本發明屬于型腔結構件領域，具體涉及一種基于磁控濺射類金剛石碳膜的鋁合金及其制備方法與應用。
背景技術：
類金剛石碳膜（Diamond-like carbon film，簡稱DLC膜）是金剛石的sp3雜化和石墨的sp2雜化兩種結合鍵作為骨架構成的非晶態碳膜，DLC膜是無定型結構的碳，薄膜中的碳鍵同時存在sp3和sp2兩種類型。DLC膜的形成過程大致分為4 個階段，即碳粒子被濺射出來；被濺射出來的碳粒子相互作用和聚集；碳粒子與環境粒子碰撞、逐漸失去動能并改變電子結構；碳粒子在電場作用或離子轟擊下與襯底相互作用形成碳膜，目前大多采用物理氣相沉積的磁控濺射法制備類金剛石碳膜，稱為磁控濺射類金剛石碳膜。
鋁材是一種以鋁為主要成份的合金材料，鋁棒通過熱熔，擠壓從而得到不同截面形狀的鋁材料，但鋁材具體結構不同，生產出來的工業鋁型材的機械性能和應用領域也不同。我國是鋁合金門窗和幕墻生產、消費大國，各年竣工的鋁合金門窗和幕墻數量大，其主要構成鋁合金型材的用量也很大。隨著工業化發展，聲音污染越來越被公眾重視，一些場合，比如寫字樓、廠房車間，都需要較好的隔音效果；金屬型材，比如鋁材、鋼材在工業民用領域廣泛存在，被用作外觀裝飾材料。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種基于磁控濺射類金剛石碳膜的鋁合金；首次在中空金屬型材表面設計磁控濺射類金剛石碳膜結構，同時結合無機材料，具有良好的散熱性能以及力學性能，特別是消音結構的創造性使用，達到了消音、弱音效果；本發明制備簡便、適用性廣，具有廣闊的工業應用前景。
為達到上述目的，本發明采用的技術方案是：
一種基于磁控濺射類金剛石碳膜的鋁合金的制備方法，包括以下步驟：
（1）將3-甲基-2-吡啶酮、異構十三醇聚氧乙烯醚、二苯基氧膦、單羥基七乙烯基多面體齊聚倍半硅氧烷、二硫吡啶碳酸酯、氮化硼、己二酸二（3,4-環氧基-6-甲基環己基甲酸）與丁酮混合；然后揮發溶劑形成凝膠體；
（2）在中空鋁合金型材上表面內側安裝消音板；所述消音板的制備為，在實心金屬板上表面制備埋孔；然后在埋孔內部填充泡沫前驅體；接著在埋孔上表面覆蓋熱壓鋼板；然后將帶有熱壓鋼板的實心金屬板于1MPa下，90～100℃加熱3～5分鐘；接著于130～140℃加熱8～12分鐘；自然冷卻后去除鋼板得到消音板；所述泡沫前驅體包括5,5’-雙（三乙氧基硅基）-3,3’-聯吡啶、馬來酸酐、聚脲甲醛、二月桂酸二丁基錫、二異氰酸酯、聯硼酸新戊二醇酯、丙酮；
（3）在中空鋁合金型材上表面外側制備氮化鈦層；然后在氮化鈦層上表面磁控濺射制備類金剛石碳膜；
（4）在中空鋁合金型材下表面外側復合凝膠體，熱處理得到基于磁控濺射類金剛石碳膜的鋁合金。
本發明中，上下表面的位置關系為相對關系，以帶有類金剛石碳膜的一面為中空鋁合金型材的上表面，其他部件的上下關系與其一致。中空鋁合金型材、消音板、凝膠體熱處理制備的彈性體構成鋁合金產品的主體結構。中空鋁合金型材上表面外側設有類金剛石碳膜層，并以氮化鈦層作為中間層，降低類金剛石碳膜體系熱膨脹不匹配導致的應力缺陷，得到的膜層體系具有優良的結合強度，即抗剝離附著特性好，同時又大大提高類金剛石碳膜的抗摩擦磨損能力；所述氮化鈦層的厚度為0.1～0.15微米；所述類金剛石碳膜層的厚度為0.3～0.4微米，可以避免磁控濺射類金剛石碳膜剝落，尤其是該厚度下鋁合金型材整體穩定性優異，磁控濺射類金剛石碳膜可以有效發揮導熱、防水、耐磨的效果，提高金屬材料的使用性能、耐候性能；可以采用電鍍的方式制備氮化鈦層；采用磁控濺射的方式制備類金剛石碳膜，此結構可以達到較好的散熱效果，并且還具有避免鋁合金型材被雨水侵蝕、被大氣氧化的效果。
本發明中，埋孔是指孔位于消音板上表面，不貫穿消音板，埋孔結構的設計可以削弱沖擊帶來的金屬撞擊音以及外界噪音，同時在埋孔內填充泡沫材料，限定泡沫材料的制備方法，進一步提高消音效果；優選所述消音板上表面即與中空鋁合金型材復合的一面設有復數個埋孔；所有埋孔的面積和為消音板上表面積的22～25%；限定埋孔總面積占比，埋孔的孔徑為1.2～1.5毫米，在消音的同時保持消音板的強度。消音板安裝在中空鋁合金型材上表面內側，即位于中空鋁合金型材空心內，可以削弱音波還能夠增加中空鋁合金型材強度，防止變形，消音板的厚度根據中空鋁合金型材的厚度設計，限定埋孔的深度為消音板厚度的55～60%，既能起到孔內泡沫材料消音的效果，又保證消音板的強度。
本發明中，消音板與中空鋁合金型材復合采用螺絲或者螺栓的方式，可以在安裝位鉆孔或者車絲，合理的設計保證消音板安裝穩定性以及力學強度。
本發明中，所述埋孔內填充的泡沫材料十分關鍵；本發明制備的泡沫材料的孔隙率為75～80%，可以起到優異的吸音效果以及力學緩沖效果。本發明首先以醇酯、異氰酸酯為主體成分，通過添加活性單體吡啶、酸酐以及促進劑，并結合出氣成分聚脲甲醛制備泡沫前驅體；然后通過分步熱壓工藝在埋孔中直接制備泡沫材料，既可以與埋孔形成優異的粘接力，避免泡沫脫落，特別是逐步升溫下，聚脲甲醛丙酮分步成孔，可以形成孔隙均勻、達到良好的消音效果。
本發明通過在埋孔上方設置熱壓鋼板，既可以對泡沫前驅體起到均勻熱壓作用，還可以避免發泡體冒出；可以在熱壓鋼板與埋孔之間設置離型膜，方便剝離。
本發明中，彈性體設置在中空鋁合金型材下表面外側，可以大幅緩解金屬板受到的沖擊力，而且實際應用時其與安裝主材接觸，起到緊固、防止損傷的效果；彈性體由凝膠體熱處理得到，凝膠體的厚度為0.8～0.95毫米，利用高分子的隔音作用，可以增強整個鋁合金材結構的隔音效果，而且該厚度利于安裝緊致，并有一定的吸音效果；一方面可以增加中空鋁合金型材強度提高抗沖擊、耐風吹、不易變形的能力；另一方面增加中空鋁合金型材與基材或者其他結構的連接穩定性。
本發明先制備凝膠體然后噴涂或者旋涂在中空鋁合金型材下表面外側，再經過熱處理得到彈性體，熱處理工藝為80℃/5min+90℃/18min+120℃/25min。本發明制備彈性體的原料組成合理，硅樹脂具有優異的彈性，結合環氧化合物可以發揮優異的粘接力，再加上碳酸酯、吡啶酮的改性，可以形成穩定的聚合物網絡同時具有良好的彈性，特別的，通過無機填料的添加可以極大提高彈性體的散熱效果，并且在表面活性劑以及活性小分子作用下，無機填料分散均勻，極大程度降低了無機填料對有機組分的影響。
本發明中，5,5’-雙（三乙氧基硅基）-3,3’-聯吡啶、馬來酸酐、聚脲甲醛、二月桂酸二丁基錫、二異氰酸酯、聯硼酸新戊二醇酯、丙酮的質量比為1∶（0.65～0.78）∶（0.23～0.25）∶（0.0003～0.0005）∶（0.45～0.49）∶（0.18～0.22）∶（5～6）。通過兩階段反應，使得活性小分子與主體成分產生良好的反應性，結合出氣成分在有機物固化時產生孔隙，可以得到性能優異的泡沫材料，填充于埋孔中，利于增加消音板的吸音減震效果。
本發明中，3-甲基-2-吡啶酮、異構十三醇聚氧乙烯醚、二苯基氧膦、單羥基七乙烯基多面體齊聚倍半硅氧烷、二硫吡啶碳酸酯、氮化硼、己二酸二（3,4-環氧基-6-甲基環己基甲酸）與丁酮的質量比為1∶（0.35～0.38）∶（0.003～0.005）∶（0.65～0.75）∶（0.25～0.36）∶（0.22～0.28）∶（0.35～0.46）∶（10～15）。通過自然揮發去除溶劑，有利于各組分混合均勻，活性小分子增加了無機導熱填料在主體成分中的分散性，利于保持彈性體良好的力學性能，以硅樹脂為主結合環氧、碳酸酯等，在階段固化工藝下，各組分逐步固化，利于增加彈性體的吸音減震效果。
本發明還公開了根據上述制備方法制備的基于磁控濺射類金剛石碳膜的鋁合金；進一步的，本發明還公開了上述基于磁控濺射類金剛石碳膜的鋁合金在制備建筑外墻中的應用。
本發明公開的基于磁控濺射類金剛石碳膜的鋁合金在中空鋁合金型材上表面設計類金剛石碳膜，散熱性好，同時保護中空鋁合金型材表面不受氧化腐蝕；并利用消音板中設計的埋孔結合泡沫材料的結構，達到良好的消音效果；同時采用彈性層，粘接力強并且散熱良好；從而公開的基于磁控濺射類金剛石碳膜的鋁合金具備散熱、消音、穩定等良好特性。
具體實施方式
下面結合實施例對本發明作進一步描述：
實施例一
一種基于磁控濺射類金剛石碳膜的鋁合金的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
（1）將質量比為1∶0.38∶0.005∶0.75∶0.25∶0.22∶0.35∶15的3-甲基-2-吡啶酮、異構十三醇聚氧乙烯醚、二苯基氧膦、單羥基七乙烯基多面體齊聚倍半硅氧烷、二硫吡啶碳酸酯、粒徑為180～340納米的氮化硼、己二酸二（3,4-環氧基-6-甲基環己基甲酸）、丁酮混合；然后自然攪拌，揮發溶劑形成凝膠體；
（2）在實心金屬板上表面制備埋孔；然后在埋孔內部填充泡沫前驅體；接著在埋孔上表面覆蓋帶有離型紙的熱壓鋼板；然后將帶有熱壓鋼板的實心金屬板于1MPa下，100℃加熱5分鐘；接著于130℃加熱8分鐘；自然冷卻后去除鋼板得到消音板；消音板上表面設有復數個埋孔；所有埋孔的面積和為消音板上表面積的22%；埋孔的孔徑為1.25毫米；埋孔的深度為消音板厚度的55%；
所述泡沫前驅體由質量比為1∶0.78∶0.23∶0.0003∶0.49∶0.22∶6的5,5’-雙（三乙氧基硅基）-3,3’-聯吡啶、馬來酸酐、聚脲甲醛、二月桂酸二丁基錫、二異氰酸酯、聯硼酸新戊二醇酯、丙酮混合得到；
在中空鋁合金型材上表面內側通過螺絲安裝消音板；
（3）在中空鋁合金型材上表面外側電鍍制備厚度為0.15微米的氮化鈦層；然后在氮化鈦層上表面磁控濺射制備厚度為0.3微米的類金剛石碳膜；
（4）在中空鋁合金型材下表面外側噴涂厚度為0.95毫米的凝膠體，熱處理得到基于磁控濺射類金剛石碳膜的鋁合金；熱處理工藝為80℃/5min+90℃/18min+120℃/25min。
上述基于磁控濺射類金剛石碳膜的鋁合金的散熱能力為純中空鋁合金型材的87%，消音率為純中空鋁型材的2.9倍，彈性層與消音板粘接達到1級，抗彎能力為純中空鋁型材的2.4倍；可用于鋁合金外墻制備。
實施例二
一種基于磁控濺射類金剛石碳膜的鋁合金的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
（1）將質量比為1∶0.38∶0.003∶0.75∶0.36∶0.28∶0.46∶10的3-甲基-2-吡啶酮、異構十三醇聚氧乙烯醚、二苯基氧膦、單羥基七乙烯基多面體齊聚倍半硅氧烷、二硫吡啶碳酸酯、粒徑為180～340納米的氮化硼、己二酸二（3,4-環氧基-6-甲基環己基甲酸）、丁酮混合；然后自然攪拌，揮發溶劑形成凝膠體；
（2）在實心金屬板上表面制備埋孔；然后在埋孔內部填充泡沫前驅體；接著在埋孔上表面覆蓋帶有離型紙的熱壓鋼板；然后將帶有熱壓鋼板的實心金屬板于1MPa下，90℃加熱3分鐘；接著于140℃加熱12分鐘；自然冷卻后去除鋼板得到消音板；消音板上表面設有復數個埋孔；所有埋孔的面積和為消音板上表面積的22%；埋孔的孔徑為1.2毫米；埋孔的深度為消音板厚度的55%；
所述泡沫前驅體由質量比為1∶0.78∶0.25∶0.0005∶0.45∶0.18∶6的5,5’-雙（三乙氧基硅基）-3,3’-聯吡啶、馬來酸酐、聚脲甲醛、二月桂酸二丁基錫、二異氰酸酯、聯硼酸新戊二醇酯、丙酮混合得到；
在中空鋁合金型材上表面內側通過螺絲安裝消音板；
（3）在中空鋁合金型材上表面外側電鍍制備厚度為0.1微米的氮化鈦層；然后在氮化鈦層上表面磁控濺射制備厚度為0.3微米的類金剛石碳膜；
（4）在中空鋁合金型材下表面外側噴涂厚度為0.8毫米的凝膠體，熱處理得到基于磁控濺射類金剛石碳膜的鋁合金；熱處理工藝為80℃/5min+90℃/18min+120℃/25min。
上述基于磁控濺射類金剛石碳膜的鋁合金的散熱能力為純中空鋁合金型材的84%，消音率為純中空鋁型材的2.7倍，彈性層與消音板粘接達到1級，抗彎能力為純中空鋁型材的2.9倍；可用于鋁合金外墻制備。
實施例三
一種基于磁控濺射類金剛石碳膜的鋁合金的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
（1）將質量比為1∶0.35∶0.003∶0.65∶0.25∶0.22∶0.35∶10的3-甲基-2-吡啶酮、異構十三醇聚氧乙烯醚、二苯基氧膦、單羥基七乙烯基多面體齊聚倍半硅氧烷、二硫吡啶碳酸酯、粒徑為180～340納米的氮化硼、己二酸二（3,4-環氧基-6-甲基環己基甲酸）、丁酮混合；然后自然攪拌，揮發溶劑形成凝膠體；
（2）在實心金屬板上表面制備埋孔；然后在埋孔內部填充泡沫前驅體；接著在埋孔上表面覆蓋帶有離型紙的熱壓鋼板；然后將帶有熱壓鋼板的實心金屬板于1MPa下，90℃加熱3分鐘；接著于130℃加熱8分鐘；自然冷卻后去除鋼板得到消音板；消音板上表面設有復數個埋孔；所有埋孔的面積和為消音板上表面積的22%；埋孔的孔徑為1.2毫米；埋孔的深度為消音板厚度的55%；
所述泡沫前驅體由質量比為1∶0.65∶0.23∶0.0003∶0.45∶0.18∶5的5,5’-雙（三乙氧基硅基）-3,3’-聯吡啶、馬來酸酐、聚脲甲醛、二月桂酸二丁基錫、二異氰酸酯、聯硼酸新戊二醇酯、丙酮混合得到；
在中空鋁合金型材上表面內側通過螺絲安裝消音板；
（3）在中空鋁合金型材上表面外側電鍍制備厚度為0.1微米的氮化鈦層；然后在氮化鈦層上表面磁控濺射制備厚度為0.3微米的類金剛石碳膜；
（4）在中空鋁合金型材下表面外側噴涂厚度為0.8毫米的凝膠體，熱處理得到基于磁控濺射類金剛石碳膜的鋁合金；熱處理工藝為80℃/5min+90℃/18min+120℃/25min。
上述基于磁控濺射類金剛石碳膜的鋁合金的散熱能力為純中空鋁合金型材的88%，消音率為純中空鋁型材的2.8倍，彈性層與消音板粘接達到1級，抗彎能力為純中空鋁型材的2.1倍；可用于鋁合金外墻制備。
實施例四
一種基于磁控濺射類金剛石碳膜的鋁合金的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
（1）將質量比為1∶0.38∶0.005∶0.75∶0.36∶0.28∶0.46∶15的3-甲基-2-吡啶酮、異構十三醇聚氧乙烯醚、二苯基氧膦、單羥基七乙烯基多面體齊聚倍半硅氧烷、二硫吡啶碳酸酯、粒徑為180～340納米的氮化硼、己二酸二（3,4-環氧基-6-甲基環己基甲酸）、丁酮混合；然后自然攪拌，揮發溶劑形成凝膠體；
（2）在實心金屬板上表面制備埋孔；然后在埋孔內部填充泡沫前驅體；接著在埋孔上表面覆蓋帶有離型紙的熱壓鋼板；然后將帶有熱壓鋼板的實心金屬板于1MPa下，100℃加熱5分鐘；接著于140℃加熱12分鐘；自然冷卻后去除鋼板得到消音板；消音板上表面設有復數個埋孔；所有埋孔的面積和為消音板上表面積的25%；埋孔的孔徑為1.5毫米；埋孔的深度為消音板厚度的60%；
所述泡沫前驅體由質量比為1∶0.78∶0.25∶0.0005∶0.49∶0.22∶6的5,5’-雙（三乙氧基硅基）-3,3’-聯吡啶、馬來酸酐、聚脲甲醛、二月桂酸二丁基錫、二異氰酸酯、聯硼酸新戊二醇酯、丙酮混合得到；
在中空鋁合金型材上表面內側通過螺栓安裝消音板；
（3）在中空鋁合金型材上表面外側電鍍制備厚度為0.15微米的氮化鈦層；然后在氮化鈦層上表面磁控濺射制備厚度0.4微米的類金剛石碳膜；
（4）在中空鋁合金型材下表面外側噴涂厚度為0.95毫米的凝膠體，熱處理得到基于磁控濺射類金剛石碳膜的鋁合金；熱處理工藝為80℃/5min+90℃/18min+120℃/25min。
上述基于磁控濺射類金剛石碳膜的鋁合金的散熱能力為純中空鋁合金型材的89%，消音率為純中空鋁型材的2.5倍，彈性層與消音板粘接達到1級，抗彎能力為純中空鋁型材的2.2倍；可用于鋁合金外墻制備。