本發明屬于型腔結構件領域，具體涉及一種帶有磁控濺射類金剛石碳膜結構的金屬型材的制備方法與應用。
背景技術：
多輪廓型腔制件結構是一個中等復雜程度的制件，是由腔體、型面輪廓、平面、孔、槽、圓角、筋等組成，多用在建筑、裝備、車輛電子或機械行業。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膜中含有20%～80%金剛石sp3鍵使得其具有一系列接近金剛石的優異性能，具有許多與金剛石相似的性能，如硬度高、彈性模量高、聲傳播速度快、磨擦系數低、比表面能低、紅外透過率高、導熱率高、化學穩定好等，類金剛石碳膜具有獨特的優點，金剛石薄膜并不能完全取代它，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。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。
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帶有磁控濺射類金剛石碳膜結構的金屬型材；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，同時結合凹槽結構，具有良好的散熱性能以及力學性能，特別是緩沖結構的創造性使用，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：
一種帶有磁控濺射類金剛石碳膜結構的金屬型材的制備方法，包括以下步驟：
（1）在中空金屬板上表面制備凹槽；然后在凹槽上表面制備氮化鈦層；然后在氮化鈦層上表面磁控濺射制備類金剛石碳膜；
（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熱壓鋼板；然后將帶有熱壓鋼板的實心金屬板于1MPa下，80～90℃加熱3～5分鐘；接著于120～130℃加熱8～12分鐘；自然冷卻后去除鋼板得到緩沖板；所述泡沫前驅體包括二硫吡啶碳酸酯、鄰苯二甲腈、碳酸氫鈉、二月桂酸二丁基錫、二異氰酸酯、2,6-二苯基嘧啶-4-酮、丙酮；
（3）將3-甲基-2-吡啶酮、二（三甲基硅）乙酰胺、二苯基氧膦、單羥基七乙烯基多面體齊聚倍半硅氧烷、4-乙烯基苯甲酸甲酯、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；
（4）在緩沖板下表面復合凝膠體，熱處理得到帶有彈性體的緩沖板；然后在帶有類金剛石碳膜的中空金屬板下表面安裝帶有彈性體的緩沖板，得到帶有磁控濺射類金剛石碳膜結構的金屬型材。
本發明中，中空金屬板、緩沖板、彈性體構成帶有類金剛石碳膜結構的金屬型材的主體結構；所述緩沖板位于中空金屬板與彈性體之間；所述中空金屬板上表面設有凹槽，下表面安裝緩沖板；所述凹槽表面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，尤其是該厚度下金屬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，提高金屬型材的使用性能、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，并且還具有避免金屬型材被雨水侵蝕、被大氣氧化的效果。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金屬板的上表面，其他部件的上下關系與其一致。
本發明中，中空金屬板上表面的凹槽可以增加中空金屬板比表面積，提高傳熱面積，改善散熱效果；限定凹槽深度為中空金屬板厚度的30～40%，既可以利于加工不影響金屬型材正常使用，另一方面保持金屬型材良好的力學性能，而且利于磁控濺射類金剛石碳膜層附著，發揮散熱效果。中空金屬板上表面的凹槽可以為連續的，也可以為一個個獨立的，可以為圓形也可以為方形；優選的，凹槽為復數個平行排列的凹槽，每個凹槽貫穿中空金屬板上表面，即在中空金屬板上表面設計連續的復數個凹槽，每個凹槽平行；可以提供均勻的散熱效果，還能保持金屬型材美觀，同時使得金屬板受力時，載荷分布均勻，增加金屬型材穩定性。
本發明中，埋孔是指孔位于緩沖板上表面，不貫穿緩沖板，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；優選所述緩沖板上表面即與中空金屬板復合的一面設有復數個埋孔；所有埋孔的面積和為緩沖板上表面積的22～25%；限定埋孔總面積占比，埋孔的孔徑為1.2～1.5毫米，在消音的同時保持緩沖板的強度。緩沖板安裝在中空金屬板下表面，可以削弱音波還能夠增加金屬板強度，防止變形，緩沖板的厚度根據中空金屬板的厚度設計，限定埋孔的深度為緩沖板厚度的55～60%，既能起到孔內泡沫材料消音的效果，又保證緩沖板的強度。
本發明中，緩沖板與中空金屬板復合的一面設有安裝柱，優選四根，安裝柱位于緩沖板四角，用以用于安裝緩沖板與中空金屬板，可以將安裝柱插入中空金屬板的側壁中，合理的設計保證緩沖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。本發明首先以碳酸酯、異氰酸酯為主體成分，通過添加活性單體以及促進劑，并結合出氣成分制備泡沫前驅體；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，又可以形成孔隙均勻、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，彈性體設置在緩沖板下表面，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；另外彈性體的厚度為0.5～0.65毫米，利用高分子的隔音作用，可以增強整個金屬型材結構的隔音效果，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金屬型材強度提高抗沖擊、耐風吹、不易變形的能力；另一方面增加中空金屬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緩沖板下表面，再經過熱處理得到彈性體，熱處理工藝為70℃/5min+90℃/12min+110℃/10min。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，再加上酰胺、乙烯基化合物的改性，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，二硫吡啶碳酸酯、鄰苯二甲腈、碳酸氫鈉、二月桂酸二丁基錫、二異氰酸酯、2,6-二苯基嘧啶-4-酮、丙酮的質量比為1∶（0.05～0.08）∶（0.03～0.05）∶（0.0003～0.0005）∶（0.65～0.76）∶（0.15～0.26）∶（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，利于增加緩沖板的吸音減震效果。
本發明中，單羥基七乙烯基多面體齊聚倍半硅氧烷、二（三甲基硅）乙酰胺、二苯基氧膦、3-甲基-2-吡啶酮、4-乙烯基苯甲酸甲酯、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∶（0.15～0.18）∶（0.003～0.005）∶（0.53～0.55）∶（0.15～0.16）∶（0.12～0.13）∶（0.25～0.26）∶（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、烯烴等，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。
本發明還公開了上述帶有磁控濺射類金剛石碳膜結構的金屬型材在制備建筑外墻中的應用；進一步的，本發明還公開了上述帶有磁控濺射類金剛石碳膜結構的金屬型材在制備艙體外壁中的應用。
本發明公開的帶有磁控濺射類金剛石碳膜結構的金屬型材在中空金屬板上表面設計凹槽結合表面的類金剛石碳膜，散熱性好，同時保護中空金屬型材表面不受氧化腐蝕；并在下表面利用緩沖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；從而公開的帶有磁控濺射類金剛石碳膜結構的金屬型材具備散熱、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
一種帶有磁控濺射類金剛石碳膜結構的鋁型材的制備方法，包括以下步驟：
（1）在中空鋁板上表面制備復數個平行排列的凹槽，每個凹槽貫穿中空鋁板上表面，每個凹槽深度為中空鋁板厚度的30%；然后在凹槽上表面制備氮化鈦層；然后在氮化鈦層上表面制備類金剛石碳膜；氮化鈦層的厚度為0.15微米；所述類金剛石碳膜層的厚度為0.4微米；
（2）在實心鋁板上表面制備復數個埋孔，所有埋孔的面積和為緩沖板上表面積的25%；埋孔的孔徑為1.2毫米；埋孔的深度為緩沖板厚度的60%；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鋁板于1MPa下，90℃加熱4分鐘；接著于130℃加熱12分鐘；自然冷卻后去除鋼板得到緩沖板；所述泡沫前驅體由二硫吡啶碳酸酯、鄰苯二甲腈、碳酸氫鈉、二月桂酸二丁基錫、二異氰酸酯、2,6-二苯基嘧啶-4-酮、丙酮組成；在緩沖板上表面設有四根安裝柱，分布在四角，用于安裝在中空鋁板下表面；二硫吡啶碳酸酯、鄰苯二甲腈、碳酸氫鈉、二月桂酸二丁基錫、二異氰酸酯、2,6-二苯基嘧啶-4-酮、丙酮的質量比為1∶0.08∶0.03∶0.0005∶0.76∶0.25∶6；
（3）將3-甲基-2-吡啶酮、二（三甲基硅）乙酰胺、二苯基氧膦、單羥基七乙烯基多面體齊聚倍半硅氧烷、4-乙烯基苯甲酸甲酯、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；然后攪拌下自然揮發溶劑形成凝膠體；單羥基七乙烯基多面體齊聚倍半硅氧烷、二（三甲基硅）乙酰胺、二苯基氧膦、3-甲基-2-吡啶酮、4-乙烯基苯甲酸甲酯、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∶0.18∶0.003∶0.55∶0.16∶0.13∶0.26∶15；
（4）在緩沖板下表面復合凝膠體，熱處理得到帶有彈性體的緩沖板，彈性體的厚度為0.5毫米；熱處理工藝為70℃/5min+90℃/12min+110℃/10min；然后在帶有類金剛石碳膜的中空鋁板下表面安裝帶有彈性體的緩沖板，得到帶有磁控濺射類金剛石碳膜結構的鋁型材。
上述帶有磁控濺射類金剛石碳膜結構的鋁型材的散熱能力為純中空鋁型材的87%，消音率為純中空鋁型材的3.2倍，彈性層與緩沖板粘接達到1級，抗彎能力為純中空鋁型材的283%；可用于鋁合金外墻制備。
實施例二
一種帶有磁控濺射類金剛石碳膜結構的鋼型材的制備方法，包括以下步驟：
（1）在中空鋼板上表面制備復數個平行排列的凹槽，每個凹槽貫穿中空鋼板上表面，每個凹槽深度為中空鋼板厚度的40%；然后在凹槽上表面制備氮化鈦層；然后在氮化鈦層上表面制備類金剛石碳膜；氮化鈦層的厚度為0.1微米；所述類金剛石碳膜層的厚度為0.34微米；
（2）在實心鋼板上表面制備復數個埋孔，所有埋孔的面積和為緩沖板上表面積的22%；埋孔的孔徑為1.5毫米；埋孔的深度為緩沖板厚度的55%；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鋼板于1MPa下，80℃加熱5分鐘；接著于120℃加熱8分鐘；自然冷卻后去除鋼板得到緩沖板；所述泡沫前驅體由二硫吡啶碳酸酯、鄰苯二甲腈、碳酸氫鈉、二月桂酸二丁基錫、二異氰酸酯、2,6-二苯基嘧啶-4-酮、丙酮組成；在緩沖板上表面設有四根安裝柱，分布在四角，用于安裝在中空鋼板下表面；二硫吡啶碳酸酯、鄰苯二甲腈、碳酸氫鈉、二月桂酸二丁基錫、二異氰酸酯、2,6-二苯基嘧啶-4-酮、丙酮的質量比為1∶0.08∶0.05∶0.0005∶0.65∶0.15∶6；
（3）將3-甲基-2-吡啶酮、二（三甲基硅）乙酰胺、二苯基氧膦、單羥基七乙烯基多面體齊聚倍半硅氧烷、4-乙烯基苯甲酸甲酯、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；然后攪拌下自然揮發溶劑形成凝膠體；單羥基七乙烯基多面體齊聚倍半硅氧烷、二（三甲基硅）乙酰胺、二苯基氧膦、3-甲基-2-吡啶酮、4-乙烯基苯甲酸甲酯、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∶0.18∶0.005∶0.55∶0.16∶0.13∶0.26∶15；
（4）在緩沖板下表面復合凝膠體，熱處理得到帶有彈性體的緩沖板，彈性體的厚度為0.65毫米；熱處理工藝為70℃/5min+90℃/12min+110℃/10min；然后在帶有類金剛石碳膜的中空鋼板下表面安裝帶有彈性體的緩沖板，得到帶有磁控濺射類金剛石碳膜結構的鋼型材。
上述帶有磁控濺射類金剛石碳膜結構的鋼型材的散熱能力為純中空鋼型材的87%，消音率為純中空鋼型材的2.6倍，彈性層與緩沖板粘接達到1級，抗彎能力為純中空鋼型材的244%；可用于工程車駕駛艙外壁制備。
實施例三
一種帶有磁控濺射類金剛石碳膜結構的不銹鋼型材的制備方法，包括以下步驟：
（1）在中空不銹鋼板上表面制備復數個平行排列的凹槽，每個凹槽貫穿中空不銹鋼板上表面，每個凹槽深度為中空不銹鋼板厚度的30%；然后在凹槽上表面制備氮化鈦層；然后在氮化鈦層上表面制備類金剛石碳膜；氮化鈦層的厚度為0.1微米；所述類金剛石碳膜層的厚度為0.4微米；
（2）在實心不銹鋼板上表面制備復數個埋孔，所有埋孔的面積和為緩沖板上表面積的22%；埋孔的孔徑為1.5毫米；埋孔的深度為緩沖板厚度的60%；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不銹鋼板于1MPa下，90℃加熱3分鐘；接著于130℃加熱12分鐘；自然冷卻后去除鋼板得到緩沖板；所述泡沫前驅體由二硫吡啶碳酸酯、鄰苯二甲腈、碳酸氫鈉、二月桂酸二丁基錫、二異氰酸酯、2,6-二苯基嘧啶-4-酮、丙酮組成；在緩沖板上表面設有四根安裝柱，分布在四角，用于安裝在中空不銹鋼板下表面；二硫吡啶碳酸酯、鄰苯二甲腈、碳酸氫鈉、二月桂酸二丁基錫、二異氰酸酯、2,6-二苯基嘧啶-4-酮、丙酮的質量比為1∶0.08∶0.03∶0.0005∶0.76∶0.15∶5；
（3）將3-甲基-2-吡啶酮、二（三甲基硅）乙酰胺、二苯基氧膦、單羥基七乙烯基多面體齊聚倍半硅氧烷、4-乙烯基苯甲酸甲酯、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；然后攪拌下自然揮發溶劑形成凝膠體；單羥基七乙烯基多面體齊聚倍半硅氧烷、二（三甲基硅）乙酰胺、二苯基氧膦、3-甲基-2-吡啶酮、4-乙烯基苯甲酸甲酯、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∶0.15∶0.003∶0.55∶0.16∶0.12∶0.26∶15；
（4）在緩沖板下表面復合凝膠體，熱處理得到帶有彈性體的緩沖板，彈性體的厚度為0.5毫米；熱處理工藝為70℃/5min+90℃/12min+110℃/10min；然后在帶有類金剛石碳膜的中空不銹鋼板下表面安裝帶有彈性體的緩沖板，得到帶有磁控濺射類金剛石碳膜結構的不銹鋼型材。
上述帶有磁控濺射類金剛石碳膜結構的不銹鋼型材的散熱能力為純中空不銹鋼型材的80%，消音率為純中空不銹鋼型材的3.1倍，彈性層與緩沖板粘接達到1級，抗彎能力為純中空不銹鋼型材的265%；可用于運輸船駕駛艙制備。