阅读说明：本技术 一种轻质耐辐照高反射率薄膜及其制备方法 (Light irradiation-resistant high-reflectivity film and preparation method thereof ) 是由 李忠盛 董玲抒 吴护林 孙彩云 黄安畏 舒露 吴永鹏 于 2020-07-10 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种轻质耐辐照高反射率薄膜及其制备方法,所述轻质耐辐照高反射率薄膜由内向外依次为保护层(4)、高反射层(3)、过渡层(2)、基体层(1)、过渡层(2)、高反射层(3)、保护层(4)；其中,所述基体层(1)采用聚酰亚胺薄膜；所述过渡层(2)采用金属铜；所述高反射层(3)采用低钴不锈钢；所述保护层(4)采用氧化硅。该薄膜具有较低面密度、高反射率；同时,该薄膜热稳定性好、抗氧化性能高,使用寿命长,有效满足轻量化、高保温性能的需求。(The invention provides a light irradiation-resistant high-reflectivity film and a preparation method thereof, wherein the light irradiation-resistant high-reflectivity film sequentially comprises a protective layer (4), a high-reflectivity layer (3), a transition layer (2), a base layer (1), the transition layer (2), the high-reflectivity layer (3) and the protective layer (4) from inside to outside; wherein the substrate layer (1) adopts a polyimide film; the transition layer (2) is made of metal copper; the high-reflection layer (3) is made of low-cobalt stainless steel; the protective layer (4) is made of silicon oxide. The film has lower surface density and high reflectivity; meanwhile, the film has good thermal stability, high oxidation resistance and long service life, and effectively meets the requirements of light weight and high heat preservation performance.)

一种轻质耐辐照高反射率薄膜及其制备方法

技术领域

本发明涉及功能性材料技术领域，具体涉及一种轻质耐辐照高反射率薄膜及其制备方法。

背景技术

在核电厂正常运行工况下，各种设备或管道的温度与外部环境温度之间需要存在较大差值；例如，管道内部平均温度高于310℃的情况下，一般要求外部环境温度小于50℃。因此，为了减少核电厂中设备和管道在正常运行工况下的热损失，通常在设备和管道的外壁包覆保温层。相比于非金属保温层，金属保温层具有老化现象不明显、耐高温和耐辐照性能优异等特点；并且金属保温层破口事故后产生的碎片对下游物理、化学影响较小，使得其在核电厂设备和管道中得到了广泛应用。

金属保温层，主要是利用反射层的反射特性使辐射热在间隙中多次被反射以减少辐射传热，利用反射层之间的间隙给热对流造成阻碍起到保温作用，使得金属保温层具有良好的热阻率。

目前，采用的传统反射层为不锈钢箔，常用的不锈钢箔厚度为0.03mm、面密度为237g/m²，高温下表面易氧化，反射率随氧化程度增加而降低、通常为0.60~0.75，热辐射效率低，难以满足市场对新一代产品轻量化、高保温性能需求。

发明内容

针对以上现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种轻质耐辐照高反射率薄膜，该薄膜具有较低面密度、高反射率；同时，该薄膜热稳定性好、抗氧化性能高，使用寿命长，有效满足轻量化、高保温性能的需求。

本发明的另一个目的在于提供一种轻质耐辐照高反射率薄膜的制备方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种轻质耐辐照高反射率薄膜，用于包覆在设备或管道表面，其特征在在于：包括基体层、过渡层、高反射层以及保护层，由内向外依次为保护层、高反射层、过渡层、基体层、过渡层、高反射层、保护层；

其中，所述基体层采用聚酰亚胺薄膜；所述过渡层采用金属铜；所述高反射层采用低钴不锈钢；所述保护层采用氧化硅。

聚酰亚胺薄膜具有低面密度、优异的热稳定性、阻燃性和机械性能，采用聚酰亚胺保证整个薄膜的轻质特性；采用低钴不锈钢的反射特性进行辐射热的反射、减少辐射传热；采用氧化硅层防止低钴不锈钢氧化、保证低钴不锈钢的反射特性。

由于聚酰亚胺薄膜的热膨胀系数2×10^-5/K、低钴不锈钢的热膨胀系数为1.44×10^-5/K，其热膨胀系数相差较大且热形变温度相近，导致持续高温情况下聚酰亚胺薄膜基体与低钴不锈钢会同时发生热形变且形变量相差较大，从而造成高反射层不均匀而影响薄膜整体反射效果、甚至出现高反射层由于形变而局部或整体从基体层上脱落的现象。本发明通过引入热膨胀系数为1.65×10^-5/K的金属铜作为过渡层，利用热膨胀系数的阶梯式降低（从基层到保护层），增加了整个薄膜结构的热稳定性，避免低钴不锈钢的高反射层跟随聚酰亚胺薄膜基体发生热形变、从而避免反射率降低、阻热不均匀或反射层脱落的情况发生；同时，过渡层也在一定程度上对辐射热进行反射，使传递到高反射层或基体层上的温度降低，从而进一步降低持续高温条件下的高反射层或基体层的热形变量，确保整个薄膜的热稳定性。并且，通过过渡层与高反射层的反射特性使辐射热在间隙中多次被反射，极大的提高了反射率、减少了辐射传热。

作进一步优化，所述基体层厚度为25～30μm。

作进一步优化，所述高反射层厚度为100～200nm。

作进一步优化，所述高反射层的钴含量小于0.1 wt.%。

作进一步优化，所述保护层厚度为10～50nm。

作进一步优化，所述过渡层、高反射层、保护层厚度比为1:20:（1～5）。

上述轻质耐辐照高反射率薄膜的制备方法，其特征在于：

a、打开真空室，安装膜材，测量收卷、放卷处的膜材直径，调节张力；然后关闭真空室，打开电源，检查镀膜鼓是否可以正常工作；打开泵组冷却水开关，打开前级泵组，5min后开始抽真空，真空度小于5×10^-3Pa时，准备镀膜；检查镀膜鼓温度、深冷温度，打开阴级冷却水和预处理加热器，调节张力，开始卷材；

b、旋转金属铜靶材，调节基体和靶材距离，金属铜靶材和基体之间的距离为4～10cm；通入氩气，清洁气体管道，持续时间3～5min，压强保持在0.1～0.8Pa，开始溅射；

c、金属铜溅射完成后，更换低钴不锈钢靶材，调节基体和靶材距离，低钴不锈钢靶材和基体距离为4～10cm；通入氩气，清洁气体管道，持续时间3～5min，压强保持在0.1~0.8Pa，开始溅射；

d、低钴不锈钢溅射完成后，更换硅靶材，调节基体和靶材距离，硅靶材和基体距离为8～16cm；通入氩气和氧气，压强保持在0.1～0.8Pa，开始溅射；

e、硅溅射完成后，关闭溅射电源和气体，重复上述步骤a～步骤d，完成剩余的反面溅射；

f、步骤e溅射完毕后，关闭溅射电源和气体。

作进一步优化，所述步骤b与步骤c中氩气流量为30～500sccm。

作进一步优化，所述步骤b金属铜溅射的功率为200～300W，溅射时间为2～5min。

作进一步优化，所述步骤c中低钴不锈钢溅射的功率为250～350W，溅射时间为8～12min。

作进一步优化，所述步骤d中氩气流量为10～60sccm，氧气流量为30～80sccm。

作进一步优化，所述步骤d中硅溅射功率为150～250W，溅射时间为2～3min。

本发明具有如下技术效果：

本发明通过在聚酰亚胺薄膜上制备过渡层、高反射层、保护层，使得整个薄膜具有较低的面密度、从而保证薄膜的轻质特性；同时，通过过渡层与高反射层的配合，使得整个薄膜具有高反射率、从而保证耐辐射性能优异，通过基体层、过渡层与高反射层的热膨胀系数差值，确保整个薄膜具有优异的热稳定性，从而保证反射特性的均匀性以及稳定性；通过过渡层以及保护层实现对高反射层的保护，避免其因热形变而从基体层上脱落以及因氧化而降低反射率，从而显著提高整个薄膜的使用寿命。

本发明制备的轻质耐辐照高反射率薄膜制备过程简单、使用材料易得、成熟度高，使用范围广、可用于大多数高温设备或管道表面。

附图说明

图1为本发明聚酰亚胺薄膜的结构示意图。

图2为本发明保温性能测试系统示意图。

其中，1、基体层；2、过渡层；3、高反射层；4、保护层；10、数据记录仪；20、计算机；30、智能温控加成系统；101、温度传感器；102、支架；103、密闭罩体；104、高低温箱；105、加热器；106、试样；107、试样支架；108、紧固件。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

一种轻质耐辐照高反射率薄膜的制备方法，其特征在于：

a、首先打开真空室，安装膜材，测量收卷、放卷处的膜材直径，调节张力；然后关闭真空室，打开电源，检查镀膜鼓是否可以正常工作；打开泵组冷却水开关，打开前级泵组，5min后开始抽真空，真空度小于5×10^-3Pa时，准备镀膜；检查镀膜鼓温度、深冷温度，打开阴级冷却水和预处理加热器，调节张力，开始卷材。

b、旋转金属铜靶材，调节基体和靶材距离，金属铜靶材和基体之间的距离为10cm；通入氩气，氩气流量为30sccm，清洁气体管道，持续时间5min，压强保持在0.1Pa，开始溅射；溅射功率为200W，溅射时间为2min。

c、金属铜溅射完成后，更换低钴不锈钢靶材，调节基体和靶材距离，低钴不锈钢靶材和基体距离为10cm；通入氩气，氩气流量为30sccm，清洁气体管道，持续时间3min，压强保持在0.1Pa，开始溅射；溅射功率为250W，溅射时间为8min。

d、低钴不锈钢溅射完成后，更换硅靶材，调节基体和靶材距离，硅靶材和基体距离为14cm；通入氩气和氧气，氩气流量为20sccm，氧气流量为40sccm，压强保持在0.3Pa，开始溅射；溅射功率为180W，溅射时间为2.5min。

e、硅溅射完成后，关闭溅射电源和气体，重复上述步骤a～步骤d，完成剩余的反面溅射；

f、步骤e溅射完毕后，关闭溅射电源和气体。

最终得到的轻质耐辐照高反射率薄膜如图1所示，由上至下依次为保护层4、高反射层3、过渡层2、基体层1、过渡层2、高反射层3、保护层4；其中，基体层1为聚酰亚胺薄膜、厚度为25μm；过渡层2为金属铜、厚度为5nm；高反射层3为低钴不锈钢、钴含量小于0.1 wt.%，高反射层3厚度为100nm；保护层4为氧化硅、厚度为25nm。该轻质耐辐照高反射率薄膜的反射率为0.85，面密度为47.5 g/m²；300℃加热2h后，反射率为0.84。

实施例2：

一种轻质耐辐照高反射率薄膜的制备方法，其特征在于：

a、首先打开真空室，安装膜材，测量收卷、放卷处的膜材直径，调节张力；然后关闭真空室，打开电源，检查镀膜鼓是否可以正常工作；打开泵组冷却水开关，打开前级泵组，5min后开始抽真空，真空度小于5×10^-3Pa时，准备镀膜；检查镀膜鼓温度、深冷温度，打开阴级冷却水和预处理加热器，调节张力，开始卷材。

b、旋转金属铜靶材，调节基体和靶材距离，金属铜靶材和基体之间的距离为6cm；通入氩气，氩气流量为200sccm，清洁气体管道，持续时间4min，压强保持在0.5Pa，开始溅射；溅射功率为250W，溅射时间为3min。

c、金属铜溅射完成后，更换低钴不锈钢靶材，调节基体和靶材距离，低钴不锈钢靶材和基体距离为6cm；通入氩气，氩气流量为200sccm，清洁气体管道，持续时间4min，压强保持在0.5Pa，开始溅射；溅射功率为300W，溅射时间为10min。

d、低钴不锈钢溅射完成后，更换硅靶材，调节基体和靶材距离，硅靶材和基体距离为16cm；通入氩气和氧气，氩气流量为15sccm，氧气流量为35sccm，压强保持在0.3Pa，开始溅射；溅射功率为160W，溅射时间为2min。

e、硅溅射完成后，关闭溅射电源和气体，重复上述步骤a～步骤d，完成剩余的反面溅射；

f、步骤e溅射完毕后，关闭溅射电源和气体。

最终得到的轻质耐辐照高反射率薄膜如图1所示，由上至下依次为保护层4、高反射层3、过渡层2、基体层1、过渡层2、高反射层3、保护层4；其中，基体层1为聚酰亚胺薄膜、厚度为27μm；过渡层2为金属铜、厚度为7.5nm；高反射层3为低钴不锈钢、钴含量小于0.1wt.%，高反射层3厚度为150nm；保护层4为氧化硅、厚度为15nm。该轻质耐辐照高反射率薄膜的反射率为0.86，面密度为47.6g/m²；300℃加热2h后，反射率为0.85。

实施例3：

一种轻质耐辐照高反射率薄膜的制备方法，其特征在于：

a、首先打开真空室，安装膜材，测量收卷、放卷处的膜材直径，调节张力；然后关闭真空室，打开电源，检查镀膜鼓是否可以正常工作；打开泵组冷却水开关，打开前级泵组，5min后开始抽真空，真空度小于5×10^-3Pa时，准备镀膜；检查镀膜鼓温度、深冷温度，打开阴级冷却水和预处理加热器，调节张力，开始卷材。

b、旋转金属铜靶材，调节基体和靶材距离，金属铜靶材和基体之间的距离为4cm；通入氩气，氩气流量为500sccm，清洁气体管道，持续时间5min，压强保持在0.8Pa，开始溅射；溅射功率为300W，溅射时间为5min。

c、金属铜溅射完成后，更换低钴不锈钢靶材，调节基体和靶材距离，低钴不锈钢靶材和基体距离为4cm；通入氩气，氩气流量为500sccm，清洁气体管道，持续时间5min，压强保持在0.8Pa，开始溅射；溅射功率为350W，溅射时间为12min。

d、低钴不锈钢溅射完成后，更换硅靶材，调节基体和靶材距离，硅靶材和基体距离为8cm；通入氩气和氧气，氩气流量为60sccm，氧气流量为80sccm，压强保持在0.8Pa，开始溅射；溅射功率为250W，溅射时间为3min。

e、硅溅射完成后，关闭溅射电源和气体，重复上述步骤a～步骤d，完成剩余的反面溅射；

f、步骤e溅射完毕后，关闭溅射电源和气体。

最终得到的轻质耐辐照高反射率薄膜如图1所示，由上至下依次为保护层4、高反射层3、过渡层2、基体层1、过渡层2、高反射层3、保护层4；其中，基体层1为聚酰亚胺薄膜、厚度为30μm；过渡层2为金属铜、厚度为10nm；高反射层3为低钴不锈钢、钴含量小于0.1 wt.%，高反射层3厚度为200nm；保护层4为氧化硅、厚度为50nm。该轻质耐辐照高反射率薄膜的反射率为0.87，面密度为47.9 g/m²；300℃加热2h后，反射率为0.85。

制备多层复合保温制品测试试样，按照西南技术工程研究所企业标准Q/CD 3229-2017《隔热性能测试规范温度差法》进行隔热性能测试，具体步骤如下：

制备长350mm、宽250mm、厚度50mm的标准试样1、试样2、试样3。其中试样1为不锈钢箔与复合陶瓷纤维交替层叠组成的保温层，不锈钢箔厚度为0.03mm，反射率为0.77，面密度为237g/m²；试样2为本发明轻质耐辐照高反射率薄膜与复合陶瓷纤维交替层叠组成的保温层，薄膜厚度为0.03mm，反射率为0.86，面密度为47.9g/m²；试样3不采用过渡层2、其余各层结构和材料与试样2一致，且高反射层3与保护层4厚度与试样2均一致的薄膜与复合陶瓷纤维交替层叠组成的保温层，薄膜厚度为0.03mm，反射率为0.82，面密度为47.9 g/m²。保温性能测试示意图如图2所示，将试样固定在加热设备上，试样冷面布置了3个测温点，用热电偶连续采集试样冷面温度。经测试，热面温度为300℃，环境温度为23℃，保温时间为2小时，试样1冷面最高温度为47℃，试样2冷面最高温度为30℃，试样3冷面最高温度为35℃，说明本发明相对于传统的保温层（即试样1）有更明显的隔热效果，且也比不加过渡层2的试样3的隔热效果好。同时，测试试样2冷面各点的温度，其正负偏差值不超过1.5℃，测试试样3冷面各点的温度，其正负偏差值超过4℃，证明本发明隔热均匀性良好，薄膜热稳定性好、不会产生较大热形变，进而保证隔热均匀性。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。