耐高溫、高結(jié)合強(qiáng)度的低紅外發(fā)射率復(fù)合涂層及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種可用于合金涂覆的耐高溫、高結(jié)合強(qiáng)度的低紅外發(fā)射率復(fù)合涂層及其制備方法，其由內(nèi)往外依次包括一微晶玻璃涂層組成的擴(kuò)散阻隔層、含Au粉的微晶玻璃涂層組成的低發(fā)射率功能層以及MgO保護(hù)膜。制備時(shí)先將原料粉體混勻，高溫熔煉后淬冷，再球磨、烘干后得到玻璃粉；將有機(jī)載體和玻璃粉混合得到擴(kuò)散阻隔層涂料；將有機(jī)載體、Au粉和玻璃粉混合，球磨后得到低發(fā)射率功能層涂料；在基板上刷涂擴(kuò)散阻隔層涂料，烘干、燒結(jié)得到擴(kuò)散阻隔層；在其上再刷涂低發(fā)射率功能層涂料，烘干、燒結(jié)得到低發(fā)射率功能層；采用磁控濺射方法在低發(fā)射率功能層上制備MgO薄膜，完成復(fù)合涂層制備。本發(fā)明的工藝過程簡單、工藝效率高、產(chǎn)品性能好。
【專利說明】耐高溫、高結(jié)合強(qiáng)度的低紅外發(fā)射率復(fù)合涂層及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于功能涂層材料【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種具有多層疊加結(jié)構(gòu)的耐高溫低紅外發(fā)射率涂層及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]紅外探測器對(duì)目標(biāo)的3μπι?5μπι和8μπι?14μπι波段紅外信號(hào)進(jìn)行收集，再利用目標(biāo)與背景的紅外輻射能量差異通過成像來識(shí)別目標(biāo)。根據(jù)紅外輻射能量差異計(jì)算公式:AW =-CMllTl式中，ε @為目標(biāo)的紅外發(fā)射率，ε背為背景的紅外發(fā)射率，T @
為目標(biāo)的表面溫度，T胃為背景溫度，可以看出，降低目標(biāo)表面溫度能夠使目標(biāo)與背景的輻射強(qiáng)度相近，同時(shí)在高溫部件上涂敷低發(fā)射率功能涂層也是有效措施之一。
[0003]低發(fā)射率功能涂層一般由黏合劑和填料組成，分為有機(jī)體系和無機(jī)體系兩類。有機(jī)體系的低發(fā)射率功能涂層使用溫度不高，耐200°C以上的有機(jī)體系有:改性環(huán)氧體系、有機(jī)硅體系、改性酚醛體系等，但是能在400°C以上工作的有機(jī)涂層幾乎沒有，因此不適合飛行器上苛刻的使用環(huán)境。無機(jī)體系的低發(fā)射率功能涂層使用溫區(qū)更寬，從常溫到900°C之間，但大部分體系在高溫環(huán)境下效果不理想。造成以上缺陷的主要原因，一是由于高溫環(huán)境下性能穩(wěn)定的低發(fā)射率材料少，二是材料在高溫下更易擴(kuò)散而造成功能相性能的惡化。
[0004]目前的耐高溫低發(fā)射率材料研究集中在低發(fā)射率功能材料開發(fā)以及耐高溫黏合齊IJ、填料和添加劑的優(yōu)化兩方面。低發(fā)射率功能材料包括氧化鉛涂層、氧化鉍涂層、磁控濺射制備Ni/Au涂層、高品質(zhì)摻錫氧化銦(ITO)涂層和摻鋁氧化鋅(AZO)涂層等，在常溫環(huán)境下可獲得較低的發(fā)射率，但是在高溫環(huán)境下仍存在涂層間物質(zhì)擴(kuò)散和材料性能不穩(wěn)定等缺陷，導(dǎo)致高溫環(huán)境下涂層發(fā)射率上升。而耐高溫黏合劑(如磷酸鹽玻璃、鎵酸鹽玻璃、氟化物玻璃等)、填料(如Al、Au、Ag等)以及添加劑(如ZnS、ZnSe、GaAs、Ge等)制備的低發(fā)射率功能涂層由于熱失配，易導(dǎo)致涂層附著力差、高溫脫落等現(xiàn)象。
[0005]綜上所述，隨著航空航天技術(shù)的高速發(fā)展，對(duì)飛行器的高溫區(qū)域，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管、中心錐等關(guān)鍵部件的紅外輻射控制變得越來越迫切。因此，設(shè)計(jì)一種具有使用溫度高、性能穩(wěn)定、發(fā)射率低的新型涂層，將具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種可在700°C高溫環(huán)境下連續(xù)使用IOOh以上、發(fā)射率和高溫穩(wěn)定性顯著改善的可用于合金涂覆的耐高溫、高結(jié)合強(qiáng)度的低紅外發(fā)射率復(fù)合涂層，還相應(yīng)提供一種工藝過程簡單、工藝效率高、產(chǎn)品性能好、成本低的低紅外發(fā)射率復(fù)合涂層的制備方法。
[0007]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為一種可用于合金涂覆的耐高溫、高結(jié)合強(qiáng)度的低紅外發(fā)射率復(fù)合涂層，該低紅外發(fā)射率復(fù)合涂層優(yōu)選特別適用于航空航天用K424合金，所述低紅外發(fā)射率復(fù)合涂層為多層疊加結(jié)構(gòu)，所述低紅外發(fā)射率復(fù)合涂層由內(nèi)往外依次包括擴(kuò)散阻隔層、低發(fā)射率功能層以及保護(hù)膜，其中，所述擴(kuò)散阻隔層為ZnO-Al2O3-SiO2微晶玻璃涂層，所述低發(fā)射率功能層為含Au粉的微晶玻璃涂層，所述保護(hù)膜為MgO薄膜。所述低紅外發(fā)射率復(fù)合涂層的各層間是以機(jī)械結(jié)合和化學(xué)鍵合方式連接。
[0008]上述的低紅外發(fā)射率復(fù)合涂層中，優(yōu)選的，所述ZnO-Al2O3-SiO^j晶玻璃涂層中ZnO、Al2O3和SiO2的質(zhì)量配比為31~35: 11~15: 40~44。
[0009]上述的低紅外發(fā)射率復(fù)合涂層中，優(yōu)選的，所述低發(fā)射率功能層中Au粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為48%~55%。
[0010]上述的低紅外發(fā)射率復(fù)合涂層中，優(yōu)選的，所述擴(kuò)散阻隔層的厚度為20μπι~30 μ m，所述低發(fā)射率功能層的厚度為20μπι~30μπι，所述保護(hù)膜的厚度為0.5μπι~I μ m0
[0011]本發(fā)明的上述低紅外發(fā)射率復(fù)合涂層特別基于以下原理和思路:本發(fā)明中首先是基于復(fù)合式涂層功能疊加及優(yōu)勢互補(bǔ)原理，其中的擴(kuò)散阻隔層采用ZnO-Al2O3-SiO2微晶玻璃涂層，高溫時(shí)可以阻止金屬基底的高溫氧化行為以及基底材料與含Au粉涂層之間的擴(kuò)散行為，避免低發(fā)射率功能層性能的惡化；同時(shí)作為匹配層，在優(yōu)選的方案中通過合理調(diào)整ZnO、Al2O3和SiO2的配比，可使低紅外發(fā)射率復(fù)合涂層達(dá)到與基底材料的熱匹配；其中的低發(fā)射率功能層采用含Au粉的微晶玻璃涂層，以確保涂層結(jié)構(gòu)功能相在高溫下的穩(wěn)定性和低發(fā)射率，其高溫黏合劑同樣采用ZnO-Al2O3-SiO2微晶玻璃，這不僅提升了涂層的使用溫度，也提高了低發(fā)射率功能層與擴(kuò)散阻隔層之間的結(jié)合力；另外通過采用MgO薄膜作為保護(hù)膜，可防止含Au粉的涂層在高溫服役時(shí)被污染而導(dǎo)致的發(fā)射率上升。
[0012]作為一個(gè)總的技術(shù)構(gòu)思，本發(fā)明還提供一種上述的低紅外發(fā)射率復(fù)合涂層的制備方法，包括以下步驟:
[0013](I)制備玻璃粉:將包含Zn0、Al203、Si02的各原材料粉體按配比混合均勻，高溫熔煉后使用去離子水進(jìn)行淬冷，再通過球磨(優(yōu)選使用瑪瑙球磨罐)進(jìn)行細(xì)化，球磨轉(zhuǎn)速優(yōu)選為400r/min~500r/min,球磨時(shí)間優(yōu)選為9h~Ilh ;烘干、過篩后即得到粒度均勻的玻璃粉；
[0014](2)配制擴(kuò)散阻隔層涂料:將有機(jī)載體和上述步驟獲得的玻璃粉混合，球磨分散均勻后即得到擴(kuò)散阻隔層涂料；球磨轉(zhuǎn)速優(yōu)選為400r/min~500r/min，球磨時(shí)間優(yōu)選9h ~Ilh ;
[0015](3)配制低發(fā)射率功能層涂料:將有機(jī)載體、Au粉和上述步驟獲得的玻璃粉混合，球磨分散均勻后得到低發(fā)射率功能層涂料；球磨轉(zhuǎn)速優(yōu)選為400r/min~500r/min,球磨時(shí)間優(yōu)選為9h~Ilh ；
[0016](4)制備擴(kuò)散阻隔層:可采用刷涂法在合金基板(優(yōu)選航空航天用K424合金)上均勻刷涂上述步驟獲得的擴(kuò)散阻隔層涂料，烘干后進(jìn)行燒結(jié)處理，獲得所述微米級(jí)厚度的擴(kuò)散阻隔層；
[0017](5)制備低發(fā)射率功能層:可采用刷涂法在上述步驟獲得的擴(kuò)散阻隔層上均勻刷涂上述配制的低發(fā)射率功能層涂料，烘干后進(jìn)行燒結(jié)處理，獲得所述微米級(jí)厚度的低發(fā)射率功能層；
[0018](6)制備保護(hù)膜:采用磁控濺射方法在獲得的低發(fā)射率功能層上制備MgO薄膜，完成低紅外發(fā)射率復(fù)合涂層的制備。[0019]上述的制備方法，所述步驟(1)中，優(yōu)選的，過篩采用的篩網(wǎng)為600目~1000目。
[0020]上述的制備方法，所述步驟(2)中，優(yōu)選的，所述有機(jī)載體主要是由丁基卡必醇、檸檬酸三丁酯、羥乙基纖維素、蔗糖酯、聚山梨酯和曲拉通X-100按1: 0.14~
0.16: 0.016~0.017: 0.04~0.05: 0.02: 0.012的質(zhì)量比進(jìn)行混合，所述有機(jī)載體和玻璃粉混合時(shí)的質(zhì)量比控制為1: (1.8~2.3)。
[0021]上述的制備方法，所述步驟(3)中，優(yōu)選的，所述有機(jī)載體、Au粉和玻璃粉混合時(shí)的質(zhì)量比控制為1: (0.6~0.65): (0.5~0.7);且Au粉的平均粒徑≤2 μ m。
[0022]上述的制備方法，所述步驟(4)和步驟(5)中，優(yōu)選的，刷涂的次數(shù)均為20次~30次，烘干溫度控制在150°C~250°C，烘干時(shí)間控制在IOmin左右，燒結(jié)處理時(shí)的升溫速率控制為15°C /min~20°C /min,燒結(jié)處理溫度控制在850°C,燒結(jié)保溫時(shí)間控制在IOmin~25min。
[0023]上述的制備方法，所述步驟(6)中，優(yōu)選的，采用磁控濺射的方法制備MgO薄膜的過程中，O2的工作氣壓為IPa~3Pa，Mg靶材純度為99.95 %，MgO鍍層的厚度為0.5 μ m~I μ m0
[0024]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0025]1、本發(fā)明的耐高溫低發(fā)射率涂層采用多層疊加結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可在700°C高溫環(huán)境下連續(xù)使用IOOh以上，發(fā) 射率均小于0.2，較目前耐高溫黏合劑、填料以及添加劑制備組成的涂層高溫穩(wěn)定性和發(fā)射率有顯著改善。
[0026]2、本發(fā)明的耐高溫低發(fā)射率涂層適用范圍廠，通過合理調(diào)整擴(kuò)散阻隔層中Si02、A1203、ZnO的配比可改變擴(kuò)散阻隔層的熱膨脹系數(shù)，有效改善耐高溫涂料脫落現(xiàn)象。
[0027]3、本發(fā)明的耐高溫低發(fā)射率涂層，擴(kuò)散阻隔層及低發(fā)射率功能層的高溫黏合劑均使用ZnO-Al2O3-SiOJi晶玻璃，使用溫度高，層間結(jié)合力強(qiáng)。此外，微晶玻璃涂層形成致密的擴(kuò)散阻隔層，一方面阻止了基底金屬材料與低發(fā)射率功能層之間的高溫?cái)U(kuò)散，另一方面阻止了基底金屬材料的高溫氧化行為，較傳統(tǒng)的單層低發(fā)射率功能層更穩(wěn)定，能在高溫環(huán)境下長時(shí)間使用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1為本發(fā)明實(shí)施例中低紅外發(fā)射率復(fù)合涂層的截面示意圖。
[0029]圖2為本發(fā)明實(shí)施例1中低紅外發(fā)射率復(fù)合涂層表面的實(shí)物照片。
[0030]圖3為本發(fā)明實(shí)施例1中低紅外發(fā)射率復(fù)合涂層實(shí)物在700°C下3 μ m~5 μ m的發(fā)射率與時(shí)間的關(guān)系圖。
[0031]圖例說明:
[0032]1、基底材料；2、擴(kuò)散阻隔層；3、低發(fā)射率功能層；4、保護(hù)膜。
【具體實(shí)施方式】
[0033]為了便于理解本發(fā)明，下文將結(jié)合說明書附圖和較佳的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作更全面、細(xì)致地描述，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于以下具體的實(shí)施例。
[0034]除非另有定義，下文中所使用的所有專業(yè)術(shù)語與本領(lǐng)域技術(shù)人員通常理解的含義相同。本文中所使用的專業(yè)術(shù)語只是為了描述具體實(shí)施例的目的，并不是旨在限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0035]除有特別說明，本發(fā)明中用到的各種試劑、原料均為可以從市場上購買的商品或者可以通過公知的方法制得的產(chǎn)品。
[0036]實(shí)施例1:
[0037]—種如圖1和圖2所示本發(fā)明的用于合金涂覆的耐高溫、高結(jié)合強(qiáng)度的低紅外發(fā)射率復(fù)合涂層，該低紅外發(fā)射率復(fù)合涂層適用于航空航天用K424合金，該低紅外發(fā)射率復(fù)合涂層為三層疊加結(jié)構(gòu)，其由內(nèi)往外依次包括擴(kuò)散阻隔層2、低發(fā)射率功能層3以及保護(hù)膜4，其中，擴(kuò)散阻隔層2為ZnO-Al2O3-SiO2微晶玻璃涂層，低發(fā)射率功能層3為含Au粉的微晶玻璃涂層，保護(hù)膜4為MgO薄膜。該低紅外發(fā)射率復(fù)合涂層涂敷在K424高溫合金板制作的基底材料I上。本實(shí)施例的低紅外發(fā)射率復(fù)合涂層中，ZnO-Al2O3-SiO2微晶玻璃涂層中ZnO、Al2O3和SiO2的質(zhì)量配比為35: 11: 44。低發(fā)射率功能層中Au粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為54.5%。本實(shí)施例中，擴(kuò)散阻隔層2的厚度為30 μ m，低發(fā)射率功能層3的厚度為20 μ m，保護(hù)膜4的厚度為I μ m。
[0038]本實(shí)施例中低紅外發(fā)射率復(fù)合涂層的制備方法包括以下步驟:
[0039](I)制備玻璃粉:將包含ZnO、A1203、SiO2的各原材料粉體按以下質(zhì)量分?jǐn)?shù)配比混合均勻，裝入剛玉坩堝中，再置于馬弗爐中在1550°C下保溫3h，高溫熔煉后使用去離子水進(jìn)行淬冷得到玻璃渣，再將玻璃渣置于瑪瑙球磨罐中，以無水乙醇作為球磨介質(zhì)，球料比3: 1，轉(zhuǎn)速450r/min，球磨時(shí)間10h，通過球磨進(jìn)行細(xì)化，球磨完成后將玻璃粉烘干，并采用600目的分樣篩進(jìn)行過篩處理，得到粒度均勻的玻璃粉；
[0040]各原材料粉體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)配比如下:
[0041]
【權(quán)利要求】
1.一種可用于合金涂覆的耐高溫、高結(jié)合強(qiáng)度的低紅外發(fā)射率復(fù)合涂層，所述低紅外發(fā)射率復(fù)合涂層為多層疊加結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述低紅外發(fā)射率復(fù)合涂層由內(nèi)往外依次包括擴(kuò)散阻隔層、低發(fā)射率功能層以及保護(hù)膜，其中，所述擴(kuò)散阻隔層為ZnO-Al2O3-SiO2微晶玻璃涂層，所述低發(fā)射率功能層為含Au粉的ZnO-Al2O3-SiO2微晶玻璃涂層，所述保護(hù)膜為MgO薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低紅外發(fā)射率復(fù)合涂層，其特征在于:所述ZnO-Al2O3-SiO2微晶玻璃涂層中Zn0、Al203、Si02的質(zhì)量比為31~35: 11~15: 40~44。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低紅外發(fā)射率復(fù)合涂層，其特征在于:所述低發(fā)射率功能層中Au粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為48%~55%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的低紅外發(fā)射率復(fù)合涂層，其特征在于:所述擴(kuò)散阻隔層的厚度為20 μ m~30 μ m，所述低發(fā)射率功能層的厚度為20 μ m~30 μ m，所述保護(hù)膜的厚度為0.5 μ m~I μ m。
5.—種如權(quán)利要求1~4中任一項(xiàng)所述的低紅外發(fā)射率復(fù)合涂層的制備方法,包括以下步驟: (1)將包含ZnO、A1 203、SiO2的各原材料粉體混合均勻，高溫熔煉后使用去離子水進(jìn)行淬冷，再通過球磨進(jìn)行細(xì)化，烘干、過篩后即得到粒度均勻的玻璃粉； (2)將有機(jī)載體和上述步驟獲得的玻璃粉混合，球磨分散均勻后即得到擴(kuò)散阻隔層涂料； (3)將有機(jī)載體、Au粉和上述步驟獲得的玻璃粉混合，球磨分散均勻后得到低發(fā)射率功能層涂料； (4)在合金基板上均勻刷涂上述步驟獲得的擴(kuò)散阻隔層涂料，烘干后進(jìn)行燒結(jié)處理，獲得微米級(jí)厚度的擴(kuò)散阻隔層； (5)在上述步驟獲得的擴(kuò)散阻隔層上均勻刷涂上述獲得的低發(fā)射率功能層涂料，烘干后進(jìn)行燒結(jié)處理，獲得微米級(jí)厚度的低發(fā)射率功能層； (6)采用磁控濺射方法在獲得的低發(fā)射率功能層上制備MgO薄膜，完成低紅外發(fā)射率復(fù)合涂層的制備。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于:所述步驟(1)中，211031203、5102在混合時(shí)的質(zhì)量比為31~35: 11~15: 40~44，所述過篩采用的篩網(wǎng)為600目~1000目。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于:所述步驟(2)中，所述有機(jī)載體主要是由丁基卡必醇、檸檬酸三丁酯、羥乙基纖維素、蔗糖酯、聚山梨酯和曲拉通X-100按I: 0.14 ~0.16: 0.016 ~0.017: 0.04 ~0.05: 0.02: 0.012 的質(zhì)量比進(jìn)行混合，所述有機(jī)載體和玻璃粉混合時(shí)的質(zhì)量比控制為1: (1.8~2.3)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于:所述步驟(3)中，所述有機(jī)載體、Au粉和玻璃粉混合時(shí)的質(zhì)量比控制為1: (0.6~0.65): (0.5~0.7);且Au粉的平均粒徑≤2 μ m。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于:所述步驟(4)和步驟(5)中，刷涂的次數(shù)均為20次~30次，烘干溫度控制在150°C~250°C，燒結(jié)處理時(shí)的升溫速率控制為15°C /min~20°C /min，燒結(jié)處理溫度控制在850°C，燒結(jié)保溫時(shí)間控制在IOmin~25min。
【文檔編號(hào)】C23C14/08GK103963380SQ201410173870
【公開日】2014年8月6日 申請(qǐng)日期:2014年4月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月28日
【發(fā)明者】李俊生, 程海峰, 周永江, 劉海韜, 童思超 申請(qǐng)人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)