镁合金有机复合散热涂层的性能对比研究

　　网络出版时间：016/1/516：07镁合金有机复合散热涂层的性能对比研究陈磊1，游国强1‘2，马小黎1，明1，白世磊1（1.重庆大学材料科学与工程学院，重庆400045；2.国家镁合金材料工程技术研究中心，重庆400044）涂层的散热性、力学性能和耐腐蚀性进行测试表征及综合技术性能评。结果表明：只有填料超过一定含量才能明显提高涂层的散热性，同一种填料随着其含量的增加，涂层散热效果越来越好，且纳米铜粉对涂层散热性的影响较明显；填料能够提高有机硅树脂涂层的硬度和耐冲击性；碳粉和碳化硅的添加可提高涂层的耐腐蚀性，而铜粉对涂层腐蚀性不利；涂层的综合技术性能随填料粒子含量的增加而提高，且添加纳米铜粉的提升效果明显；填料的混杂添加对涂层散热性的影响优于单一填料，能提高涂层的综合技术性能。

　　基金项目：中央高校基本科研业务费（汽车种子基金（CDZR13130080）摩托车镁轮毂用高性价比表面涂装技术研究及开发（14A0101）；大型仪器设备开放基金（201412150129）通信作者：游国强，男，博士，副教授；主要从事轻合金及其成型技术研究。E-mail：ygqcqu.edu.cn.镁合金是当前轻的商用金属结构材料，其导热性能仅次于铜和铝，在同时要求轻量化和导热性能的领域具有很好的应用前景，如大型户外灯罩、通讯基站散热部件等。但镁合金耐腐蚀性能差，在丁程应用中往往需要采用表面防腐涂层来保证其防腐能力。目前丁程上使用多的是有机涂层，但其导热性差，不可避免地导致镁合金构件综合散热性能下降，成为镁合金在这些领域推广应用的技术瓶颈之一。因此，开发既能保证防腐性能，又具有良好散热性能的有机涂层成为丁程界和学术界共同的目标、目前，国内外学者对有机复合散热涂层进行了大量研究，结果表明在有机涂层中添加高热导率填料粒子，能有效提高涂层的散热性2-6.然而，针对镁合金基板材料的报道却很少。

　　针对上述问题，作者以AZ31B镁合金为基板材料，以水性有机硅树脂为涂层材料，以纳米铜粉、纳米碳粉、纳米碳化桂为导热填料，制备了17种不同的有机复合涂层，并对涂层的散热性、力学性能和耐腐蚀性进行测试表征，对综合技术性能进行评估。为开发散热-防腐性能兼顾的镁合金有机涂层提供理论支撑。

　　1试验1.1原材料基体树脂选用Y8750自干型水性有机硅树脂；导热填料粒子为SiC、Cu粉、C粉，粒径为40nm；基板材料为AZ31B镁合金，其化学成分，如表1所示。

　　元素质量分数/元素质量分数/ 1.2测试与表征用自制的综合测温系统对有机复合散热涂层的散热性进行表征，用盐雾试验机（CZ-90）测量耐腐蚀性，用QHQ手摇铅笔硬度计、QC-50cm漆膜冲击试验仪、QFH百格刀测试涂层的耐腐蚀性、硬度、耐冲击性、附着力。

　　1.3制样过程1.3.1散热涂料的制备在水性有机硅树脂中加人一定体积分数的SiC、Cu粉、C粉然后加人少许分散剂，经机械搅拌、超声波震荡混合均，静置消除气泡，即可制成散热涂料，17种散热涂料的成分配比及编号，见表2.表2有机涂层成分配比与其编号编号成分的体积分数/编号成分的体积分数/ 87有机硅树脂+13SiC 74有机硅树脂+26C 74有机硅树脂+26SiC 61有机硅树脂+39C 61有机硅树脂+39SiC 48有机硅树脂+52C 48有机硅树脂+52SiC 87有机硅树脂+13Cu 74有机硅树脂+26Cu 61有机硅树脂+39Cu 48有机硅树脂+52Cu 100有机硅树脂87有机硅树脂+13C 1.3.2散热涂层样板的制备金板作为基板，先将基板喷砂去氧化膜，然后依次用碱洗去油，在丙酮中经15min超声波清洗，冷风吹干后得到干净的表面，随后采用线性涂布棒将散热涂料均涂到基板表面，并在室温下干燥，即可制得样板。

　　1.3.3综合散热性能测试测温系统的基本原理如下所述：采用加热片输人功率产生的热量、铜块温度升高吸收的能量及涂层损失能量之间的平衡来表征散热性能，其表达式：G产生热=仙=热+热损失7.（1）在保持输人功率不变的条件下，即电源输出的电综合测温系统流和电压恒定不变，单位时间内产生的热量G产生热相同，其值与单位时间内热损失G热损失和铜块温度升高吸收的热量热之和相等。如果无纸记录仪测得铜块的温度越低，热越小，热损失就越大，则通过试样表面散失的热量越多，涂层的散热性越好7.在。

　　表3有机复合涂层的散热性编号温度化编号温度/编号温度/ 2.2单一填料下有机复合涂层的散热性2.2.1填料体积量对有机复合涂层散热性的影响当有机复合涂层中导热填料粒子SiC或Cu或C的体积分数为13时，稳态时铜板（编号为1、5、9）的温度均为105丈，这与未添加导热填料粒子的有机硅树脂涂层铜板（编号为17）相比，稳态时温度相同，说明导热填料粒子未能提高有机复合涂层的散热性；当导热填料粒子SiC或Cu或C的体积分数为26~52时，铜板稳态时的温度随每一单一填料粒子体积分数的增加而降低，即在此范围内，涂层的散热性随填料粒子体积量的增加而提高。

　　研究表明，在填充少量的填料粒子时，有机硅树脂会包围填料粒子，使其相互孤立、形成岛状，无法连接成导热网链，故导热性能基本没有提高，相应的散热性也没有提高8.随着填料粒子含量的增加，粒子的堆积逐渐形成导热网络，使传热路径在导热粒子间的比率增大，传热的速度增加，导热性能提高，进而提高了有机复合涂层的散热性能。

　　2.2.2填料种类对有机复合涂层散热性的影响从总体上看，3种填料粒子对有机复合涂层散热性能的影响趋势相同，添加纳米碳粉和添加铜粉的有机复合涂层散热性变化相近，因为两种填料的热导率相近，且粒径相同。而填充纳米碳化硅的有机复合涂层的散热性相对其他两种要差一些，这是由于碳化硅的热导率相对较低的缘故。由此可知：体系的散热性能会随着填料热导率的不同而有所改变，填料种类不同，其热导率也不相同；在添加量相同时，高热导率填料更有助于获得高热导率的有机复合涂层。

　　2.2.3混杂填料对有机复合涂层散热性的影响当导热填料粒子体积分数均为26时，添加单一填料、两种填料和3种填料的有机复合涂层的散热性，如所示。可见，添加3种填料的有机复合涂层稳态时铜板的温度低，散热性好，另外，添加两种填料粒子的涂层相比添加单一填料的涂层稳态时铜板的温度更低些，说明添加两种填料的有机复合涂层散热性优于单一填料的有机复合涂层。

　　编号填料与散热性的关系Fig.2混杂填料的添加更有利于提高涂层散热性，这是由于当体系内填充多种导热填料粒子时，内部不同粒子间会产生致密的堆积，形成更多的导热通路，从而达到提高导热性的目的。此外，不同种类、不同形状填料粒子间的混合，可充分发挥彼此之间的协同效应，使涂层具备每个增强体的优势且掩盖彼此的缺点，终可起到单一填料所不具备的功能9. 3力学性能结果及讨论3.1力学性能测试结果17组有机复合涂层的硬度、耐冲击性、附着力测试结果，如表4所示。

　　3.2硬度结果与讨论如表4所示，有机硅树脂涂层的硬度为3H，添加填料粒子后，涂层的硬度大于等于3H，由此可见，填料的添加可提高涂层的硬度。添加碳化硅和碳粉的涂层编号硬度H耐冲击性/附着力/级编号硬度H耐冲击性/附着力/硬度为3H和4H，且其硬度值不随填料含量的变化而变化，说明这两种涂层的硬度不受填料粒子含量的影响，而添加铜粉的有机复合涂层的硬度值随铜粉粒子含量的增加呈先升高后降低的趋势。

　　当加人的纳米铜粉体积分数较小时，涂层中的纳米粒子不会形成良好的网络结构，也不能改善涂层的硬度；当添加的纳米铜粉达到一定量时，涂层中的有机部分和填料粒子可形成紧密网络结构的复合材料，从而提高涂层的硬度。由表4可见，当添加铜粉的体积分数为26，涂层硬度达到大值5H；继续增加铜粉的体积量，硬度反而下降，这是由于大量的纳米粒子聚集在一起，基体中呈现出分散不均的现象，使得原来的有机/无机相由均相变成了非均相，由于树脂把颗粒包围起来，并没有优先支撑载荷的缘故，终导致涂层硬度有所下降10. 3.3耐冲击性结果与讨论3.3.1填料含量对有机复合涂层耐冲击性的影响17种有机复合涂层的耐冲击性结果，如表4所示。水性有机硅树脂的耐冲击性为30kg.mm，添加填料粒子后，其耐冲击性均超过30kgmm，表明有机硅树脂中填料粒子的添加可提高涂层的耐冲击性。采用填料粒子的粒径为纳米级，一方面能够提高涂层弹性，复合涂层由于机械作用而产生的应力效应，宏观上表现为增强涂层抵抗冲击的能力；另一方面，纳米粒子由于活性表面具有较强的吸附分子链能力，有利于降低涂层断裂的可能性1'，从而使机体在断裂过程中发生剪切屈服，吸收大量的塑性变形能，达到增韧的效果，提高涂层的耐冲击性。

　　有机复合涂层的耐冲击性随填料体积分数的增加呈先上升后下降的趋势，这是由于当纳米粒子加人的量较少时，在有机硅树脂中分散比较均，纳米粒子具有一定的增韧能力。如果受到外力的冲击，纳米粒子就会成为应力承载点，同时吸收冲击能量，对涂层起到增韧、补强的作用，从而提高涂层的耐冲击性能。然而当纳米粒子的含量过高时，纳米粒子闭聚，力学性能下降，涂层耐冲击性能下降。

　　3.3.2填料种类对有机复合涂层耐冲击性的影响当导热填料的体积分数相同时，添加纳米铜粉的有机复合涂层耐冲击性优，添加碳的有机复合涂层耐冲击性次之，添加碳化硅的有机复合涂层耐冲击性差，这说明有机复合涂层的耐冲击性受填料种类的影响。碳化硅为脆性化合物，容易破碎，造成涂层表面的皱皮和破损，但碳化硅的粒径为纳米级别，表面被有机硅树脂包裹，有一定的缓冲作用。单质碳本身的结构特点使其具有较好的缓冲作用，可提高有机复合涂层的耐冲击性。金属材料本身就有很好的耐冲击和缓冲能力，且纳米级别铜粉的比表面积大，会大大提高和高分子链发生物理或化学结合的机会，同时也增强了两者的结合力48，进而吸收大量的冲击能，提高有机复合涂层的耐冲击性。

　　3.4附着力结果与讨论17种有机复合涂层的附着力测试结果，如表4所示。有机复合涂层的附着力分布在~1级，说明其与镁合金基体之间都有很好的附着力，即原有涂层的附着力并不会因为导热填料粒子的添加以及添加量的多少而被破坏，涂层的附着力良好。

　　当导热填料的体积分数为52，有机复合涂层的附着力为1级，性能稍有降低，其原因：一方面填料体积分数过大会造成导热填料粒子的闭聚，从而使导热粒子与有机硅树脂不能够充分接触，从而使涂层的附着力降低；另一方面，可能是导热填料粒子对涂料固化过程的不利影响变得突出，从而导致涂层附着力的降低。

　　同时16号有机复合涂层的附着力也为1级，性能也略有降低，这可能是由于多种填料粒子间相互作用产生内应力，影响涂层固化过程，从而导致附着力的降低。

　　4涂层耐腐蚀性能测试结果与讨论表5为17种有机复合涂层的耐盐雾腐蚀测试结果。可见，有机硅树脂的耐腐蚀时间为18h，添加碳化硅粒子的有机复合涂层的盐雾腐蚀时间为19~25h，添加纳米碳的有机复合涂层的耐盐雾腐蚀时间为18~24h，这两种填料粒子均能提高有机硅树脂涂层的耐腐蚀性；而添加纳米铜粉的有机复合涂层盐雾腐蚀时间为10~16h.可见，纳米铜粉的添加降低了有机硅树脂涂层的耐腐蚀性。此外，还可以发现当添加同种导热填料粒子时，有机复合涂层的耐盐雾腐蚀性随着填料体积分数的增加而降低。

　　5综合技术性能评价以镁合金有机复合涂层为研究对象，对涂层的技术指标进行对比研究。

　　5.1功能及指标的评分确定表征有机复合涂层技术性能的指标有散热性、硬度、耐冲击性、附着力和耐蚀性，将这些技术参数作为涂层的功能指标，并按10分制换算成同一的计量12，换算标准如下：散热性。以铜板稳定时的温度为评定标准，如表6所示。

　　硬度。以高硬度9H评为10分、8~只8为1分的评分标准，如表7所示。

　　分，其余则按表8进行换算。

　　附着力。从0~5共6个等级，以附着力0级为10分，其余按表9进行换算。

　　耐蚀性。以耐盐雾腐蚀时间为评定标准，按表10进行换算。

　　表6散热性能评分标准温度/t评分温度/t评分温度/t评分温度/t评分表7硬度评分标准硬度评分硬度评分硬度评分硬度评分表8耐冲击性评分标准耐冲击性'评分耐冲击性，评分编号时间/h编号时间/h编号时间/h编号时间/h附着力级别评分附着力级别评分附着力级别评分表10耐蚀性能评分标准盐雾时间/h评分5.2功能指标权重的确定构件的使用环境对有机复合涂层的散热性能和耐蚀性要求相对较高，因此，对这两种性能的权重赋值相对较高，另外，对涂层的力学性能也有相关的要求。针对涂层性能要求的差异，对这5种性能进行权重赋值，如表11所示。

　　表11涂层性能指标权重赋值涂层性能权重值涂层性能权重值散热性附着力硬度耐腐蚀性耐冲击性5.3功能系数的确定与技术评价根据功能评分标准及性能测试结果对17种涂层进行功能评分，如表12所示。

　　将性能评分乘以相应的权重值，然后相加即可得到涂层的总功能系数，如表13所示。如果有机复合涂层总功能系数的数值越大，综合技术性能也越好。

　　可知，当添加同一种填料时，有机复合涂层的功能系数随填料体积分数的增大而提高。当填料粒子的体积分数为52，有机复合涂层的功能系数高，综合技编号散热性硬度耐冲击性附着力耐蚀性编号散热性硬度耐冲击性附着力耐蚀性编号功能系数编号功能系数编号功能系数编号功能系数术性能好。因为此时有机复合涂层的散热性能很好，散热性能在涂层性能指标中占的权重值比较大。

　　对于不同种类的填料粒子，添加纳米铜粉的有机复合涂层功能系数高于添加碳粉的，添加碳粉的有机复合涂层的功能系数高于添加碳化硅的。

　　有机复合涂层的技术指标由高到低的顺序为：排在前面的为16号涂层，可知，添加3种混杂填料的有机复合涂层综合技术性能好，且添加两种填料的有机复合涂层的技术指标排序靠前。由此可见，添加混杂填料的有机复合涂层相比单一填料的涂层，更有利于提高涂层的综合技术性能。排在后的17号为有机硅树脂涂层，可见，填料粒子可提高有机复合涂层的综合技术性能。在排序前5位中，有4位成分（16、8、13、号）都含有纳米铜粉，可见，添加铜粉有利于提高有机复合涂层的综合技术性能。

　　6结论只有填料超过一定含量才能明显地提高涂层的散热性，对于同一种填料，随着其含量的增加，涂层散热效果越好。当填料体积分数相同时，铜粉对有机复合涂层散热性的提高为明显，其效果优于碳粉和碳化硅。且混杂填料对有机硅树脂涂层散热性的影响优于单一填料。

　　填料能够提高有机硅树脂涂层的硬度和耐冲击性，但对附着力几乎无影响。

　　碳化硅和碳粉提高了有机硅树脂涂层的耐腐蚀性，而铜粉则降低了有机硅树脂涂层的耐腐蚀性。

　　对于同种填料，涂层的耐腐蚀性随着填料体积分数的增加而降低。

　　对于同一种填料随着填料体积分数的增加，涂层的综合技术性能呈提高趋势。当填料含量相同时，铜粉对有机硅树脂涂层综合技术性能的提升为明显，且添加混杂填料的涂层综合技术性能优于单一填料的涂层。