由形成于金属表面的微纳结构组成的织构化层；
以及，覆盖于织构化层上的、并与织构化层键合的单分子硅烷膜层进一步的，所述单分子硅烷膜层主要由一种以上有机硅化合物的水解产物自组装形成，所述有机硅化合物的分子中含有至少一个S1-OR单元，R选自F或烷基。
[0006]一种铝合金表面防腐耐磨涂层的制备方法，包括:
对铝合金基体表面进行织构化处理，形成主要由微纳结构组成的织构化层；
将所述铝合金基体表面浸溃于含有一种以上有机硅化合物的水解产物的溶液中，从而在所述织构化层上自组装形成单分子硅烷膜，所述有机硅化合物的分子中含有至少一个S1-OR单元，R选自F或烷基。
[0007]作为较为优选的实施方案之一，该制备方法还可进一步包括:将表面具有所述单分子硅烷膜的铝合金基体于温度为6(T20(TC的条件下进行热处理。
[0008]与现有技术相比，本发明的优点在于:
(I)充分利用了铝合金表面形貌设计与有机防护涂层构筑协同防腐耐磨的作用，起到了 1+1>2的防腐耐磨效果；
(2 )本发明的铝合金表面耐磨防腐涂层中，单分子硅烷膜层(简称“薄膜”)与金属表面(简称“基底”)结合好，耐摩擦性能优异，并且防腐性能优良；
(3)本发明铝合金表面耐磨防腐涂层的制备工艺简单、重复性好，所用原料廉价易得，成本低廉，且对基底材料的形状没有限制，适用于较大面积的铝合金的表面处理。
【附图说明】
[0009]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0010]图1是铝合金基底、对比实施例1及实施例1所获铝合金表面薄膜在3.5wt.%的NaCl溶液中的极化曲线测试图；
图2是铝合金基底、对比实施例1及实施例1所获铝合金表面薄膜的摩擦系数曲线图；图3是铝合金基底、对比实施例2及实施例2所获铝合金表面薄膜在3.5wt.%的NaCl溶液中的极化曲线测试图；
图4是铝合金基底、对比实施例2及实施例2所获铝合金表面薄膜的摩擦系数曲线图；图5是铝合金基底、对比实施例3及实施例3所获铝合金表面薄膜在3.5wt.%的NaCl溶液中的极化曲线测试图；
图6是铝合金基底、对比实施例3及实施例3所获铝合金表面薄膜的摩擦系数曲线图； 图7a-图7c是实施例Γ3中所获表面织构化的铝合金表面的场发射表面的扫描电镜图。
【具体实施方式】
[0011]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的【具体实施方式】进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本发明的实施方式仅仅是示例性的，并且本发明并不限于这些实施方式。
[0012]在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
[0013]如前所述，考虑到现有技术中存在的诸多不足，本案发明人经长期研究和大量实践，才得以提出了本发明的技术方案，其主要包括:利用简单的化学刻蚀等方式对铝合金表面进行织构化处理，并对织构化的铝合金表面进行化学修饰，从而在铝合金表面形成了新型的防护结构(亦可认为是一种防腐耐磨涂层)，该涂层与基底结合牢固，耐摩擦性能优异，摩擦系数维持在0.18，并且防腐性能优良，腐蚀电位达到-0.55V，腐蚀电流密度达到
1.32X 10 6Acm2,且其制备工艺操作简单,成本低廉。
[0014]在一典型实施方案中，本发明铝合金表面防腐耐磨涂层的制备方法可以包括:
对铝合金基体表面进行织构化处理，形成主要由微纳结构组成的织构化层；
将所述铝合金基体表面浸溃于含有一种以上有机硅化合物的水解产物的溶液中，从而在所述织构化层上自组装形成单分子硅烷膜。
[0015]其中，所述“微纳结构”系由分布于铝合金基体表面的微米/纳米级凸起部和/或凹陷部组合形成的微米/纳米尺度复合的起伏形貌。
[0016]优选的，还可对表面具有所述单分子硅烷膜的铝合金基体进行热处理。
[0017]作为较佳实施方式之一，可以采用简单化学刻蚀处理处理铝合金基体，亦即，利用化学刻蚀试剂对铝合金基体表面进行刻蚀，从而形成所述织构化层。
[0018]其中，所述化学刻蚀试剂可选自HCl、NaOH和H2O2等试剂中的任意一种或多种的组入口 ο
[0019]优选的，所述化学刻蚀试剂为浓度为20~60% (体积百分数)的盐酸，尤为优选为浓度为35~45% (体积百分数)的盐酸。
[0020]其中，刻蚀时间优选为0~300s，尤其优选为3(Tl80s。
[0021]作为可行实施方式之一，可以将所述有机硅化合物溶于有机溶剂，再静置水解，从而形成含有一种以上有机硅化合物的水解产物的溶液。
[0022]优选的，可以将所述有机硅化合物溶于有机溶剂，使形成的溶液中所含有机硅化合物的浓度达到0.r1mM,尤其优选为l~5mM，再将该溶液静置水解6~24h，尤其优选为12~20h，从而形成含有一种以上有机硅化合物的水解产物的溶液。
[0023]其中，所述有机硅化合物系指分子中至少有一个S1-OR单元的一种或多种有机硅化合物，其中R至少可选自CH3-、CH3 (CH2) n-、CF3-, CF3 (CH2) η-等基团，η为自然数。
[0024]进一步的,所述有机娃化合物可优选自烧氧基??圭烧，例如十—烧基二甲氧基5圭烧、疏基丙基二甲氧基??圭烧、环氧丙氧基二甲氧基??圭烧、十八烧基二甲氧基石圭烧、十—烧基二乙氧基??圭烧、十八烧基二乙氧基5圭烧、全氣癸基二乙氧基5圭烧等二甲氧基、二乙氧基5圭烧中的至少一种，但不限于此。
[0025]作为较为优选的实施方案之一，该制备方法还可进一步包括:将表面具有所述单分子硅烷膜的铝合金基体于温度为6(T20(TC，尤其优选为8(T12(TC的条件下进行热处理，籍以进一步增强单分子硅烷膜层与织构化层的组装键合效果。
[0026]本发明的铝合金表面防腐耐磨涂层具有良好防腐、耐磨效果，稳定性高，且工艺简单，成本低廉，适合处理大面积铝及铝合金等，具有很好的应用前景。
[0027]下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
[0028]实施例1:
将铝合金分别用丙酮、去离子水各清洗10分钟；然后将其浸泡在体积分数为40%的盐酸水溶液中进行织构化处理，浸泡温度为室温，浸泡时间为30s，得到如图7a所示的具有微纳结构的织构化表面；然后将铝合金片放入水解完成的十八烷基三乙氧基硅烷溶液中，浸泡温度为室温，浸泡时间为12h，之后进行热处理，热处理温度为80°C，得到铝合金表面防腐耐磨涂层。
[0029]对比实施例1 (对照例I):
本对照例是实施例1的对比实施例。
[0030]本对照例中，不对铝合金基底进行任何织构化处理，只对其表面进行硅烷溶液的自组装，组装温度为室温，组装时间为12h，之后进行热处理，热处理温度为80°C，得到铝合金表面耐磨防腐涂层。
[0031]对上述铝合金基体、对比实施例1及实施例1进行极化曲线测量。测量方法为:电解质为体积分数3.5%的NaCl溶液，采用三电极法，其中参比电极为甘汞电极，对电极为钼电极，工作电极为铝合金基体、对比实施例1得到的表面覆盖有硅烷膜的铝合金样品，以及实施例1经过表面织构化处理以及自组装得到的表面有耐磨防腐涂层的铝合金样品。
[0032]线性极化曲线测试结果如图1所示，从图1中可以看出:
(O与未进行表面保护的铝合金样品相比，经对比实施例1处理后的铝合金样品的腐蚀电流为2.73X 10 4A/cm2相对于铝合金基底的5.02X 10 4A/cm2有所降低。腐蚀电流的降低表明经对比实施例1处理后得到的涂层能为铝合金基底提供一定的隔绝Cl、水、O2等腐蚀介质的能力。
[0033](2)与未进行表面保护的铝合金样品，以及经对比实施I处理后的铝合金样品相t匕，经实施例1处理后的样品腐蚀电流最低，达到了 1.32X 10 6A/cm2 ;表明经表面织构化处理后的样品硅烷膜与基底结合更加牢固，比不经织构化处理的样品的耐蚀性更好。
[0034]对上述铝合金基体、对比实施例1及