一种氮化硅陶瓷基材表面高反射防激光膜层的制备方法
阅读说明：本技术 一种氮化硅陶瓷基材表面高反射防激光膜层的制备方法 (Preparation method of high-reflection anti-laser film layer on surface of silicon nitride ceramic substrate ) 是由 朱嘉琦 汪新智 程珙 宋志超 刘颖 白一杰 杨磊 胡梦玥 任建华 于 2020-12-30 设计创作，主要内容包括：一种氮化硅陶瓷基材表面高反射防激光膜层的制备方法,它涉及一种高反射防激光膜层的制备方法。本发明要解决现有氮化硅材料对于激光吸收率较高,会产生大量的热量,造成结构破坏的问题。制备方法：一、氮化硅陶瓷表面预处理；二、氧化钛纳米浆料的配制；三、氧化钛涂层的制作。本发明用于氮化硅陶瓷基材表面高反射防激光膜层的制备。(A preparation method of a high-reflection laser-proof film layer on the surface of a silicon nitride ceramic substrate relates to a preparation method of a high-reflection laser-proof film layer. The invention aims to solve the problem that the existing silicon nitride material has high laser absorptivity and can generate a large amount of heat to cause structural damage. The preparation method comprises the following steps: firstly, pretreating the surface of silicon nitride ceramic; secondly, preparing titanium oxide nano slurry; and thirdly, manufacturing the titanium oxide coating. The preparation method is used for preparing the high-reflection laser-proof film layer on the surface of the silicon nitride ceramic substrate.)
技术领域
本发明涉及一种高反射防激光膜层的制备方法。
背景技术
随着航空航天技术的发展，要求透波材料在更宽的频带具有良好稳定的透波性能，更好的抗热冲击性能和更优秀的耐候性能，国内外对高温透波材料进行了深入的研究。其中氮化硅陶瓷料具有共价键力强，热膨胀系数低(2.35×10-6/K)，抗氧化温度高等优势成为研究热点。近年来，随着大功率激光器的研制成功，激光武器发展迅速。激光武器会对材料造成热破坏、力学破坏和辐射破坏。普通的氮化硅材料对于激光吸收率较高，会产生大量的热量，造成结构破坏。
发明内容
本发明要解决现有氮化硅材料对于激光吸收率较高，会产生大量的热量，造成结构破坏的问题，而提供一种氮化硅陶瓷基材表面高反射防激光膜层的制备方法。
一种氮化硅陶瓷基材表面高反射防激光膜层的制备方法，它是按以下步骤完成的：
一、氮化硅陶瓷表面预处理：
将氮化硅陶瓷清洗并干燥，得到预处理后的氮化硅陶瓷；
二、氧化钛纳米浆料的配制：
将纳米二氧化钛、丙烯酸树脂及丙酮混合，在转速为500r/min～1000r/min的条件下，磁力搅拌1h～2h，得到浆料，在功率为500W～1000W的条件下，将浆料通过水浴超声振荡1h～2h，然后将振荡后的浆料置于细胞破碎仪中，在探头功率为1000W～1200W的条件下，探头超声振荡3min～5min，得到氧化钛纳米浆料；
所述的纳米二氧化钛与丙烯酸树脂的质量比为1:(100～200)；所述的纳米二氧化钛与丙酮的质量比为1:(500～1000)；
三、氧化钛涂层的制作：
①、在压强为8bar～10bar的条件下，通过高压冷喷涂方法，将氧化钛纳米浆料喷涂于预处理后的氮化硅陶瓷表面，喷涂时间为10s～30s，涂层厚度为1μm～2μm，喷涂结束后，置于常温真空箱中干燥8h～10h；
②、重复步骤三①4次～8次，得到表面设有高反射防激光膜层的氮化硅陶瓷基材。
本发明的有益效果是：
氮化硅陶瓷在微观上具有多孔结构，表面粗糙度较大，正常工艺工程难以实现在其表面均匀镀膜，并且膜层容易脱落。本发明通过添加丙烯酸树脂强化了二氧化钛纳米浆料的结合性能，一方面丙烯酸树脂具有保光保色性，耐水耐化学性等稳定的物理化学特性，并且具有良好的粘附性，另一方面纳米二氧化钛在可见光范围内具有较强的反射性，保证了本发明中使用的氧化钛纳米浆料能够实现激光反射的功能。此外，本发明通过表面预处理，清除了氮化硅陶瓷表面杂质及非亲基团，进一步通过高压冷喷涂的方法，保证了二氧化钛在喷涂过程的分散性，强化了二氧化钛纳米颗粒与基底结合，实现了二氧化钛纳米颗粒在氮化硅基底的均匀沉积，提高了表面平整度，增强了结构对可见光的反射率。
本发明在氮化硅陶瓷表面获得了厚度均匀，性能稳定的氧化钛涂层，陶瓷表面对入射光(532nm波长)的反射率由<10％提升至>70％。
本发明用于一种氮化硅陶瓷基材表面高反射防激光膜层的制备方法。
附图说明
图1为未进行任何处理的氮化硅陶瓷实物图；
图2为实施例一制备的表面设有高反射防激光膜层的氮化硅陶瓷基材实物图；
图3为未进行任何处理的氮化硅陶瓷的反射率图；
图4为实施例一制备的表面设有高反射防激光膜层的氮化硅陶瓷基材的反射率图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式一种氮化硅陶瓷基材表面高反射防激光膜层的制备方法，它是按以下步骤完成的：
一、氮化硅陶瓷表面预处理：
将氮化硅陶瓷清洗并干燥，得到预处理后的氮化硅陶瓷；
二、氧化钛纳米浆料的配制：
将纳米二氧化钛、丙烯酸树脂及丙酮混合，在转速为500r/min～1000r/min的条件下，磁力搅拌1h～2h，得到浆料，在功率为500W～1000W的条件下，将浆料通过水浴超声振荡1h～2h，然后将振荡后的浆料置于细胞破碎仪中，在探头功率为1000W～1200W的条件下，探头超声振荡3min～5min，得到氧化钛纳米浆料；
所述的纳米二氧化钛与丙烯酸树脂的质量比为1:(100～200)；所述的纳米二氧化钛与丙酮的质量比为1:(500～1000)；
三、氧化钛涂层的制作：
①、在压强为8bar～10bar的条件下，通过高压冷喷涂方法，将氧化钛纳米浆料喷涂于预处理后的氮化硅陶瓷表面，喷涂时间为10s～30s，涂层厚度为1μm～2μm，喷涂结束后，置于常温真空箱中干燥8h～10h；
②、重复步骤三①4次～8次，得到表面设有高反射防激光膜层的氮化硅陶瓷基材。
本实施方式的有益效果是：
氮化硅陶瓷在微观上具有多孔结构，表面粗糙度较大，正常工艺工程难以实现在其表面均匀镀膜，并且膜层容易脱落。本实施方式通过添加丙烯酸树脂强化了二氧化钛纳米浆料的结合性能，一方面丙烯酸树脂具有保光保色性，耐水耐化学性等稳定的物理化学特性，并且具有良好的粘附性，另一方面纳米二氧化钛在可见光范围内具有较强的反射性，保证了本发明中使用的氧化钛纳米浆料能够实现激光反射的功能。此外，本实施方式通过表面预处理，清除了氮化硅陶瓷表面杂质及非亲基团，进一步通过高压冷喷涂的方法，保证了二氧化钛在喷涂过程的分散性，强化了二氧化钛纳米颗粒与基底结合，实现了二氧化钛纳米颗粒在氮化硅基底的均匀沉积，提高了表面平整度，增强了结构对可见光的反射率。
本实施方式在氮化硅陶瓷表面获得了厚度均匀，性能稳定的氧化钛涂层，陶瓷表面对入射光(532nm波长)的反射率由<10％提升至>70％
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述的清洗是在超声功率为500W～1000W的条件下，置于丙酮中超声清洗1h～2h，然后在超声功率为500W～1000W的条件下，置于酒精中超声清洗1h～2h，最后在超声功率为500W～1000W的条件下，置于去离子水中超声清洗1h～2h。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同的是：步骤一中所述的干燥是在温度为60℃～100℃的条件下，真空干燥箱中真空干燥2h。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤二中所述的纳米二氧化钛粒径为50nm～100nm。其它与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤二中将纳米二氧化钛、丙烯酸树脂及丙酮混合，在转速为800r/min～1000r/min的条件下，磁力搅拌2h，得到浆料，在功率为800W～1000W的条件下，将浆料通过水浴超声振荡2h，然后将振荡后的浆料置于细胞破碎仪中，在探头功率为1200W的条件下，探头超声振荡4min～5min，得到氧化钛纳米浆料。其它与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤二中将纳米二氧化钛、丙烯酸树脂及丙酮混合，在转速为800r/min的条件下，磁力搅拌2h，得到浆料，在功率为800W的条件下，将浆料通过水浴超声振荡2h，然后将振荡后的浆料置于细胞破碎仪中，在探头功率为1200W的条件下，探头超声振荡5min，得到氧化钛纳米浆料。其它与具体实施方式一至五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤二中所述的纳米二氧化钛与丙烯酸树脂的质量比为1:(100～150)。其它与具体实施方式一至六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤二中所述的纳米二氧化钛与丙酮的质量比为1:(500～800)。其它与具体实施方式一至七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤三①中在压强为10bar的条件下，通过高压冷喷涂方法，将氧化钛纳米浆料喷涂于预处理后的氮化硅陶瓷表面，喷涂时间为20s～30s，涂层厚度为2μm，喷涂结束后，置于常温真空箱中干燥8h～10h。其它与具体实施方式一至八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九不同的是：步骤三②中重复步骤三①5次～8次。其它与具体实施方式一至九相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：
一、氮化硅陶瓷表面预处理：
将氮化硅陶瓷清洗并干燥，得到预处理后的氮化硅陶瓷；
二、氧化钛纳米浆料的配制：
将纳米二氧化钛、丙烯酸树脂及丙酮混合，在转速为800r/min的条件下，磁力搅拌2h，得到浆料，在功率为800W的条件下，将浆料通过水浴超声振荡2h，然后将振荡后的浆料置于细胞破碎仪中，在探头功率为1200W的条件下，探头超声振荡5min，得到氧化钛纳米浆料；
所述的纳米二氧化钛与丙烯酸树脂的质量比为1:100；所述的纳米二氧化钛与丙酮的质量比为1:500；
三、氧化钛涂层的制作：
①、在压强为10bar的条件下，通过高压冷喷涂方法，将氧化钛纳米浆料喷涂于预处理后的氮化硅陶瓷表面，喷涂时间为30s，涂层厚度为2μm，喷涂结束后，置于常温真空箱中干燥10h；
②、重复步骤三①5次，得到表面设有高反射防激光膜层的氮化硅陶瓷基材。
步骤一中所述的清洗为在超声功率为800W的条件下，置于丙酮中超声清洗1h，然后在超声功率为800W的条件下，置于酒精中超声清洗1h，最后在超声功率为800W的条件下，置于去离子水中超声清洗1h。
步骤一中所述的干燥为在温度为80℃的条件下，真空干燥箱中真空干燥2h。
步骤二中所述的纳米二氧化钛粒径为50nm。
图1为未进行任何处理的氮化硅陶瓷实物图；图2为实施例一制备的表面设有高反射防激光膜层的氮化硅陶瓷基材实物图；由图可知，样品表面为白色，这主要是膜层材料中二氧化钛纳米颗粒起作用，在样品表面形成了致密的颗粒沉积层，由于颗粒尺寸较小，高压喷涂能搞保证其均匀分散，让氮化硅陶瓷表面更为平整，增强其光谱反射性，利用二氧化钛在可见光区域的强反射能力对陶瓷的反射能力进行改性，并最终实现氮化硅陶瓷的光谱反射率调节。
分别对未进行任何处理的氮化硅陶瓷和表面设有高反射防激光膜层的氮化硅陶瓷基材进行吸光度表征。采用紫外-可见-近红外分光光度计(美国PerkinElmer公司，Lambda750)对样品在400nm～800nm波段范围内的反射率进行了测量。
图3为未进行任何处理的氮化硅陶瓷的反射率图；图4为实施例一制备的表面设有高反射防激光膜层的氮化硅陶瓷基材的反射率图；
由图可知，未进行任何处理的氮化硅陶瓷反射率较低，在400nm～800nm区间的平均反射率低于10％。在532nm波长处，未进行任何处理的氮化硅陶瓷的反射率为5.48％。此波段样品的透过率几乎为0，因此，样品在此波段的平均吸收率>90％。如此高的吸收率将不利于激光防护。镀膜后样品的反射率明显提高，在400nm～800nm区间的平均反射率远高于50％。在532nm波长处，反射率可达到76.92％，高于70％。高反射率将有利于其增强激光反射，提高其抗激光能力。