CN104498855B - 一种自修复吸波耐磨涂层及其制备方法 - Google Patents

一种自修复吸波耐磨涂层及其制备方法 Download PDF

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本发明提供了一种自修复吸波耐磨涂层及其制备方法。以该自修复吸波耐磨涂层的原料组成的总量为100wt％计，该自修复吸波耐磨涂层的原料组成包括：30wt％‑60wt％的Al2O3‑TiO2复合材料、20wt％‑40wt％的MnO2和10wt％‑40wt％的SiO2，其中，以Al2O3‑TiO2复合材料的总量为100wt％计，TiO2的含量为7wt％‑20wt％，余量为Al2O3。本发明还提供了上述自修复吸波耐磨涂层的制备方法，是通过等离子喷涂工艺完成的。本发明提供的自修复吸波耐磨涂层的厚度薄、与基体的附着力强同时具有较好吸波耐磨性能。

Description

一种自修复吸波耐磨涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种涂层及其制备方法，特别涉及一种通过等离子喷涂工艺制备的自修复吸波耐磨涂层，属于涂层及其制备技术领域。
背景技术
随着航空电子技术的迅猛发展，未来战争变成了高新技术的较量。为了提高军用武器的生存力和战斗力，世界各主要军事大国都在努力发展低可见度技术，在这种时代背景下"隐身技术"应运而生，它可广泛应用于运动军事目标(飞机、导弹、坦克、潜艇等)及非运动军事目标(如雷达站、机场等)。
所谓隐身，就是在一定的探测环境中控制或降低各种武器装备的特征信号使其难以被发现识别。
现代战争中雷达是探测目标最可靠的手段，因此雷达隐身是隐身技术的重点。雷达最大探测距离R与它的参数间存在着以下关系：
式中：Pt为雷达发射功率，Prmin为雷达接收机可辨识的最小功率，G为雷达天线增益，λ为雷达工作波长，σ为目标雷达散射截面积。
从上式可以看出，雷达最大探测距离的四次方与它的雷达散射截面积(RadarCrossing Section)σ成正比关系，因此，要减小雷达探测距离实现隐身就必须降低目标的雷达散射截面积，目前外形隐身设计和应用雷达吸波材料是两种主要手段。
雷达吸波涂层因其制备相对简单，施工方便，不受工件形状限制等诸多优势而成为飞行器隐身，尤其是在役装备隐身性能改装的理想措施。雷达吸波涂层是指对相应波段的雷达波具有低反射的涂层，涂层反射衰减大小是雷达隐形性能的重要指标。衡量吸波涂层整体性能的两个最重要的指标一个是吸波性能，一个是附着力。对于飞机的隐身来说，吸波性能越强越好，即飞机的RCS越小越好；涂层附着力越大越好，因为附着力小导致吸波涂层的剥落就意味着隐身功能的失效。例如目前最先进的隐身飞机之一美国B-2战略轰炸机，它在整个机身表面都采用了吸波涂层，对吸波涂层进行修复和维护是一项非常高成本的支出，而真正的战争过程中修复所占用的时间更是一项无法计量的巨大成本。因此飞机战斗机等武器装备对高附着力、既耐磨又吸波的复合功能涂层有着迫切需求。
目前，吸波涂层的制备方法为手工涂覆，吸波体系的设计则为吸波剂+透波剂+助剂(胶粘剂或缓蚀剂等)。其中，手工涂覆方法以及粘结剂(多为环氧树脂或聚氨酯)的使用使得传统吸波涂层存在厚度难控制、组织分散均匀性差、涂层固化周期长等缺点；同时造成涂层厚度大，面密度大，附着力低易剥落。
研制新一代轻质、宽频，且具高附着力的吸波耐磨复合功能涂层是目前航空航天技术装备发展的迫切需求，同时也面临着重大挑战。因为往往涂层在具有良好吸波性能的同时，其附着力、耐磨性能、柔韧性以及抗剥离强度却变差，从而导致吸波涂层容易从基体剥离甚至脱落。所以，需从涂层吸收性能、涂层耐磨性能与涂层附着力等方面进行同步研究。
以往的研究中，对涂层吸收性能改善的研究主要集中在开发新型吸收剂、对吸收剂进行改性处理以及吸收剂多元化等方法上。也有从吸波体整体结构上进行特殊设计来提高对电磁波的吸收性能。但都是仅从提高吸波涂层本身的电磁波吸收性能角度来研究的，并没有同时考虑到涂层附着力、耐磨性等问题。
目前对于吸波涂层存在的结合力差易剥落失效、涂层厚度大面密度大、固化时间长等缺点，国内外学者普遍认为涂层的附着力及力学性能主要取决于粘结剂，所以为了提高涂层的力学性能，学者们对粘结剂或者基体材料进行了专门的研究。这些研究的一个共同点就是通过粘结剂的改性或新型粘结剂的研究，虽然能在一定程度上改善涂层的附着力，但仍无法取得质的飞跃。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种厚度薄、与基体附着力强同时具有较好吸波耐磨性能的涂层及其制备方法。
为了达到上述目的，本发明首先提供了一种自修复吸波耐磨涂层，以该自修复吸波耐磨涂层的原料组成的总量为100wt％计，该自修复吸波耐磨涂层的原料组成包括：30wt％-60wt％的Al2O3-TiO2复合材料、20wt％-40wt％的MnO2和10wt％-40wt％的SiO2，其中，以Al2O3-TiO2复合材料的总量为100wt％计，TiO2的含量为7wt％-20wt％，余量为Al2O3。
本发明提供的自修复吸波耐磨涂层中，优选地，以该自修复吸波耐磨涂层的原料组成的总量为100wt％计，该自修复吸波耐磨涂层的原料组成包括：40wt％-50wt％的Al2O3-TiO2复合材料、30wt％-40wt％的MnO2和20wt％-30wt％的SiO2，其中，以Al2O3-TiO2复合材料的总量为100wt％计，TiO2的含量为7wt％-20wt％，余量为Al2O3；更优选地，以Al2O3-TiO2复合材料的总量为100wt％计，TiO2的含量为13wt％，余量为Al2O3。
本发明提供的自修复吸波耐磨涂层中，优选地，选用的SiO2粒子为经过次磷酸钠浸泡后的多孔SiO2粒子。
本发明的自修复吸波耐磨涂层的原料组成中Al2O3-TiO2复合材料主要起分散、抗磨损和支撑作用，保护MnO2不被烧损；MnO2作为主要吸收剂，具备优良的电磁波吸收性能；选用多孔的SiO2作为透波剂，将SiO2经过次磷酸钠浸泡后具有透波和自修复功能。
本发明还提供了上述自修复吸波耐磨涂层的制备方法，是利用等离子喷涂工艺将适于热喷涂工艺的吸波耐磨材料的粉末喷涂在基体上，制备出厚度薄、与基体附着力高，同时具有较好吸波耐磨性能的涂层；另外，将透波剂(多孔SiO2)在缓蚀剂(次磷酸钠)中浸泡后，实现涂层的自修复功能。同时，实现了制备过程的自动化控制，利于更好地控制涂层厚度和组织均匀性，减少了固化的工艺环节，大大缩短了工艺制备周期，使涂层向着“薄、轻、宽、强”的目标发展。该制备方法具体包括以下步骤：
将所述Al2O3-TiO2复合材料、MnO2和SiO2混合，得到混合粉末，将混合粉末在100℃-200℃下加热1h-4h，进行加热除湿；
通过等离子喷涂工艺将加热后的混合粉末喷涂在基体上，形成所述自修复吸波耐磨涂层。
本发明提供的自修复吸波耐磨涂层的制备方法中，优选地，所述Al2O3-TiO2复合材料、MnO2和SiO2混合后得到的混合粉末的粒径为25μm-45μm。
本发明提供的自修复吸波耐磨涂层的制备方法中，优选地，所述自修复吸波耐磨涂层的厚度为0.5-0.8mm。
本发明提供的自修复吸波耐磨涂层的制备方法中，优选地，所述等离子喷涂工艺的电流为460-500A。
本发明提供的自修复吸波耐磨涂层的制备方法中，优选地，所述等离子喷涂工艺的电压为65-70V。
本发明提供的自修复吸波耐磨涂层的制备方法中，优选地，控制等离子喷涂工艺的送粉速度为11.1-11.4g/min。
本发明提供的自修复吸波耐磨涂层的制备方法中，优选地，所述等离子喷涂工艺的喷涂距离为100-110mm。
本发明提供的自修复吸波耐磨涂层的制备方法中，优选地，喷涂一层所述自修复吸波耐磨涂层后，待自修复吸波耐磨涂层冷却再喷涂另一层自修复吸波耐磨涂层。
根据本发明的具体实施方式，在喷涂前用无水乙醇擦拭基体外表面，以去除油污及杂质，并将待喷涂面用棕刚玉进行吹砂处理。
根据本发明的具体实施方式，优选地，等离子喷涂工艺的载气为40L/min，主气为65-70L/min，辅助气为12-14L/min，喷涂速度控制在400mm/s。其中，载气作为送粉气，将粉末送入焰流中进行加热；通过调节主气、次气以控制气体的流量和比例，从而改变等离子弧的长度和焰流速度，最终改变粉末粒子的速度。
根据本发明的具体实施方式，采用的等离子喷涂工艺具体包括以下步骤：
粉末粒子在等离子体焰流作用下受热，达到熔融态、半熔融态，高速喷射到基体表面，一层一层叠加起来形成涂层，粒子间为机械结合方式，因此涂层内部具有多孔隙结构。
本发明针对新型航空战斗机关键部件(如起落架传动机构，折叠机翼等)对耐磨隐身性能的需求，从涂层吸波性能、耐磨性能与涂层附着力三方面进行同步研究。以此为目标，从涂层新的制备工艺和新的吸波机理等方面进行探索研究，在满足吸波性能需求前提下，减厚减重，提高涂层附着力和耐磨性能。
本发明提供的制备方法中采用的等离子喷涂工艺具有工艺灵活，喷涂效率高，涂层质量好，喷涂材料范围广，喷涂基体不受限制等优势，它可在陶瓷、金属、树脂、甚至纸张的表面制备出所需涂层。利用等离子喷涂焰流对粉末进行雾化、蒸发、烧结、加速，最后在基体表面沉积来制备涂层，可提高喷涂效率，降低成本，使涂层组织更加均匀分散，更好地熔化和沉积硬质耐磨相，拓宽喷涂范围。在本发明的制备方法中充分利用等离子喷涂工艺的优势来制备新型的吸波耐磨涂层，对于提高吸波涂层结合力(即延长吸波涂层的有效寿命，与传统涂覆法相比结合力将成倍增加)、提高涂层制备效率(减少传统涂覆法制备涂层所需的固化时间)、制备出“薄”“轻”而且组织成分均匀弥散的涂层具有重要的意义。本发明提供的通过等离子喷涂工艺制备得到的自修复吸波耐磨涂层的吸波原理与优势如下：
通过等离子喷涂工艺制备的涂层具有多孔结构，为吸波涂层提供了天然的透波通道；
本发明提供的方法中没有使用涂覆方法中环氧树脂等粘结剂，利用等离子喷涂焰流的高温使喷涂材料软化、嵌合、粘结在一起，有效提高了涂层的粘结强度同时大大减小了整个吸波涂层面的密度；
另外，等离子喷涂工艺的自动化控制及喷涂沉积方式使得涂层组织结构的均匀性得到保障，同时，在等量的吸波剂下，涂层的厚度得到有效减薄；
硬质相(Al2O3-TiO2陶瓷相)弥散分布可起到支撑耐磨作用，透波剂在缓蚀剂中浸泡后，在摩擦力作用下可及时释放出来，有效修补涂层出现的裂纹缺陷，起到自修复作用。
本发明提供的自修复吸波耐磨涂层及其制备方法具有如下优点：
制备过程简化：周期短，效率高，易实现自动化生产；
选用的材料新颖，添加了Al2O3-TiO2复合材料粉末作为耐磨支撑，同时保护MnO2不被烧损；使用MnO2粉末作为吸波剂，使用经次磷酸钠浸泡的多孔SiO2作为透波剂，具备透波和自修复功能；
本发明提供的方法制备得到的涂层面密度小、厚度薄、质量轻、附着力强、组织均匀弥散(孔隙率)、吸波性能好。
附图说明
图1为实施例1中的自修复吸波耐磨涂层的图片。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
实施例1
本实施例提供了七种自修复吸波耐磨涂层，以该自修复吸波耐磨涂层的原料组成的总量为100wt％计，该自修复吸波耐磨涂层的原料组成如表1所示。
表1
样品 Al2O3-TiO2复合材料 MnO2 SiO2
1 60wt％ 20wt％ 20wt％
2 60wt％ 30wt％ 10wt％
3 50wt％ 30wt％ 20wt％
4 40wt％ 30wt％ 30wt％
5 40wt％ 40wt％ 20wt％
6 30wt％ 30wt％ 40wt％
7 30wt％ 40wt％ 30wt％
本实施例还提供了上述自修复吸波耐磨涂层的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
将粉末进行机械混合，得到混合粉末，将混合粉末置于高温炉内在100℃加热1小时，进行加热除湿；
处理基体材料(每一组粉末都分别采用了环氧树脂和铝板两种基体，喷涂在环氧树脂基体上的样品的下标为1，如11，喷涂在铝板基体上的样品的下标2，如12)：喷涂前30分钟，用无水乙醇擦拭基体外表面，去除油污及杂质，并将待喷涂面用棕刚玉进行吹砂处理；
开启设备，冷却水，冷却气，通过等离子喷涂工艺将加热后的混合粉末喷涂在基体上，每当在待喷涂表面沉积一层，中间停弧待涂层冷却；测量涂层厚度，当达到目标涂层的厚度，关掉设备，基体上形成所述自修复吸波耐磨涂层，每种样品在喷涂过程中的参数设置如表2所示。
表2
对样品3分别喷涂在环氧树脂基体上和铝板基体上的样品的表面进行了扫描，如图1所示，图1中的左侧是铝合金基体上制备的涂层(样品32)的表面形貌图，右侧是环氧树脂基体上制备的涂层(样品31)表面形貌图。由图1可以看出，样品32和样品31由于基体材料的不同，涂层沉积后表面形貌有差异。其中，铝合金基体上沉积的涂层组织致密，表面平整。而环氧树脂上沉积的涂层自动分裂成块状。从而导致它们的吸波性能、结合强度等存在着差异。
并对喷涂在基体上的样品进行了相关性能测试，测试结果如表3所示，表3中下标为1的是喷涂在环氧树脂基体上的样品，下标为2的是指喷涂在铝板基体上的样品。
表3
通过表3可以看出，利用等离子喷涂工艺所制备的自修复吸波耐磨涂层，都表现出了一定的吸波性能，尤其31，32，41，42，51涂层，表现出了较优的吸波性能，频带较宽，且附着力较涂覆工艺制备的涂层(一般10-15MPa)有较大提高，尤其铝板基体上的涂层的附着力，平均都在25MPa以上；
吸波性能随涂层厚度的增大而有所提高，而附着力都随涂层厚度的增大而下降。0.8mm的涂层较0.5mm涂层吸波性能及吸波频带都有提高，但附着力变小；
吸收剂(MnO2)的含量的改变以及与透波剂(多孔SiO2)之间的不同配比，对涂层性能也有着直接的影响，其中，Al2O3-TiO2：MnO2：SiO2为40-50wt％：30-40wt％：20-30wt％时，涂层表现出了较优的综合性能；
涂层制备过程中，不再使用胶粘剂，涂层厚度也<1mm，因此涂层的面密度大大降低，实现了涂层“薄”“轻”的发展目标；
喷涂工艺过程完全自动化控制，因此涂层厚度和组织结构均匀可控，克服了手工涂覆工艺中存在的厚度不均，省却了涂敷完成后还需固化等步骤，大大简化了工艺过程，缩短了制备周期，节约了成本。

Claims (9)

1.一种自修复吸波耐磨涂层，以该自修复吸波耐磨涂层的原料组成的总量为100wt％计，该自修复吸波耐磨涂层的原料组成包括：30wt％-60wt％的Al2O3-TiO2复合材料、20wt％-40wt％的MnO2和10wt％-40wt％的SiO2，其中，以Al2O3-TiO2复合材料的总量为100wt％计，TiO2的含量为7wt％-20wt％，余量为Al2O3，所述SiO2为经过次磷酸钠浸泡后的多孔SiO2。
2.根据权利要求1所述的自修复吸波耐磨涂层，其中，以该自修复吸波耐磨涂层的原料组成的总量为100wt％计，该自修复吸波耐磨涂层的原料组成包括：40wt％-50wt％的Al2O3-TiO2复合材料、30wt％-40wt％的MnO2和20wt％-30wt％的SiO2，以Al2O3-TiO2复合材料的总量为100wt％计，TiO2的含量为7wt％-20wt％，余量为Al2O3。
3.权利要求1或2所述的自修复吸波耐磨涂层的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
将所述Al2O3-TiO2复合材料、MnO2和SiO2混合，得到混合粉末，将混合粉末在100℃-200℃下加热1h-4h；
通过等离子喷涂工艺将加热后的混合粉末喷涂在基体上，形成所述自修复吸波耐磨涂层。
4.根据权利要求3所述的自修复吸波耐磨涂层的制备方法，其中，所述Al2O3-TiO2复合材料、MnO2和SiO2混合后得到的混合粉末的粒径为25μm-45μm。
5.根据权利要求3所述的自修复吸波耐磨涂层的制备方法，其中，所述自修复吸波耐磨涂层的厚度为0.4-1.0mm。
6.根据权利要求3所述的自修复吸波耐磨涂层的制备方法，其中，所述等离子喷涂工艺的电流为450-550A；所述等离子喷涂工艺的电压为60-70V。
7.根据权利要求3所述的自修复吸波耐磨涂层的制备方法，其中，控制等离子喷涂工艺的送粉速度为10-20g/min。
8.根据权利要求3所述的自修复吸波耐磨涂层的制备方法，其中，所述等离子喷涂工艺的喷涂距离为90-120mm。
9.根据权利要求3所述的自修复吸波耐磨涂层的制备方法，其中，喷涂一层所述自修复吸波耐磨涂层后，待自修复吸波耐磨涂层冷却再喷涂另一层自修复吸波耐磨涂层。
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