CN101684210A - 镀镍碳化硼/铝复合涂料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种镀镍碳化硼/铝复合涂料，其组成包括：重量百分比为54－79％的镀镍碳化硼颗粒和21－46％的铝粉。还提供了其制备方法，即通过对碳化硼颗粒预处理及化学镀镍表面改性后与铝粉混合得到镀镍碳化硼/铝复合涂料；以及该镀镍碳化硼/铝复合涂料喷涂在基体上作为空间防护涂层的应用，并由此制作出带有本发明镀镍碳化硼/铝复合涂层的新型空间防护材料。其优点在于：通过将碳化硼颗粒进行表面改性处理，实现了采用常规火焰喷涂或等离子喷涂制备高碳化硼含量的涂层，大大降低了喷涂成本；而且，本发明的镀镍碳化硼/铝复合涂层具有轻质的特点和很好的电子辐射吸收性能。

Description

镀镍碳化硼/铝复合涂料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及材料领域，特别涉及一种镀镍碳化硼/铝复合涂料、其制备方法、其作为空间防护涂层的应用以及带有该涂层的空间防护材料。
背景技术
低地球轨道距离地面100km-1000km，是对地观测卫星、气象卫星、空间站等航天器的运行区域。该轨道区域的空间环境很恶劣，存在很多破坏航天飞行器的因素，如原子氧对材料表面的腐蚀；空间电子和质子辐射使有机材料性能劣化；宇宙射线导致材料和电子器件的辐射损伤；地球辐射带对航天器的电干扰等。随着开发利用空间资源的日益增长，对航天器的设计寿命(30年或更长)和可靠性提出了更高的要求，使得新型具有优异综合防护材料的研究越来越显示出重要性和紧迫性。
优异的低地球轨道航天器防护涂层要求具有抗原子氧氧化，抗空间辐射，宇宙射线和紫外线辐射等性能。由于低地球轨道环境的复杂性，单一的防护材料的性能很难满足多样的防护要求，多种材料复合而成的复合防护涂层是低地球轨道航天器防护涂层材料发展的必然趋势。在近地航天器上经常使用铝合金作为防护材料，铝在空间原子氧和紫外辐射等因素的作用下形成了氧化铝层，由于氧化铝是不与原子氧反应的，从而也就减小了材料的原子氧剥蚀程度，提高了材料的抗原子氧剥蚀性能。然而这种材料的辐射防护性能较差。
在诸多辐射防护材料中，碳化硼以其优异的中子、质子和电子吸收性能和低的二次电子发射率被广泛应用于各种辐射防护领域。除此之外，碳化硼还具有很好的抗弹能力，而用于装甲和防弹领域。但是碳化硼的一个主要缺点是其抗氧化能力不足，在原子氧的作用下，碳化硼会被氧化为氧化硼而失去其优异的防护性能。因此综上分析可知，由抗原子氧氧化能力极强的铝和辐射防护性能优异的碳化硼制成的碳化硼/铝复合涂层将会是一种具有良好空间防护性能的材料。
喷涂法，包括火焰喷涂和等离子喷涂，是一种广泛使用的表面涂层制备技术，其具有操作简单，可以大面积涂覆，成本低等优点。但是由于碳化硼具有很高的熔点，即使采用等离子喷涂技术也无法获得高致密度的涂层，要获得高致密度的喷涂碳化硼涂层，必须要附加一些额外的装置，如高压设备、电磁加速设备，这些附加机构的存在会大大提高喷涂成本。另外由于碳化硼和铝之间的润湿性较差，直接采用碳化硼颗粒与铝粉混合进行喷涂无法制备高碳化硼含量的复合涂层。因此降低喷涂成本并制备高碳化硼含量的复合涂层是亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述缺陷，提供一种高碳化硼含量的镀镍碳化硼/铝复合涂料。
本发明的另一个目的是提供一种本发明的镀镍碳化硼/铝复合涂料的制备方法。
本发明还有一个目的是将本发明的镀镍碳化硼/铝复合涂料作为空间防护涂层的应用。
本发明再一个目的是一种带有本发明镀镍碳化硼/铝复合涂层的空间防护材料。
本发明提供了一种镀镍碳化硼/铝复合涂料，其组成包括：重量百分比为54-79％的镀镍碳化硼颗粒，21-46％的铝粉。优选重量百分比为68％的镀镍碳化硼颗粒和32％的铝粉。
本发明还提供了一种制备本发明的镀镍碳化硼/铝复合涂料的方法，包括以下步骤：
1)原料碳化硼颗粒的预氧化处理，处理方法为在500-700℃煅烧0.5-1h；
2)碳化硼颗粒的化学镀镍处理，镀液配方为：NiSO4·2H2O 35-45g/L、NaH2PO2·H2O28-35g/L、NH4Cl 30-45g/L及Na3C6H5O7·2H2O(二水合柠檬酸三钠)20-27g/L，镀液pH值为9-11，镀覆时间为7-9min，施镀温度为60-80℃，镀层厚度为5-8μm；
3)将经步骤2)制备的镀镍后的碳化硼和铝粉按重量百分比分别为54-79％和21-46％配制；
4)将经步骤3)配制后的混合物，以无水乙醇为介质，放在磁力搅拌机上进行搅匀，搅拌1-2h，过滤，将混合粉体放置在空气中自然风干，由此得到本发明的镀镍碳化硼/铝复合涂料。
上述原料碳化硼颗粒的粒度为150-250目，铝粉粒度为160-250目。
上述镀液配方优选为：NiSO4·2H2O 40g/L、NaH2PO2·H2O 32g/L、NH4Cl 40g/L及Na3C6H5O7·2H2O 24g/L。
上述镀液pH值优选为9，镀覆时间优选为7min，施镀温度优选为70℃，镀层厚度优选为5μm。
上述镀镍后的碳化硼颗粒和铝粉的重量百分比分别优选为68％和32％。
可将本发明的镀镍碳化硼/铝复合涂料喷涂在基体上形成空间防护涂层，并由此制作出带有本发明镀镍碳化硼/铝复合涂层的新型空间防护材料。
上述喷涂方法为火焰喷涂法或等离子喷涂法。
上述基体为铝基体。
本发明的有益效果是：本发明通过将碳化硼颗粒进行表面改性处理后与铝粉混合，提高了碳化硼的含量；使用的镀镍方法较传统的Ni-P镀处理相比，不需要昂贵的PbCl2等活化试剂，降低了成本；实现了采用常规火焰喷涂或等离子喷涂制备高碳化硼含量的涂层，大大降低了喷涂成本；并且，由此制得的涂层具有轻质的特点及良好的电子辐射吸收性能。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，绝非限制本发明。
等离子喷涂试验采用瑞士PT公司生产的R750C等离子喷涂设备进行的，喷涂前将Al板进行超声波清洗3min，喷砂处理1min。
等离子喷涂主要技术指标如下：电源容量105kVA，功率80kW，最大电流DC800A，送粉速度1～8kg/h，最大装粉量8kg/每次，送粉粒度150-250目，供气气压2MPa，等离子气体为氩气，辅助气体为氢气。
实施例1：将2300g原料碳化硼(粒度150目)进行镀前处理(500℃下氧化0.5h)；然后采用化学镀镍，镀液配方为：NiSO4·2H2O 35g/L、NaH2PO2·H2O 28g/L、NH4Cl 30g/L及Na3C6H5O7·2H2O 20g/L。镀液pH值为11，镀覆时间为9min，施镀温度为60±1℃，镀层厚度8μm，总重量为2500g。将镀镍碳化硼颗粒同2130g铝粉(粒度为160目)配制后，以无水乙醇为介质，放在磁力搅拌机上进行搅匀，搅拌时间为1h，过滤，将混合粉体放置在空气中自然风干，得到本发明涂料。最后采用等离子喷涂技术将本发明的镀镍碳化硼/铝复合涂料喷涂到1mm的铝基体上即得到带有镀镍碳化硼/铝复合涂层的防护材料。
经测试，当镀镍碳化硼/铝涂层厚度为0.1mm时的电子吸收剂量为5.5kGy，而同样的电子吸收剂量所需铝板的厚度为0.3mm。而厚度为0.1mm的镀镍碳化硼/铝涂层重量仅为0.27kg/m2，厚度为0.3mm的Al板重量却为0.81kg/m2。由此表明该镀镍碳化硼/铝复合涂层具有轻质的特点及良好的电子辐射吸收性能。
最后将涂层和铝板用酸溶解后把未溶解的碳化硼取出称重为1840g，与配粉时的重量比较、计算后可知所获得镀镍碳化硼/铝涂层中碳化硼的实际含量为39.7％，与理论值49.7％相差不大。
实施例2：将1840g原料碳化硼(粒度250目)进行镀前处理(700℃下氧化1h)；然后采用化学镀镍，镀液配方为：NiSO4·2H2O 45g/L、NaH2PO2·H2O 35g/L、NH4Cl 45g/L及Na3C6H5O7·2H2O 27g/L。镀液pH值为10，镀覆时间为8min，施镀温度为80±1℃，镀层厚度6μm，总重量为2000g。将镀镍碳化硼颗粒同530g铝粉(粒度250目)配制后，以无水乙醇为介质，放在磁力搅拌机上进行搅匀，搅拌时间为2h，过滤，将混合粉体放置在空气中自然风干，得到本发明涂料。最后采用等离子喷涂技术将本发明的镀镍碳化硼/铝复合涂料喷涂到1mm的铝基体上即得到镀镍碳化硼/铝复合涂层。
经测试，当镀镍碳化硼/铝涂层厚度为0.5mm时的电子吸收剂量为51.5kGy，而同样的电子吸收剂量所需铝板的厚度为2.3mm。而厚度为0.5mm的镀镍碳化硼/铝涂层重量仅为1.28kg/m2，厚度为2.3mm的Al板重量却为6.21kg/m2。由此表明该镀镍碳化硼/铝复合涂层具有轻质的特点及良好的电子辐射吸收性能。
最后将涂层和铝板用酸溶解后把未溶解的碳化硼取出称重为1700g，与配粉时的重量比较、计算后可知所获得镀镍碳化硼/铝涂层中碳化硼的实际含量为67.2％，与理论值72.7％相差不大。
实施例3：将1610g原料碳化硼(粒度200目)进行镀前处理(600℃下氧化1h)；然后采用化学镀镍，镀液配方为：NiSO4·2H2O 40g/L、NaH2PO2·H2O 32g/L、NH4Cl 40g/L及Na3C6H5O7·2H2O 24g/L。镀液pH值为9，镀覆时间为7min，施镀温度为70±1℃，镀层厚度5μm，总重量为1710g。将镀镍碳化硼颗粒同805g铝粉(粒度200目)配制后，以无水乙醇为介质，放在磁力搅拌机上进行搅匀，搅拌时间为1.5h，过滤，将混合粉体放置在空气中自然风干，得到本发明涂料。最后采用等离子喷涂技术将本发明的镀镍碳化硼/铝复合涂料喷涂到1mm的铝基体上即得到镀镍碳化硼/铝复合涂层。
经测试，当镀镍碳化硼/铝涂层厚度为0.77mm时的电子吸收剂量为52.8kGy而同样的电子吸收剂量所需铝板的厚度为2.3mm。而厚度为0.77mm的镀镍碳化硼/铝涂层重量仅为2.26kg/m2，厚度为2.3mm的Al板重量却为6.21kg/m2。表明该镀镍碳化硼/铝复合涂层具有轻质的特点及良好的电子辐射吸收性能。
最后将涂层和铝板用酸溶解后把未溶解的碳化硼取出称重为1500g，与配粉时的重量比较、计算后可知所获得镀镍碳化硼/铝涂层中碳化硼的实际含量为59.6％，与理论值64.0％相差不大。

Claims (10)

1.一种镀镍碳化硼/铝复合涂料，其特征在于其组成包括：重量百分比为54-79％的镀镍碳化硼颗粒，21-46％的铝粉。
2.根据权利要求1所述的镀镍碳化硼/铝复合涂料，其特征在于其组成包括：重量百分比为68％的镀镍碳化硼颗粒和32％的铝粉。
3.一种制备权利要求1所述的镀镍碳化硼/铝复合涂料的方法，包括以下步骤：
1)原料碳化硼颗粒的预氧化处理，处理方法为在500-700℃煅烧0.5-1h；
2)碳化硼颗粒的化学镀镍处理，镀液配方为：NiSO4·2H2O 35-45g/L、NaH2PO2·H2O28-35g/L、NH4Cl 30-45g/L及Na3C6H5O7·2H2O 20-27g/L，镀液pH值为9-11，镀覆时间为7-9min，施镀温度为60-80℃，镀层厚度为5-8μm；
3)将经步骤2)制备的镀镍后的碳化硼颗粒和铝粉按重量百分比分别为54-79％和21-46％配制；
4)将经步骤3)配制后的混合物，以无水乙醇为介质，放在磁力搅拌机上进行搅匀，搅拌1-2h，过滤，将混合粉体放置在空气中自然风干，由此得到本发明的镀镍碳化硼/铝复合涂料。
4.根据权利要求3所述的镀镍碳化硼/铝复合涂料的制备方法，其特征在于所述原料碳化硼颗粒的粒度为150-250目，铝粉粒度为160-250目。
5.根据权利要求3所述的镀镍碳化硼/铝复合涂料的制备方法，其特征在于所述镀液配方为：NiSO4·2H2O 40g/L、NaH2PO2·H2O 32g/L，、NH4Cl 40g/L及Na3C6H5O7·2H2O 24g/L，所述镀液pH值为9，所述镀覆时间为7min，所述施镀温度为70℃，所述镀层厚度为5μm。
6.根据权利要求3所述的镀镍碳化硼/铝复合涂料的制备方法，其特征在于镀镍后的碳化硼颗粒和铝粉以重量百分比分别为68％和32％配制。
7.权利要求1或2中任何一项限定的镀镍碳化硼/铝复合涂料作为空间防护涂层的应用，其特征在于将其以喷涂法喷涂于基体之上形成涂层。
8.根据权利要求7所述的镀镍碳化硼/铝复合涂料的应用，其特征在于所述喷涂法为火焰喷涂法或等离子喷涂法。
9.根据权利要求7所述的镀镍碳化硼/铝复合涂料的应用，其特征在于所述基体为铝基体。
10.一种空间防护材料，其特征在于在基体上涂覆有权利要求1或2所述镀镍碳化硼/铝复合涂料的涂层。
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