等离子处理对钕铁硼表面纳米涂层性能的影响_阙永生.pdf

21 DOI:10.19289/j.1004-227x.2023.04.004 等离子处理对钕铁硼表面纳米涂层性能的影响等离子处理对钕铁硼表面纳米涂层性能的影响 阙永生1，唐国才1,*，申乾宏2，刘斌1，卢彬彬1，汪庆蓉1，刘杰2 1.浙江鑫盛永磁科技有限公司，浙江 安吉 313300 2.浙江大学浙江加州国际纳米技术研究院，浙江 杭州 310058 摘要：摘要：对比了不同条件下等离子处理后钕铁硼磁铁表面硅钛系纳米涂层的表面张力、耐铜加速乙酸盐雾(CASS)腐蚀性能、抗高压加速老化(PCT)性能及其与胶水之间的粘接力。结果表明，以空气为气源等离子处理 4 次(每次 2 s)后涂层的表面张力可以达到粘接所需的 60 mN/m。与采用氮气相比，空气条件下等离子处理后的涂层具有更好的表面张力耐久性，在自然老化 6 个月内保持50 mN/m。涂层经等离子处理后，在拉脱测试中的拉脱强度由处理前的 20 MPa 左右增大到至少 30 MPa，且其耐蚀性和抗老化性未受影响。X 射线光电子能谱(XPS)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析表明，涂层表面张力增大主要是由于大量 O 元素和少量 N 元素的引入产生了大量缔合羟基和少量-氨基酸基团。关键词：关键词：钕铁硼磁体；硅钛系纳米涂层；等离子处理；表面张力；耐蚀性 中图分类号：中图分类号：TG495;TG178 文献标志码：文献标志码：A 文章编号：文章编号：1004 227X(2023)04 0021 06 Effect of plasma treatment on properties of nanocomposite coating for NdFeB magnet QUE Yongsheng 1,TANG Guocai 1,*,SHEN Qianhong 2,LIU Bin 1,LU Binbin 1,WANG Qingrong 1,LIU Jie 2 1.Zhejiang Xinsheng Permanent Magnet Technology Co.,Ltd.,Anji 313300,China 2.Zhejiang-California International NanoSystems Institute,Zhejiang University,Hangzhou 310058,China Abstract:The surface tension of a silicatitania nanocomposite coating on neodymiumironboron(NdFeB)magnet after plasma treatment under different conditions was measured.The copper-accelerated acid salt spray(CASS)test,pressure cooker test(PCT),and pull-off test were carried out to evaluate the resistance of the plasma-treated coating to corrosion and high-pressure accelerated aging and the adhesion between adhesive and the plasma-treated coating.The results showed that the surface tension of the coating treated by plasma in air for four times(2 seconds for each time)reached up to 60 mN/m which is required for adhesive bonding.The coating plasma-treated in air had better surface tension durability than that plasma-treated in nitrogen,and its surface tension maintained at least 50 mN/m within six months under natural conditions.The pull-off adhesion strength of the coating was increased from about 20 MPa previously to at least 30 MPa after air plasma treatment,and no adverse effect was observed on corrosion resistance or aging resistance of the coating.The results of X-ray photoelectron spectroscopic(XPS)analysis and Fourier-transform infrared(FTIR)spectroscopic analysis indicated that the increase of surface tension of the coating is mainly due to the introduction of a large amount of oxygen and a small amount of nitrogen into the coating during air plasma treatment,resulting in the formation of many associated hydroxyl groups and some-amino acid structures.Keywords:neodymiumironboron magnet;silicatitania nanocomposite coating;plasma treatment;surface tension;corrosion resistance 随着晶界扩散技术及表面防腐技术的发展，各种高牌号且高耐蚀钕铁硼磁体逐步被开发出来，并广泛应用于电机、新能源汽车、磁悬浮等领域。而在各种永磁电机的生产中均采用了粘接工艺，以保证转子在高速旋转(12 000 r/min)下的机械可靠性1。近些年，随着钕铁硼应用领域的扩大，尤其是海洋风电的迅速发展，对镀(涂)层的耐蚀性要求不断提高。硅钛系纳米涂层2具有优异的耐高压加速老化(PCT)和耐盐雾性能，可以作为高抗蚀表面防护材料，用于海洋领域或者条件较为苛刻的环境。然而，这类涂层含有有机硅疏水官能团，表面张力较低(一般为 28 30 mN/m)，在粘接时容易出现不牢固甚至脱胶现象，存在较大的安全隐患。收稿日期：收稿日期：20221117 修回日期：修回日期：20230228 基金项目：基金项目：高性能表面防护涂层材料及应用海上风电钕铁硼磁体高抗蚀环保涂层材料开发及应用（2022C01211）。第一作者：第一作者：阙永生（1981），男，硕士，副研究员，研究方向为功能涂层材料、表面工程技术开发及应用。通信作者：通信作者：唐国才（1974），男，硕士，高级工程师，研究方向为钕铁硼材料开发及工程应用。引用格式：引用格式：阙永生,唐国才,申乾宏,等.等离子处理对钕铁硼表面纳米涂层性能的影响J.电镀与涂饰,2023,42(4):21-26.QUE Y S,TANG G C,SHEN Q H,et al.Effect of plasma treatment on properties of nanocomposite coating for NdFeB magnet J.Electroplating&Finishing,2023,42(4):21-26.等离子处理对钕铁硼表面纳米涂层性能的影响 22 因此，需对涂层进行表面处理来提高其表面张力。常用的表面处理方法有化学法、火焰法、电晕法、UV(紫外光)辐照法和等离子处理法3。其中，等离子表面处理是利用非聚合性气体(如 O2、N2、Ar 等)与涂层表面相互作用，在表面引入COOH、OH、NH2等极性基团，通过增加表面张力和活性化学键，达到改善粘接的目的4。该方法不受材料质地的限制，不破坏材料本体的力学性能，远优于一般的化学处理方法，是最常用的方法之一5。然而，等离子处理后的涂层表面张力会随着时间推移而逐步下降，含有有机硅官能团的涂层则下降更快，这给实际应用带来较大的挑战。另外，产品经等离子处理后需要在下游客户那里完成胶粘工作，中间一般要经过运输、仓储等环节，从等离子处理到最终胶粘往往需要很长时间(3 6 个月)，这对涂层等离子处理后表面张力的耐久性要求较高，但关于这方面的研究鲜有报道。这正是本研究的原因所在。除此之外，等离子处理是否对防腐性能造成不利影响，能否满足实际应用要求，也是本研究关注的问题。1 实验实验 1.1 材料和试剂材料和试剂 N42 钕铁硼(18 mm 18 mm 和 30 mm 8 mm)：浙江鑫盛永磁科技有限公司；硝酸(工业级)：上海敬恩实业有限公司；脱脂剂(工业级)：嘉兴科荣环保科技有限公司；无水乙醇(工业级，99.5%)：济南鑫顺化工有限公司；去离子水(18.25 M)：自制。1.2 基材预处理基材预处理 预处理工艺流程如下：除油(5%脱脂剂)水洗(超声)酸洗(3%硝酸)水洗(超声)水洗去离子水洗无水乙醇洗干燥。1.3 涂层制备涂层制备 纳米涂层的黏结剂属于含有有机硅官能团的硅钛改性聚合物体系，采用深圳市荣德机器人科技有限公司生产的往复式喷涂机进行喷涂，厚度控制在 20 25 m 范围内，固化工艺为：60 表干 10 min，180 烘烤固化 50 min。1.4 涂层等离子处理涂层等离子处理 采用深圳市诚峰智造有限公司生产的 CRF-PFC50-HD 型等离子机(功率 800 W)对涂层进行表面处理，每次 3 s。1.5 性能检测性能检测 纳米涂层等离子处理的合格标准是：表面张力在等离子处理后 60 mN/m，室温放置 3 个月 50 mN/m。表面张力测试方法：把德国Plasmatreat公司生产的测试墨水(表面张力测试范围28 72 mN/m)涂到涂层表面，如果液体润湿表面(即液体在表面连续铺展)，则被测试涂层的表面张力高于该测试墨水标称的表面张力，继续选用更高牌号的测试墨水重复上述过程，直到液体不再润湿表面(即液体在表面收缩)为止，最后一个在表面润湿并保持 2 s 不收缩的测试墨水包装上标称的表面张力就是所测涂层的表面张力。在力试(上海)科学仪器有限公司生产的 LD25.504 型微机控制电子万能试验机上进行拉脱测试。采用DECK-Epoxy D96 高强度结构型胶在涂层上粘接拉脱棒，涂胶后 100 C 预热 20 min，再 120 C 固化 1 h，冷却至室温后进行试验，拉脱速率为 4 mm/min。在 EHS-211 ESPEC 冷热冲击试验箱中进行 PCT 试验，温度(120 2)，气压 0.2 MPa，湿度模式为过饱和模式(FULL)。参照 GB/T 101252012人造气氛腐蚀试验 盐雾试验，在 TMHW-90 型可程式盐雾试验机中进行 CASS(铜加速乙酸盐雾)试验。根据客户要求的技术指标，无论是 PCT 还是 CASS 试验，在 96 h 内涂层表面不出现目视可见的气泡、起皮、锈蚀、粉化等缺陷为合格，允许轻微变色、发黄或变暗。由于 96 h 内两项试验中所有样品均合格，无区分度，所以将 PCT 和 CASS 的试验时间分别延长至 240 h 和 300 h，等样品的耐蚀性有明显区别时才停止试验。采用 CDM-202C 金相显微镜放大 100 倍观察不同试样的腐蚀形貌。采用 Thermo Scientific 公司的 K-Alpha 型 X 射线光电子能谱仪