CN102560600A

CN102560600A - 一种镁合金表面综合防护吸波涂层及其制备方法

Info

Publication number: CN102560600A
Application number: CN2010106027870A
Authority: CN
Inventors: 王福会; 杜克勤; 郭泉忠; 张伟
Original assignee: Institute of Metal Research of CAS
Current assignee: Institute of Metal Research of CAS
Priority date: 2010-12-23
Filing date: 2010-12-23
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2030-12-23
Also published as: CN102560600B

Abstract

本发明涉及镁合金领域，具体为一种镁合金表面制备综合防护吸波涂层的方法以及应用该方法制备的各种涂层。在镁合金表面微弧氧化陶瓷层的基础上涂覆吸波涂层，制备出腐蚀防护性和吸波功能性的综合涂层。本发明采用镁合金微弧氧化技术以及吸波涂层复合技术，前者实现在大面积条件下进行稳定的微弧氧化工艺的实施，制备了致密微观结构的陶瓷层，显著提高镁合金的耐蚀性。后者具有对多孔陶瓷层封闭的作用，进一步提高陶瓷层耐蚀性的同时，又使其具有吸波功能。本发明综合涂层具有耐腐蚀性优良、电磁波吸收频段宽、吸收率高、表面结合牢固等特点，可广泛用于航空、航天、军工、电子产品等领域，具有重大的社会和经济价值。

Description

一种镁合金表面综合防护吸波涂层及其制备方法

技术领域：

本发明涉及镁合金领域，具体为一种镁合金表面制备综合防护吸波涂层的方法以及应用该方法制备的各种涂层。

背景技术：

隐身技术在发达国家飞速发展，并已应用于先进武器装备中，对我国的军事安全构成极大的威胁。作为军事领域中首要的高技术被列为“竞争战略”的基本要素。近年来，随着先进红外/紫外探测器、毫米波段雷达等新型先进探测器的相继问世以及一体化防御系统效能亟待提高对原有装备的隐身技术提出了更为严峻的挑战。再者，近年来，空间电磁波的急剧增加，对人身安全、设备稳定产生了不能忽视的影响。吸波技术作为提高武器系统隐身能力以及减少电磁波对人体、电子设备影响的有效手段，在武器装备和电子产品领域具有重大应用需求。镁合金作为重要的轻型承载性金属结构材料，未来势必在武器装备、航空航天以及电子产品等领域具有重大的应用价值，在未来几年中，镁合金有望在飞行器、航天器等航空航天设备和电子产品中替代大量现阶段使用的其他金属，实现重大装备轻量化。在此基础之上，如能实现其表面吸波防护涂层，研制既有电磁波吸收功能和表面综合防护性能又有承载能力的稀土镁合金部件，对于未来武器装备和电子产品具有不可估量的战略意义。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种镁合金表面综合防护吸波涂层及其制备方法，为了提高镁合金表面的耐蚀性能同时使其具备吸波功能，包括利用微弧氧化技术提高镁合金表面耐蚀性，吸波涂层复合技术进一步提高微弧氧化层的耐蚀性能，并使涂层具备吸波功能。

本发明的技术方案如下：

一种镁合金表面综合防护吸波涂层，底层为微弧氧化技术制备的多孔陶瓷层，在多孔陶瓷层基础上涂覆一层梯度结构的吸波涂层。

本发明中，多孔陶瓷层的技术参数范围如下：

陶瓷层厚度为30～50μm，盐雾实验(ASTM B117标准)≥800h，孔隙率为5～10％，结合强度≥30MPa，显微硬度≤400HV_0.1。

本发明中，吸波涂层的技术参数范围如下：

涂层厚度为1～2mm，吸波剂粒径为50nm～2μm，吸收频宽(反射损耗＜-10dB)≥2GHz。

本发明中，镁合金表面综合防护吸波涂层的制备方法，包括如下步骤：

A.将待加工镁合金表面置于电解液中，针对不同的镁合金，所述电解液包括以下几种成分：浓度为1～50g/L的硅酸钠，浓度为1～10g/L的氢氧化钠(或氢氧化钾)，浓度为1～15g/L的碳酸钠，浓度为1～10g/L尿素(H₂N-CO-NH₂)，浓度为0～5g/L的氟硅酸钠(或氟铝酸钠、氟硼酸钠、氟锆酸钠)，浓度为0.1～1g/L的氟化钠，其余为水。然后，将待加工合金表面作为电极，惰性导体(石墨)作为所述待加工合金表面的对电极，上述两个电极与电源构成电解回路，电源施加直流或交流脉冲电压，工艺参数如下：

脉冲频率在20～3000Hz范围内调整，在待加工合金表明为阳极情况(阳极化)下电解电压在20～650V范围内变化；在待加工合金表明为阴极情况(阴极化)下电解电压在20～400V范围内变化。这一步骤可以进一步细化为：同时施加交流脉冲电压，阳极化和阴极化电压脉冲幅值可相同也可不同，可分别稳定控制在电压变化范围的某一水平上，也可同步提升或降低，也可分别反方向变化，控制施加时间0.5～6h。从而，在镁合金表面形成厚度为30～50μm的多孔陶瓷层。

B.吸波涂层主要由吸波剂和树脂组成，按质量比吸波剂∶粘结剂＝(1～4)∶(1～3)，将吸波剂添加到粘结剂中，经搅拌使其均匀弥散。

所述吸波剂为钡铁氧体、羰基铁粉、钛酸钡、炭黑、聚苯胺、多壁碳管、短碳化硅纤维或Si/C/N粉末等，吸波剂颗粒的大小为50nm～2μm，所述粘结剂主要有：聚氨脂、环氧树脂等。

吸波剂与粘结剂的质量比为：

(1)钡铁氧体∶环氧树脂∶聚氨脂＝(2～4)∶(1～2)∶(0.2～0.5)；

(2)羰基铁粉∶环氧树脂∶聚氨脂＝(1～4)∶(1～2)∶(0.2～0.5)；

(3)钛酸钡∶环氧树脂∶聚氨脂＝(1～4)∶(1～2)∶(0.2～0.8)；

(4)炭黑∶环氧树脂∶聚氨脂＝(2～3)∶(1～2)∶(0.2～0.5)；

(5)聚苯胺∶环氧树脂∶聚氨脂＝(2～3)∶(1～2)∶(0.2～0.5)；

(6)多壁碳管∶环氧树脂∶聚氨脂＝(1～3)∶(1～2)∶(0.2～0.5)；

(7)短碳化硅纤维∶环氧树脂∶聚氨脂＝(2～3)∶(1～2)∶(0.2～0.5)；

(8)Si/C/N粉末∶环氧树脂∶聚氨脂＝(2～3)∶(1～2)∶(0.2～0.5)。

C.将步骤B制备的涂料，加入固化剂聚酰胺，聚酰胺与环氧树脂质量比为(0.2～0.5)∶(0.5～1.5)，均匀涂覆(喷涂或刷涂)步骤A制备的材料表面形成组分梯度变化的涂层，烘干温度为20～90℃，涂层厚度为1～2mm。

本发明的有益效果是：

1、本发明首次提出镁合金表面制备综合防护吸波涂层的概念，研究镁合金表面在实现综合防护的同时，进一步实现其表面功能化，形成具有吸波功能的涂层防护，势必显示出独到应用价值。目前，国内外这一领域尚属空白，因此镁合金表面吸波功能涂层材料的制备技术，对实现未来武器装备的轻量化与隐身的统一以及电子产品的轻量化与电磁防护的统一具有重大意义和应用前景。

2、本发明在镁合金表面微弧氧化陶瓷层的基础上涂覆吸波涂层，制备出具有腐蚀防护性和吸波功能性的综合功能涂层，采用了镁合金微弧氧化技术以及吸波涂层复合技术，实现在大面积条件下进行稳定的微弧氧化工艺的实施，制备了致密微观结构的陶瓷层，显著提高镁合金的耐蚀性。后者具有对多孔陶瓷层封闭的作用，进一步提高陶瓷层耐蚀性的同时，又使其具有吸波功能。综合涂层具有耐腐蚀性优良、电磁波吸收频段宽、吸收率高、表面结合牢固等特点，可广泛用于航空、航天、军工、电子产品等领域，具有重大的社会和经济价值。

3、采用本发明可以在待加工镁合金表面形成微等离子体，通过控制待加工合金表面生成的陶瓷层的微观组织结构，在合金表面上制备了致密微观结构的陶瓷层，显著提高镁合金的耐蚀性。另外，在陶瓷层表面涂覆一层吸波涂层，一方面对陶瓷层起到封闭作用，进一步提高陶瓷层的防护性，另一方面使涂层具有吸波功能，并且可通过调节吸波剂的种类、含量、电磁参数以及涂层厚度，从而有效地改变吸收强度和吸收峰频率区间。

附图说明：

图1为镁合金综合防护吸波涂层的微观设计及原理图。

图2为实施例1镁合金表面综合防护吸波涂层的吸收曲线。

图3为实施例2镁合金表面综合防护吸波涂层的吸收曲线。

图4为实施例3镁合金表面综合防护吸波涂层的吸收曲线。

图5为实施例4镁合金表面综合防护吸波涂层的吸收曲线。

图6为实施例5镁合金表面综合防护吸波涂层的吸收曲线。

图7为实施例6镁合金表面综合防护吸波涂层的吸收曲线。

图8为实施例7镁合金表面综合防护吸波涂层的吸收曲线。

图9为实施例8镁合金表面综合防护吸波涂层的吸收曲线。

具体实施方式：

下面对本发明方案进行具体说明：

实施例1：

步骤1：采用镁合金板材，这里选用AZ91D铝合金进行加工。将待加工镁合金表面置于电解液中。所述电解液包括浓度为1～50g/L(本实施例为20g/L)的硅酸钠，浓度为1～10g/L(本实施例为3g/L)的氢氧化钠，浓度为1～15g/L(本实施例为8g/L)的碳酸钠，浓度为1～10g/L(本实施例为5g/L)尿素(H₂N-CO-NH₂)，1～5g/L(本实施例为3g/L)的氟硅酸钠，浓度为0.1～1g/L(本实施例为0.5g/L)的氟化钠，其余为水。

将待加工合金表面作为电极，惰性导体作为所述待加工合金表面的对电极，上述两个电极与电源构成电解回路。这里所说的惰性导体为对本实施例中特定的电解液显示惰性的导体(本实施例为石墨)。

控制电源施加直流或交流脉冲电压，脉冲频率在20～3000Hz(本实施例为1000Hz)范围内调整。在待加工合金表明为阳极情况(阳极化)下电解电压在20～650V范围内变化；在待加工合金表明为阴极情况(阴极化)下电解电压在20～400V范围内变化。这一步骤可以进一步细化为：同时施加交流脉冲电压，阳极化和阴极化电压脉冲幅值可相同也可不同，可分别稳定控制在电压变化范围的某一水平上，也可同步提升或降低，也可分别反方向变化，控制施加时间0.5～6h(本实施例采用阳极化电压脉冲幅值为500V和阴极化电压脉冲幅值为300V，施加时间为4小时)。

从而，在镁合金表面形成厚度为40μm左右，盐雾实验(ASTM B117标准)≥800h，孔隙率为8％，结合强度≥30MPa，显微硬度≤400HV_0.1的多孔陶瓷层。

步骤2：将钡铁氧体∶环氧树脂∶聚氨脂按质量比60∶32∶8混合，吸波剂颗粒的大小为100～500nm，经搅拌使其均匀弥散。

步骤3：在步骤2制备的涂料中，加入固化剂聚酰胺(与环氧树脂的质量比为1∶2)，均匀涂覆在步骤1制备的陶瓷层后烘干，厚度为1mm或2mm，烘干温度为50℃。

镁合金涂覆该涂层样品耐中性盐雾时间(ASTM B117标准)≥1000h，吸收曲线如图2，从图中可以看出当涂层厚度为1mm时，电磁波5～10GHz之间反射损耗小于-10dB，吸收频宽为5GHz，吸收峰值为-19dB；当涂层厚度为2mm时，电磁波4～10GHz之间反射损耗小于-10dB，吸收频宽为6GHz，吸收峰值为-28dB。

如图1所示，镁合金表面综合防护吸波涂层的底层为微弧氧化技术制备的多孔陶瓷层(厚度为40μm左右)，在多孔陶瓷层基础上涂覆复合有吸波剂颗粒的聚合物层，聚合物层部分渗入多孔陶瓷层的孔隙中形成梯度结构的吸波涂层。

实施例2：

步骤1：与实施例1步骤1实施相同的步骤。

步骤2：将钛酸钡∶环氧树脂∶聚氨脂按质量比60∶32∶8混合，吸波剂颗粒的大小为500nm～1μm，经搅拌使其均匀弥散。

步骤3：在步骤2制备的涂料中，加入固化剂聚酰胺(与环氧树脂的质量比为1∶2)，均匀涂覆在步骤1制备的陶瓷层后烘干，厚度为1或2mm，烘干温度为50℃。

镁合金涂覆该涂层样品耐中性盐雾时间(ASTM B117标准)≥1100h，吸收曲线如图3，从图中可以看出当涂层厚度为1mm时，电磁波13～15GHz之间反射损耗小于-10dB，吸收频宽为2GHz，吸收峰值为-15dB；当涂层厚度为2mm时，电磁波11.5～15.5GHz之间反射损耗小于-10dB，吸收频宽为4GHz，吸收峰值为-19dB。

实施例3：

步骤1：与实施例1步骤1实施相同的步骤。

步骤2：将羰基铁粉∶环氧树脂∶聚氨脂按质量比70∶25∶5混合，吸波剂颗粒的大小为500nm～1μm，经搅拌使其均匀弥散。

镁合金涂覆该涂层样品耐中性盐雾时间(ASTM B117标准)≥900h，吸收曲线如图4，从图中可以看出当涂层厚度为1mm时，电磁波2～5GHz之间反射损耗小于-10dB，吸收频宽为3GHz，吸收峰值为-17dB；当涂层厚度为2mm时，电磁波1～5GHz之间反射损耗小于-10dB，吸收频宽为4GHz，吸收峰值为-23dB。

实施例4：

步骤1：与实施例1步骤1实施相同的步骤。

步骤2：将炭黑∶环氧树脂∶聚氨脂按质量比40∶50∶10混合，吸波剂颗粒的大小为100nm～300nm，经搅拌使其均匀弥散。

镁合金涂覆该涂层样品耐中性盐雾时间(ASTM B117标准)≥1100h，吸收曲线如图5，从图中可以看出当涂层厚度为1mm时，电磁波10～13GHz之间反射损耗小于-10dB，吸收频宽为3GHz，吸收峰值为-16dB；当涂层厚度为2mm时，电磁波8～13GHz之间反射损耗小于-10dB，吸收频宽为4GHz，吸收峰值为-21dB。

实施例5：

步骤1：与实施例1步骤1实施相同的步骤。

步骤2：将短碳化硅纤维∶环氧树脂∶聚氨脂按质量比50∶40∶10混合，直径100～200nm，长度为700nm～2μm，经搅拌使其均匀弥散。

镁合金涂覆该涂层样品耐中性盐雾时间(ASTM B117标准)≥1100h，吸收曲线如图6，从图中可以看出当涂层厚度为1mm时，电磁波8～11GHz之间反射损耗小于-10dB，吸收频宽为3GHz，吸收峰值为-17dB；当涂层厚度为2mm时，电磁波7～10.5GHz之间反射损耗小于-10dB，吸收频宽为3GHz，吸收峰值为-22dB。

实施例6：

步骤1：与实施例1步骤1实施相同的步骤。

步骤2：聚苯胺粉末∶环氧树脂∶聚氨脂按质量比50∶40∶10混合，吸波剂颗粒的大小为500nm～1μm，经搅拌使其均匀弥散。

镁合金涂覆该涂层样品耐中性盐雾时间(ASTM B117标准)≥1100h，吸收曲线如图7，从图中可以看出当涂层厚度为1mm时，电磁波10.5～14.5GHz之间反射损耗小于-10dB，吸收频宽为4GHz，吸收峰值为-15dB；当涂层厚度为2mm时，电磁波9～14GHz之间反射损耗小于-10dB，吸收频宽为5GHz，吸收峰值为-19dB。

实施例7：

步骤1：与实施例1步骤1实施相同的步骤。

步骤2：将多壁碳管∶环氧树脂∶聚氨脂按质量比30∶55∶15混合，直径50～100nm，长度为100～300nm，经搅拌使其均匀弥散。

镁合金涂覆该涂层样品耐中性盐雾时间(ASTM B117标准)≥1100h，吸收曲线如图8，从图中可以看出当涂层厚度为1mm时，电磁波7～10GHz之间反射损耗小于-10dB，吸收频宽为3GHz，吸收峰值为-17dB；当涂层厚度为2mm时，电磁波6～9GHz之间反射损耗小于-10dB，吸收频宽为3GHz，吸收峰值为-20dB。

实施例8：

步骤1：与实施例1步骤1实施相同的步骤。

步骤2：Si/C/N粉末∶环氧树脂∶聚氨脂按质量比40∶50∶10混合，吸波剂颗粒的大小为500nm～1μm，经搅拌使其均匀弥散。

镁合金涂覆该涂层样品耐中性盐雾时间(ASTM B117标准)≥1100h，吸收曲线如图9，从图中可以看出当涂层厚度为1mm时，电磁波10～12GHz之间反射损耗小于-10dB，吸收频宽为2GHz，吸收峰值为-18dB；当涂层厚度为2mm时，电磁波8～12GHz之间反射损耗小于-10dB，吸收频宽为4GHz，吸收峰值为-23dB。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或者等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明专利的保护范围当中。

Claims

1.一种镁合金表面综合防护吸波涂层，其特征在于，底层为微弧氧化技术制备的多孔陶瓷层，在多孔陶瓷层基础上涂覆一层梯度结构的吸波涂层；吸波涂层包括吸波剂和树脂，按质量比吸波剂∶粘结剂＝(1～4)∶(1～3)。

2.按照权利要求1所述的镁合金表面综合防护吸波涂层，其特征在于，多孔陶瓷层厚度为30～50μm，孔隙率5～10％。

3.按照权利要求1所述的镁合金表面综合防护吸波涂层，其特征在于，吸波涂层厚度为1～2mm，吸波剂粒径为50nm～2μm。

4.一种权利要求1所述镁合金表面综合防护吸波涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

A.将待加工镁合金表面置于电解液中，待加工合金表面作为电极，惰性导体作为所述待加工合金表面的对电极，上述两个电极与电源构成电解回路，电源施加直流或交流脉冲电压，在镁合金表面形成多孔陶瓷层；

B.将各种吸波剂与粘结剂按比例混合后，经搅拌使均匀弥散；

C.在步骤B制备的涂料中，加入固化剂聚酰胺，聚酰胺与环氧树脂质量比为(0.2～0.5)∶(0.5～1.5)，均匀涂覆步骤A制备的材料表面形成组分梯度变化的涂层，烘干温度为20～90℃，涂层厚度为1～2mm。

5.按照权利要求4所述镁合金表面综合防护吸波涂层的制备方法，其特征在于，步骤A中的电解液包括以下几种成分：浓度为1～50g/L的硅酸钠，浓度为1～10g/L的氢氧化钠或氢氧化钾，浓度为1～15g/L的碳酸钠，浓度为1～10g/L尿素，浓度为0～5g/L的氟硅酸钠、氟铝酸钠、氟硼酸钠或氟锆酸钠，浓度为0.1～1g/L的氟化钠，其余为水。

6.按照权利要求4所述镁合金表面综合防护吸波涂层的制备方法，其特征在于，脉冲频率在20～3000Hz范围内调整，在待加工合金表明为阳极情况下电解电压在20～650V范围内变化；在待加工合金表明为阴极情况下电解电压在20～400V范围内变化，控制施加时间0.5～6h。

7.按照权利要求4所述镁合金表面综合防护吸波涂层的制备方法，其特征在于，步骤B中的吸波剂为钡铁氧体、羰基铁粉、钛酸钡、炭黑、聚苯胺、多壁碳管、短碳化硅纤维或Si/C/N粉末，粘结剂为聚氨脂、环氧树脂。

8.按照权利要求7所述镁合金表面综合防护吸波涂层的制备方法，其特征在于，吸波剂与粘结剂的质量比为：

(1)钡铁氧体∶环氧树脂∶聚氨脂＝(2～4)∶(1～2)∶(0.2～0.5)；

(2)羰基铁粉∶环氧树脂∶聚氨脂＝(1～4)∶(1～2)∶(0.2～0.5)；

(3)钛酸钡∶环氧树脂∶聚氨脂＝(1～4)∶(1～2)∶(0.2～0.8)；

(4)炭黑∶环氧树脂∶聚氨脂＝(2～3)∶(1～2)∶(0.2～0.5)；

(5)聚苯胺∶环氧树脂∶聚氨脂＝(2～3)∶(1～2)∶(0.2～0.5)；

(6)多壁碳管∶环氧树脂∶聚氨脂＝(1～3)∶(1～2)∶(0.2～0.5)；

(8)Si/C/N粉末∶环氧树脂∶聚氨脂＝(2～3)∶(1～2)∶(0.2～0.5)。