低紅外發(fā)射率涂層的力學(xué)性能研究解析

1、第18卷第6期2010年12月材料科學(xué)與工藝MATERIALS SCIENCE TECHNOLOGYVol. 18No. 62010Dec，低紅外發(fā)射率涂層的力學(xué)性能研究陳慧敏，王雅君，徐國躍，余慧娟，邵春明，胡(南京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，南京211100晨摘要:以鋁粉為主要填料，以環(huán)氧改性有機(jī)硅樹脂為粘合劑，制備了發(fā)射率低至0. 10的環(huán)氧有機(jī)硅低紅外發(fā)射率涂層研究了分散劑、滑石粉和固化溫度對涂層力學(xué)性能的影響，并對其在涂料中的作用機(jī)理進(jìn)行了探討結(jié)果表明，當(dāng)滑石粉的質(zhì)量加入量為2%、分散劑的加入量為2%、熱處理溫度為200C 時(shí)，制得的涂層能在保持低紅外發(fā)射率的同時(shí)具有最佳的力學(xué)性

2、能關(guān)鍵詞:紅外發(fā)射率; 涂層; 力學(xué)性能; 鋁粉; 環(huán)氧改性有機(jī)硅中圖分類號:TQ324. 2; TQ323. 5文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號:10050299(2010 06087305Study on the mechanical properties of low infrared emissivity coatingsCHEN Hui-min ，WANG Ya-jun ，XU Guo-yue ，YU Hui-juan ，SHAO Chun-ming ，HU Chen(College of Material Science and Technology ，Nanjing University

3、of Aeronautics Astronautics ，Nanjing 211100，China Abstract :Low infrared emissivity coatings were prepared by epoxy-modified silicone and aluminum as adhe-sives and inorganic paint ，of which the lowest emissivity value is 010at the wavelength of 8 14mThe in-fluence of the content of dispersant ，talc

4、um powder and curing temperature on the impact strength ，flexility and adhesion of the coatings were systematically investigatedMoreover ，the mechanism of the mechanical properties of coatings was studiedThese results showed that the mechanical properties reached to the maxi-mum value when the conte

5、nt of dispersant was 2wt%，the content of talcum powder was 2wt%and the cu-ring temperature was 200C ，and the coatings kept the low infrared emissivityKey words :infrared emissivity ; coating ; mechanical properties ; aluminum ; epoxy-modified silicone 20世紀(jì)70年代以來，隨著紅外探測器的廣泛應(yīng)用及圖像處理過程的日益精確，紅外隱身技術(shù)作為提高目標(biāo)

6、生存能力和戰(zhàn)斗力的重要因素，14紅外隱身技術(shù)措施引起了各國的高度重視大致可概括為:改變紅外輻射波段、降低紅外輻射56在強(qiáng)度、調(diào)節(jié)紅外輻射的傳輸過程三個(gè)方面目標(biāo)表面涂敷熱紅外隱身涂料可以降低目標(biāo)的紅外輻射強(qiáng)度，而低發(fā)射率涂料的研究是熱紅外隱身涂料研究的關(guān)鍵和難點(diǎn)78，并進(jìn)一步研究了能在高溫下使用的低發(fā)射率涂料，認(rèn)為將其作為目標(biāo)保護(hù)涂料將獲得技術(shù)良好的紅外隱身效果; 然而此類低紅外發(fā)射率涂層體系因其高的填料填充比，普遍存在著涂層力14學(xué)性能較差的問題因此，在保證涂層低紅外發(fā)射率的前提下，如何提高涂層的力學(xué)性能，特別1113是耐高溫低發(fā)射率涂料的力學(xué)性能，將會(huì)成為今后低紅外發(fā)射率涂料研究的重點(diǎn)本文通

7、過選用耐高溫的環(huán)氧有機(jī)硅樹脂為粘合劑，以Al 粉為填料，采用不同配方工藝制備了具有低紅外發(fā)射率的涂層，并研究了分散劑、滑石粉和固化溫度等因素對涂層力學(xué)性能的影響，從而確定具有優(yōu)良力學(xué)性能低紅外發(fā)射率涂料的最佳配方工藝低紅外發(fā)射率涂料的研制是紅外隱身涂料發(fā)展的一大難點(diǎn)，眾多科研工作者在此方面進(jìn)行了910課題組曾經(jīng)報(bào)道了在8 大量的研究工作14m 波段紅外發(fā)射率低至0. 10的涂料的制備收稿日期:20090829作者簡介:陳慧敏(1985 ，女，碩士研究生11. 1實(shí)驗(yàn)散劑1. 2涂料配方設(shè)計(jì)的具體配方工藝見表1表1樣品1#2#3#4#5#6#7#8#9#10#11#12#13#14#15#16#

8、粘合劑有機(jī)硅有機(jī)硅有機(jī)硅有機(jī)硅環(huán)氧改性有機(jī)硅環(huán)氧改性有機(jī)硅環(huán)氧改性有機(jī)硅環(huán)氧改性有機(jī)硅環(huán)氧改性有機(jī)硅環(huán)氧改性有機(jī)硅環(huán)氧改性有機(jī)硅環(huán)氧改性有機(jī)硅環(huán)氧改性有機(jī)硅環(huán)氧改性有機(jī)硅環(huán)氧改性有機(jī)硅環(huán)氧改性有機(jī)硅實(shí)驗(yàn)原料環(huán)氧改性有機(jī)硅; 有機(jī)硅; Al 粉; 滑石粉; 分試驗(yàn)用涂料配方分散劑含量(wt%00000000125102222滑石粉含量(wt%00000000000012510溫度(o C 80200300400802003004002002002002002002002002001. 3涂層的制備首先進(jìn)行基板預(yù)處理:砂紙打磨水洗超聲清洗水洗烘干然后選用環(huán)氧改性有機(jī)硅為粘合劑，加入填料鋁粉、分散劑

9、、滑石粉，混合攪拌，超聲波震蕩提高分散度，加入溶劑調(diào)節(jié)其粘度涂層的低紅外發(fā)射率最好是通過調(diào)節(jié)填料百1213最后采用噴涂分含量制得，具體參見文獻(xiàn)法將涂料涂覆于基板上，室溫固化24h ，之后分別200 下8h 、300 下5h 、400置于80 下12h 、 下2h ，測試涂層紅外發(fā)射率保持在0. 101. 4測試與表征采用中科院上海技術(shù)物理研究所研制的IR2雙波段發(fā)射率測量儀測量涂層在8 14m 波段的紅外發(fā)射率用荷蘭Quanta200掃描電子顯微鏡對樣品形貌進(jìn)行表征采用美國PE 公司Spectrum GX III 型傅里葉變換紅外光譜儀測試樣品的紅外吸收按GB /T173293，采用漆膜沖擊力

10、實(shí)驗(yàn)儀測量涂層沖擊力; 按GB /T172089，采用漆膜附著力實(shí)驗(yàn)儀測量涂層附著力; 按GB /T173193進(jìn)行涂層柔韌性測試22. 1結(jié)果與討論粘合劑對涂層力學(xué)性能的影響圖1為有機(jī)硅及環(huán)氧改性有機(jī)硅在不同固 化圖1不同固化溫度下有機(jī)硅(a 及環(huán)氧改性有機(jī)硅(b 涂層的力學(xué)性能溫度下涂層的力學(xué)性能的變化曲線從圖1可見，在相同的熱處理溫度下，與選用有機(jī)硅作基料的涂層相比，選用環(huán)氧有機(jī)硅樹脂作為基料的涂層的柔韌性、附著力和抗沖擊性能明顯更好這是因?yàn)橛袡C(jī)硅樹脂雖然具有優(yōu)異的熱氧穩(wěn)定性，但其機(jī)械強(qiáng)度低，與金屬基材的附著力差，成型工1516而環(huán)氧有機(jī)硅樹脂在保持有機(jī)硅良藝性差其改性過程中加入的環(huán)氧好

11、的熱穩(wěn)定性的同時(shí)，樹脂分子結(jié)構(gòu)中的醚鍵提供了良好的耐化學(xué)性，羥基等極性基團(tuán)提供了很好的附著性能，苯環(huán)結(jié)構(gòu)亦提供了耐高溫性能和剛性，且環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)中剛性的苯環(huán)與柔性的烴鏈交替排列，使涂層堅(jiān)硬而柔韌，因此環(huán)氧有機(jī)硅耐高溫涂層具有更好的柔韌性、附著力和耐沖擊性能2. 2熱處理溫度對涂層性能的影響從圖1可以看出，隨著熱處理溫度的升高，涂層的柔韌性、附著力和沖擊強(qiáng)度先增加后減小，當(dāng)熱處理溫度為200C 時(shí)，涂層的力學(xué)性能獲得最佳值，并且涂層的發(fā)射率達(dá)到0. 1圖2是不同熱處理溫度下環(huán)氧改性有機(jī)硅低紅外發(fā)射率涂層的SEM 圖隨熱處理溫度升高，涂層中環(huán)氧改性有機(jī)硅逐漸進(jìn)行交聯(lián)固化反應(yīng)，使得涂層中填料粒子結(jié)合

12、緊密，涂層交聯(lián)固化度增加，促使形成的涂層更加致密牢固，附著力、柔韌性及耐沖擊性能提升，但當(dāng)超過一定溫度后，粘合劑主鏈Si 原子上有機(jī)基團(tuán)發(fā)生裂解，如羥基、苯環(huán)等在高溫下分解17成氣體，導(dǎo)致涂層的力學(xué)性能降低由圖2可知，當(dāng)涂層熱處理溫度為200C 時(shí)(圖2b 涂層中填料粒子緊密結(jié)合，涂層最致密，涂層具有最佳力學(xué)性能; 但是當(dāng)熱處理溫度升高(大于300C ，如圖2c 所示，由于高溫下溶劑揮發(fā)和樹脂基體的部分分解，填料粒子與粒子的結(jié)合不夠緊密，有縫隙，涂層的力學(xué)性能隨之變差; 當(dāng)熱處理溫度為400C 時(shí)，如圖2d 所示，涂層出現(xiàn)明顯的裂痕，涂層的沖擊強(qiáng)度和柔韌性急劇變差，同時(shí)附著力也2知，略微變差結(jié)

13、合圖1、當(dāng)熱處理溫度為200C 時(shí)涂層具有最佳的力學(xué)性能 圖2不同固化溫度環(huán)氧改性有機(jī)硅涂層的SEM 圖:(a 80 ; (b 200 ; (c 300 ; (d 4002. 3分散劑對涂層性能的影響圖3為分散劑用量對環(huán)氧改性有機(jī)硅低紅外而下降當(dāng)分散劑的用量為2. 0wt%時(shí)，涂層的力學(xué)性能最好對添加分散劑前后涂層進(jìn)行了SEM 分析，如圖4所示對比于未加分散劑的涂b ，d 可以看出2. 0wt%分散層(圖4a 、由圖4c 、劑加入到涂層后涂層中填料粒子均勻分散，潤濕性增強(qiáng)，使涂層體系的致密性進(jìn)一步提高涂層分散劑的最佳用量可通過測試涂料粘度來證實(shí)隨著分散劑的逐漸加入，填料顆粒被分散、穩(wěn)定，使得顆

14、粒之間充滿流動(dòng)介質(zhì)，宏觀上表現(xiàn)為涂料體系粘度的降低，粘度最低時(shí)即是分散劑的最佳用量分散劑用量與涂料粘度的關(guān)系如圖5所示由圖5可看出，分散劑的加入使得涂料體系粘度顯著降低，既有效分散了填料并穩(wěn)定了體系，而且有助于改善涂料的流動(dòng)性能分散劑用涂料體系的粘度最低，此時(shí)鋁量約為2wt%時(shí)，粉粒子被完全潤濕，周圍全部被潤濕的流動(dòng)介質(zhì)包圍當(dāng)繼續(xù)增加分散劑的用量時(shí)，涂料粘度反而有所升高，這是由于當(dāng)分散劑過多時(shí)，過量的分散劑分子間形成了尾尾連接的吸附層，在填料粒子發(fā)射率涂層力學(xué)性能的影響分散劑的添加量相對較少，因而不會(huì)影響涂層的發(fā)射率，調(diào)節(jié)鋁粉用當(dāng)分量保持涂層發(fā)射率在0. 1從圖3可以看出，散劑添加量在0. 0

15、wt% 2. 0wt%范圍時(shí)，隨著添加量的增加，涂層的柔韌性、沖擊強(qiáng)度和附著力逐漸增加; 而添加量在2. 0wt% 3. 0wt%范圍時(shí)，隨著添加量的增加，涂層的力學(xué)性能反而有所降低這主要是因?yàn)榉稚┑募尤肟墒箞F(tuán)聚的鋁粉粒子分散開，增加了環(huán)氧有機(jī)硅粘合劑和填料鋁粉之間的親和力，填料/粘合劑界面作用增加當(dāng)分散劑的加入量較少時(shí)，不足以將鋁粉充分分散均勻，形成的涂層不夠均一、緊密，涂層力學(xué)性能較差; 而分散劑用量增加至過量時(shí)，分散劑在填料粒子表面已達(dá)到飽和吸附，有過量的分散劑存在于體系中，導(dǎo)致離子強(qiáng)度過高，壓縮雙電層，減少了顆粒間的靜電斥力，同時(shí)過量的分散劑分子鏈之間容易發(fā)生橋連作用或空缺絮凝，反而

16、使得分散效果變差，粘度又有所升高，涂層力學(xué)性能反 表面形成過多的液體橋架，大量分散劑在填料鋁粉表面形成單分子層的包覆，反而使得分散效果變差，粘度又有所升高由此可知2. 0wt%分散劑用量最佳2. 4滑石粉對涂層性能的影響圖6是滑石粉添加量對環(huán)氧改性有機(jī)硅涂層力學(xué)性能的影響可以看出:隨著滑石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，涂層的柔韌性、附著力和沖擊強(qiáng)度逐漸增加這是因?yàn)榛劬哂性鲰g的作用，由于少量的滑石粉并不以分散相形式直接分散在涂層內(nèi)，而是在涂層交聯(lián)固化時(shí)作為交聯(lián)中心使其分散更細(xì)小，更均勻，使柔韌性有所提高; 且片狀填料滑石粉能提高漆膜的撓曲剛度，從而提高漆膜附著力; 同時(shí)滑石粉會(huì)與環(huán)氧有機(jī)硅樹脂官能團(tuán)發(fā)生

17、化學(xué)18反應(yīng)，形成新的硅氧鍵，從而提高涂層沖擊性能但是當(dāng)滑石粉增加到一定量時(shí)，涂層的力學(xué)性能反而下降，這是由于滑石粉其吸油量大，會(huì)使涂料的粘度增加很快，高粘度降低涂料在基材表面的流動(dòng)性和滲入性，從而降低附著力，致使涂層強(qiáng)度差，抗沖擊性能反而降低且滑石粉用量過大，其分布不均或者粒徑過大使其成為應(yīng)力集中點(diǎn)，圖3分散劑用量對環(huán)氧改性有機(jī)硅涂層力學(xué)性能的影響因而柔韌性會(huì)有所降低所以滑石粉的用量應(yīng)得當(dāng)才能有效提高各方面性能從圖6可知，滑石粉的含量為2wt%時(shí)，涂層具有較好的力學(xué)性能 圖4環(huán)氧改性有機(jī)硅涂層的SEM 圖脂為粘合劑，通過優(yōu)化配方制備了發(fā)射率低至0. 10的具有優(yōu)良力學(xué)性能的低紅外發(fā)射率涂層當(dāng)

18、粘合劑為環(huán)氧改性有機(jī)硅樹脂、分散劑的加入量為2. 0%、滑石粉的加入量為2. 0%、固化溫度制得的涂層能在保持低紅外發(fā)射率為200C 時(shí)，的同時(shí)具有最佳的力學(xué)性能:涂層附著力一級，耐沖擊性能50kg ·cm ，柔韌性埽玻恚? ，能在200C 下長期使用，認(rèn)為較好實(shí)現(xiàn)了紅外隱身涂圖5分散劑用量對環(huán)氧改性有機(jī)硅涂料粘度的影響4結(jié)論層低發(fā)射率性能與工程應(yīng)用性能兼容性2 研究分析了分散劑、滑石粉和固化溫度對涂層附著力、沖擊強(qiáng)度及柔韌性的影響及作用機(jī)理，隨著分散劑和滑石粉含量的增加，涂層熱處理溫度的增加，涂層的力學(xué)性能都呈現(xiàn)出先升高后1 以鋁粉為主要填料，以環(huán)氧改性有機(jī)硅樹降低的趨勢 5游毓聰

19、，杜仕國，等紅外隱身涂料黏合劑的應(yīng)用與J 特種涂料與涂裝，2006，50(7 :5054研究6宋興華，於定華，等涂料型紅外隱身材料研究進(jìn)展J 紅外技術(shù)，2004，26(2 :9127LIN Bao ping ，LIU Hong jian ，ZHANG Shi xian ，etal Structure and infrared emissivity of silicon contai-ning polyimide /BaTiO3nanocomposite films J Journal Of Solid State Chemistry ，2004，177(10 :38498謝國華，吳瑞彬，吳伶芝

20、紅外隱身材料的現(xiàn)狀與展J 宇航材料工藝，2001，(4 :510望9程從亮8 14m 低發(fā)射率紅外隱身涂料研究D 2005南京:南京工業(yè)大學(xué)，10劉永峙，韓愛軍，李校遠(yuǎn)紅外隱身材料的研究現(xiàn)狀J 材料導(dǎo)報(bào)，2004，18(2 :216218與發(fā)展方向11YU Hui juan ，XU Guo yue ，SHEN Xing mei ，et alLow infrared emissivity of polyurethane /Cucomposite coatings J Applied Surface Science ，2009，255:607712邵春明，徐國躍，余慧娟，等改性三元乙丙橡膠用宇航材

21、料工藝，2008，于紅外隱身涂層的研究J 3:626513余慧娟，徐國躍，沈軒，等8 14m 波段低發(fā)射率J 兵器材料科學(xué)與工程，涂料的制備與優(yōu)化研究2008，31(6 :495214黃大慶，王智永，劉俊能偶聯(lián)劑對吸波涂層力學(xué)性材料工程，能的影響及其作用機(jī)理的研究J 1999，28(9 :283115袁立新，狄志剛，傅敏，等常溫固化耐高溫環(huán)氧改J 上海涂料，性有機(jī)硅聚氨酯防腐蝕涂料的研制2005，43(11 :3516ANANDA KUMAR S ，SANKARA NARAYANAN T SNThermal properties of siliconized epoxy interpenetra-ting coatings J Progress In Organic Coatings ，2002，45(4 :32317HU Chen ，XU Guo yue ，SHEN Xing meiPrepara-tion and characteristics of thermal resistance polysilox-ane /Alcomp