一种提高低发射率涂层与碳纤维基材结合强度的方法
阅读说明：本技术 一种提高低发射率涂层与碳纤维基材结合强度的方法 (Method for improving bonding strength of low-emissivity coating and carbon fiber substrate ) 是由 齐伦 黄刚 刘勇 杜兴波 黄艳 于 2021-01-26 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种提高低发射率涂层与碳纤维基材结合强度的方法,与传统直接喷涂的方法相比,本发明解决了碳纤维基材表面有机树脂粘结剂高温失效引起的涂层与碳纤维基材机械力学性能降低的难题。通过高温预处理和制备有机硅树脂中间层的方式,增大了涂层与基材表面的结合力,所得的样品具有耐高温、低发射率、高附着力等特点,可达到良好的红外性能和较好的力学性能,样品经500℃高温热处理30min后附着力约为5.0±0.4Mpa,满足了各领域对耐高温低发射率涂层与聚酰亚胺碳纤维基材良好结合力的需求。(The invention relates to a method for improving the bonding strength of a low-emissivity coating and a carbon fiber substrate, and compared with the traditional direct spraying method, the method solves the problem that the mechanical properties of the coating and the carbon fiber substrate are reduced due to the high-temperature failure of an organic resin binder on the surface of the carbon fiber substrate. The binding force between the coating and the surface of the base material is increased by means of high-temperature pretreatment and preparation of the organic silicon resin intermediate layer, the obtained sample has the characteristics of high temperature resistance, low emissivity, high adhesion and the like, good infrared performance and good mechanical performance can be achieved, the adhesion force of the sample is about 5.0 +/-0.4 MPa after the sample is subjected to high-temperature heat treatment at 500 ℃ for 30min, and the requirement of various fields on good binding force between the high-temperature-resistant low-emissivity coating and the polyimide carbon fiber base material is met.)
技术领域
本发明属于功能材料技术领域，具体涉及一种提高低发射率涂层与碳纤维基材结合强度的方法。
背景技术
在航空航天领域，大部分的飞行器表面为了满足抗冲击和抗压等一系列要求，采用了大量的高强度材料(大多以金属、合金和陶瓷等材料为主)。但这些材料密度较高，因而整体重量较大，重量的大幅度增加，将导致燃料的增多，航程急剧缩短。如果使用轻质和高强度的复合材料，则可以大大降低飞行器所需的动力，也可增大飞行器的航程。复合材料可通过多种材料(两种或两种以上异质、异形、异构的材料)复合而成的。其主要的目的是改善单一材料在某一方面的性能较差的特点，得到同时具备两种材料优点的复合材料。聚酰亚胺基碳纤维便是结合了碳纤维和聚酰亚胺树脂的优点，得到了其优良的机械力学性能和较轻的质量，为此广泛运用于航空航天领域。但两种材料均具有较高的红外辐射性能，被探测器识别的概率较大，进而降低了目标的红外隐身性能。
低发射率涂层具有热屏蔽较好和热辐射较低的功能，且操作简单、方便和易于维护，在热辐射控制和红外隐身等领域具有大量的应用前景。在目标的红外辐射隐身控制方面，低发射率涂层可有效的抑制目标表面红外辐射强度，降低与背景环境红外辐射强度之间的差异，从而降低被探测器识别的概率，进而提高目标的红外隐身性能。但是在飞行器隐身方面，随着飞行速度的不断增加，飞行器表面温度急剧升高，低发射率涂层体系与复合基材在高温环境下结合强度降低，其红外和机械力学性能急剧恶化。因此，低发射率涂层与聚酰亚胺基碳纤维在高温环境下的机械力学性能尤为重要。
目前主要的要求是涂层与碳纤维材在高温下能够保持较好的附着力和较低的红外发射率，最终得到综合性能优异的试样。例如，在中国航发北京航空材料研究院申请的中国专利《一种树脂基复合材料导流叶片抗冲刷涂层的制备方法》(公开号：CN110257752A)中公开了一种通过在传统抗冲刷涂层中增加树脂-金属打底层和金属中间层结构的方法，缓解了涂层热膨胀系数失配的问题，使其满足在300℃下长期使用的要求，其不足之处在于在制备过程较为复杂，实验操作较为困难。由于树脂基碳纤维表面有机树脂的分解和热膨胀失配加剧，使得低发射率涂层与基材的粘结强度降低，在高温下的机械力学性能较差，难以满足实际的需求，该难点制约着有机耐高温低发射率涂层在碳纤维材料的实际运用。因此，如何提高低发射率涂层与碳纤维基材的结合强度，同时保持较为优异的低发射率性能，是该领域研究的重点和难点。
随着飞行器技术的不断发展，对使用碳纤维基材的飞行器表面高温区域，如表面局部气动加热部位，其红外辐射抑制需求非常迫切。因此，亟需一种操作简单，且能够满足大量生产的可耐500℃高温、低发射率涂层与碳纤维基材的结合强度较高的方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术存在的问题，提供一种可耐500℃高温、提高低发射率涂层与碳纤维基材结合强度的方法，用来满足飞行器表面碳纤维基材在高温时的红外隐身需求。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种提高低发射率涂层与碳纤维基材结合强度的方法，包括以下步骤：
S1：对所述碳纤维基材进行热处理，所述热处理的温度为480～500℃，热处理的时间为4～6min；
S2：采用有机溶剂对所述碳纤维基材的表面进行清洗处理；
S3：在所述碳纤维基材的表面制备一层5～10μm的有机硅树脂，待其表面干燥后进行固化处理，得到预处理后的碳纤维基材；
S4：在所述预处理后的碳纤维基材上形成低发射率涂层，待其表面干燥后进行固化处理。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步的，所述有机溶剂包括乙酸乙酯和乙酸丁酯，其中乙酸乙酯和乙酸丁酯的质量比为(2～3)：1。
进一步的，在所述预处理后的碳纤维基材上形成低发射率涂层的步骤，具体为：
将乙酸乙酯和乙酸丁酯按照质量比(2～3)：1配置成有机溶剂；
在50～60g所述有机溶剂中添加25～30g的有机粘结剂和25～30g金属颜料，搅拌分散均匀后得到涂料；
将所述涂料制备在所述预处理后的碳纤维基材上形成低发射率涂层。
进一步的，所述有机粘结剂为有机硅树脂，所述金属颜料为片状铝粉、片状锌粉、片状金粉或片状镍粉。
进一步的，所述有机硅树脂为甲基苯基有机硅树脂、环氧改性有机硅树脂、聚氨酯改性有机硅树脂或丙烯酸改性有机硅树脂。
进一步的，所述搅拌分散均匀后得到涂料的步骤，包括：在搅拌分散机中以500～600r/min的速度搅拌分散5～10min得到所述涂料。
进一步的，所述干燥的温度为室温，所述干燥的时间为4～6h。
进一步的，所述固化处理的温度为180～200℃，时间为2～4h。
进一步的，所述碳纤维基材为聚酰亚胺基碳纤维基材。
进一步的，所述涂层的厚度为50～60μm。
本发明的有益效果是：与传统直接喷涂的方法相比，本发明解决了碳纤维基材表面有机树脂粘结剂高温失效引起的涂层与碳纤维基材机械力学性能降低的难题。通过高温预处理和制备有机硅树脂中间层的方式，增大了涂层与基材表面的结合力，所得的样品具有耐高温、低发射率、高附着力等特点，可达到良好的红外性能和较好的力学性能，样品经500℃高温热处理30min后附着力约为5.0±0.4Mpa，满足了各领域对耐高温低发射率涂层与聚酰亚胺碳纤维基材良好结合力的需求。
附图说明
图1为聚酰亚胺基碳纤维基材粉末的TG/TGA测试曲线；
图2为聚酰亚胺碳纤维基材截面图，其中a为未经热处理的碳纤维基材，b为500℃热处理10min后的碳纤维基材。；
图3a-f分别为本发明实施例1-实施例6所制备的样品的表面图；
图4为本发明实施例1-实施例6所制备的样品中低发射率涂层与基材的结合力测试结果。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
本发明实施例提供一种提高低发射率涂层与碳纤维基材结合强度的方法，包括以下步骤：
S1：对所述碳纤维基材进行热处理，所述热处理的温度为480～500℃，热处理的时间为4～6min；
S2：采用有机溶剂对所述碳纤维基材的表面进行清洗处理；
S3：在所述碳纤维基材的表面制备一层5～10μm的有机硅树脂，待其表面干燥后进行固化处理，得到预处理后的碳纤维基材；
S4：在所述预处理后的碳纤维基材上形成低发射率涂层，待其表面干燥后进行固化处理。
可选地，所述有机溶剂包括乙酸乙酯和乙酸丁酯，其中乙酸乙酯和乙酸丁酯的质量比为(2～3)：1。
可选地，在所述预处理后的碳纤维基材上形成低发射率涂层的步骤，具体为：
将乙酸乙酯和乙酸丁酯按照质量比(2～3)：1配置成有机溶剂；
在50～60g所述有机溶剂中添加25～30g的有机粘结剂和25～30g金属颜料，搅拌分散均匀后得到涂料；
将所述涂料制备在所述预处理后的碳纤维基材上形成低发射率涂层。
可选地，所述有机粘结剂为有机硅树脂，所述金属颜料为片状铝粉、片状锌粉、片状金粉或片状镍粉。
可选地，所述有机硅树脂为甲基苯基有机硅树脂、环氧改性有机硅树脂、聚氨酯改性有机硅树脂或丙烯酸改性有机硅树脂。
可选地，所述搅拌分散均匀后得到涂料的步骤，包括：在搅拌分散机中以500～600r/min的速度搅拌分散5～10min得到所述涂料。
可选地，所述干燥的温度为室温，所述干燥的时间为4～6h。
可选地，所述固化处理的温度为180～200℃，时间为2～4h。
可选地，所述碳纤维基材为聚酰亚胺基碳纤维基材。
可选地，所述涂层的厚度为50～60μm。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
实施例1：
S1：采用有机溶剂对聚酰亚胺基碳纤维基材表面进行清洗处理；
S2：在聚酰亚胺基碳纤维基材表面制备一层5～10μm的有机硅树脂，待其表面干燥后，将其置于200℃下，固化4h，得到预处理后的聚酰亚胺基碳纤维基材；
S3：取60g有机溶剂，加入30g有机硅树脂和30g片状铝粉，以600r/min的速度搅拌分散10min，得到涂料；
S4：将配置好的涂料制备在预处理后的聚酰亚胺基碳纤维基材上，随后放置于室温下6h，待其表干后，在200℃下固化4h，得到涂层厚度为50～60μm的样品。
其中，有机溶剂包括乙酸乙酯和乙酸丁酯，乙酸乙酯和乙酸丁酯的质量比为2：1。
实施例2：
S1：将聚酰亚胺基碳纤维基材置于500℃的高温马弗炉中热处理2min；
S2：采用有机溶剂对聚酰亚胺基碳纤维基材表面进行清洗处理；
S3：在聚酰亚胺基碳纤维基材表面制备一层5～10μm的有机硅树脂，待其表面干燥后，将其置于200℃下，固化4h，得到预处理后的聚酰亚胺基碳纤维基材；
S4：取60g有机溶剂，加入30g有机硅树脂和30g片状铝粉，以600r/min的速度搅拌分散10min，得到涂料；
S5：将配置好的涂料制备在预处理后的聚酰亚胺基碳纤维基材上，随后放置于室温下6h，待其表干后，在200℃下固化4h，得到涂层厚度为50～60μm的样品。
其中，有机溶剂包括乙酸乙酯和乙酸丁酯，乙酸乙酯和乙酸丁酯的质量比为2：1。
实施例3：
S1：将聚酰亚胺基碳纤维基材置于500℃的高温马弗炉中热处理4min；
S2：采用有机溶剂对聚酰亚胺基碳纤维基材表面进行清洗处理；
S3：在聚酰亚胺基碳纤维基材表面制备一层5～10μm的有机硅树脂，待其表面干燥后，将其置于200℃下，固化4h，得到预处理后的聚酰亚胺基碳纤维基材；
S4：取60g有机溶剂，加入30g有机硅树脂和30g片状铝粉，以600r/min的速度搅拌分散10min，得到涂料；
S5：将配置好的涂料制备在预处理后的聚酰亚胺基碳纤维基材上，随后放置于室温下6h，待其表干后，在200℃下固化4h，得到涂层厚度为50～60μm的样品。
其中，有机溶剂包括乙酸乙酯和乙酸丁酯，乙酸乙酯和乙酸丁酯的质量比为2：1。
实施例4：
S1：将聚酰亚胺基碳纤维基材置于500℃的高温马弗炉中热处理6min；
S2：采用有机溶剂对聚酰亚胺基碳纤维基材表面进行清洗处理；
S3：在聚酰亚胺基碳纤维基材表面制备一层5～10μm的有机硅树脂，待其表面干燥后，将其置于200℃下，固化4h，得到预处理后的聚酰亚胺基碳纤维基材；
S4：取60g有机溶剂，加入30g有机硅树脂和30g片状铝粉，以600r/min的速度搅拌分散10min，得到涂料；
S5：将配置好的涂料制备在预处理后的聚酰亚胺基碳纤维基材上，随后放置于室温下6h，待其表干后，在200℃下固化4h，得到涂层厚度为50～60μm的样品。
其中，有机溶剂包括乙酸乙酯和乙酸丁酯，乙酸乙酯和乙酸丁酯的质量比为2：1。
实施例5：
S1：将聚酰亚胺基碳纤维基材置于500℃的高温马弗炉中热处理8min；
S2：采用有机溶剂对聚酰亚胺基碳纤维基材表面进行清洗处理；
S3：在聚酰亚胺基碳纤维基材表面制备一层5～10μm的有机硅树脂，待其表面干燥后，将其置于200℃下，固化4h，得到预处理后的聚酰亚胺基碳纤维基材；
S4：取60g有机溶剂，加入30g有机硅树脂和30g片状铝粉，以600r/min的速度搅拌分散10min，得到涂料；
S5：将配置好的涂料制备在预处理后的聚酰亚胺基碳纤维基材上，随后放置于室温下6h，待其表干后，在200℃下固化4h，得到涂层厚度为50～60μm的样品。
其中，有机溶剂包括乙酸乙酯和乙酸丁酯，乙酸乙酯和乙酸丁酯的质量比为2：1。
实施例6：
S1：将聚酰亚胺基碳纤维基材置于500℃的高温马弗炉中热处理10min；
S2：采用有机溶剂对聚酰亚胺基碳纤维基材表面进行清洗处理；
S3：在聚酰亚胺基碳纤维基材表面制备一层5～10μm的有机硅树脂，待其表面干燥后，将其置于200℃下，固化4h，得到预处理后的聚酰亚胺基碳纤维基材；
S4：取60g有机溶剂，加入30g有机硅树脂和30g片状铝粉，以600r/min的速度搅拌分散10min，得到涂料；
S5：将配置好的涂料制备在预处理后的聚酰亚胺基碳纤维基材上，随后放置于室温下6h，待其表干后，在200℃下固化4h，得到涂层厚度为50～60μm的样品。
其中，有机溶剂包括乙酸乙酯和乙酸丁酯，乙酸乙酯和乙酸丁酯的质量比为2：1。
图1示出的为聚酰亚胺基碳纤维基材粉末的TG/TGA测试曲线，由图1可知，碳纤维基材在500℃时，其质量损失较小；但在600℃左右，碳纤维基材的质量损失较大。在聚酰亚胺基碳纤维基材中，碳纤维的主要成分为石墨碳结构，其耐热性较好。因而，聚酰亚胺树脂的分解会造成了碳纤维基材的质量损失。结果表明，聚酰亚胺基碳纤维基材的最高耐热温度约为500℃。
碳纤维的结构对聚酰亚胺基碳纤维基材的基本性质影响较大，因此通过层压碳纤维基材的截面进行表征分析。从图2a可以看出，常温下聚酰亚胺基碳纤维基材中，碳纤维与聚酰亚胺树脂相互粘结形成层状板材，碳纤维基材中纤维基材独立成束，其结合力主要为有机树脂存在的物理吸附。由图2b可知，高温热处理10min后，碳纤维呈现平行和分散分布；高温下，基材表层聚酰亚胺树脂分解，碳纤维与树脂基体呈现明显的分离现象，涂层与基材的结合力随之急剧降低。从图2b也可看出，原有的树脂基体分解会使得碳纤维基材表面出现空隙。
从图3a～3d可以看出，随着热处理时间的升高，涂层表面的聚酰亚胺树脂逐渐减少，其碳纤维轮廓越清晰，说明碳纤维表面聚酰亚胺树脂分解的程度逐渐增加。通过在热处理后的基材表面进行有机硅树脂涂覆处理，将增强碳纤维基材表面与耐高温低发射率涂层的结合力。
为了得到高温热处理时间对涂层与碳纤维基材结合力的影响，将实施例1-实施例6所得的样品置于480～500℃的高温马弗炉中，热处理25～30min，取出。按照GB/T5210-2006对其结合力进行测量，测量结果如图4所示，
从图4可以看出，未经480～500℃热处理的涂层与基材，在500℃高温热处理30min后，表面结合力较弱。当基材经480～500℃热处理4～6min后，涂层与基材的结合力达到约5.0±0.4Mpa。当基材在经480～500℃下热处理8～10min后，涂层与基材的结合力急剧降低，说明长时间的热处理，基材表面的聚酰亚胺树脂分解过多，即使重新制备有机硅树脂层，也无法解决碳纤维层内部结构被破坏造成的结合力降低的问题。
通过热失重测试分析可知，聚酰亚胺树脂的耐热温度约为500℃，为此，在该温度下，聚酰亚胺树脂开始分解，使得涂层与基材发生剥离、脱落和起泡等现象。短暂的高温热处理，可使得聚酰亚胺基碳纤维基材表面的聚酰亚胺树脂少量分解产生空隙。随后，通过耐热性较好的有机硅树脂进行填充，增大了其表面的结合力。为此，聚酰亚胺基碳纤维基材的本征力学性能，也可提高其表面和低发射率涂层的结合强度。因而，该方法可使低发射率涂层在500℃下与碳纤维基材仍然保持良好的附着力。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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