CN105111935A

CN105111935A - 一种耐高温高辐射热控涂层及其制备方法

Info

Publication number: CN105111935A
Application number: CN201510556818.6A
Authority: CN
Inventors: 李俊峰; 卢鹉; 罗正平
Original assignee: China Academy of Launch Vehicle Technology CALT; Aerospace Research Institute of Materials and Processing Technology
Current assignee: China Academy of Launch Vehicle Technology CALT; Aerospace Research Institute of Materials and Processing Technology
Priority date: 2015-09-02
Filing date: 2015-09-02
Publication date: 2015-12-02
Anticipated expiration: 2035-09-02
Also published as: CN105111935B

Abstract

本发明涉及一种耐高温高辐射热控涂层及其制备方法，形成所述热控涂层的涂料包括填料和成膜物，所述填料为稀土氧化物与碳化硼形成的混合物或者稀土氧化物与碳化硅形成的混合物；所述成膜物为聚硼硅氮烷、聚硅氧氮烷或耐高温有机硅树脂；其中所述填料和所述成膜物的质量比为3～9：1，本发明热控涂层具有耐高温、发射率高、抗热震性强的优点，同时该涂层具有制备方法简单、施工方便、基材适应面广及易修补的优点，可满足军用和民用领域的高温辐射散热需求。

Description

一种耐高温高辐射热控涂层及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种涂层，特别是涉及一种耐高温高辐射热控涂层及其制备方法。

背景技术

耐高温高辐射涂层可以强化基材表面的辐射换热能力，在干燥加热、航空航天、环保建材等领域有着广泛应用。

国外耐高温高辐射涂层在航天领域应用方面已经有近五十年的历史，尤其是在航天飞机上的成功应用，其在民用领域的应用也有三十多年，结果表明高温高辐射涂层在热控、热防护、节能环保领域具有非常重要作用。在新研制的可重复使用飞行器(如X-37B)、高超声速飞行器表面都采用了高辐射材料，证明强化辐射散热是提高热防护能力的重要途径。同时，NASA也将此类耐高温高辐射涂层向窑炉节能等民用领域推广，其与英国FIC公司合作，将高辐射涂层应用到玻璃窑炉中，通过3年实验，表明该高辐射涂层可长期稳定地令窑炉节能10％。

从上世纪七八十年代，国内开始研究高温高辐射涂层，主要用于窑炉节能，且高温辐射换热性能不佳。由于需求不足，国内高温高辐射涂层在航空航天领域的应用研究较少。近年来，新型高速飞行器的发展对用于其表面高温高辐射涂层提出急切需求。同时，我国环境污染非常严重，急需通过提高煤、天然气等一次能源利用效率来降低污染物排放。而高温高辐射涂层可用于钢铁、玻璃、水泥等高耗能重污染企业的窑炉上，达到节能减排的目的。目前应用的高辐射涂层主要包括有机高辐射涂层和无机高辐射涂层两类。有机高辐射涂层存在使用温度低的缺点，使用温度一般不超过400℃.而无机高辐射涂层虽然具有良好的耐高温能力，但其存在与基材热膨胀匹配性差、附着力差、抗机械冲击能力差的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种耐高温高辐射热控涂层，该涂层具有耐高温、发射率高、抗热震性强的优点，同时该涂层具有制备方法简单、施工方便、基材适应面广及易修补的优点，可满足军用和民用领域的高温辐射散热需求。

本发明的另外一个目的在于提供一种耐高温高辐射热控涂层的制备方法。

本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：

一种耐高温高辐射热控涂层，形成所述热控涂层的涂料包括填料和成膜物，所述填料为稀土氧化物与碳化硼形成的混合物或者稀土氧化物与碳化硅形成的混合物；所述成膜物为聚硼硅氮烷、聚硅氧氮烷或耐高温有机硅树脂；其中所述填料和所述成膜物的质量比为3～9：1。

在上述耐高温高辐射热控涂层中，稀土氧化物与碳化硼构成的混合物中各组分的质量百分比含量为：稀土氧化物为50％～75％，碳化硼为25％～50％；所述稀土氧化物与碳化硅构成的混合物中各组分的质量百分比含量为：稀土氧化物为50％～75％，碳化硅为25％～50％。

在上述耐高温高辐射热控涂层中，稀土氧化物为氧化镧、氧化铈、氧化镨、氧化钕、氧化钷、氧化钐、氧化铕、氧化钆、氧化铽、氧化镝、氧化钬、氧化铒、氧化铥、氧化镱或氧化镥中的一种或多种组合。

在上述耐高温高辐射热控涂层中，稀土氧化物为氧化镧、氧化铈、氧化钐、氧化镨、氧化铕、氧化铒、氧化铽或氧化镥中的一种或多种组合。

在上述耐高温高辐射热控涂层中，热控涂层的厚度为50～200μm。

一种耐高温高辐射热控涂层的制备方法，包括如下步骤：

将填料、成膜物以及有机溶剂采用高速搅拌混合、球磨混合或砂磨混合1～3h，将混合均匀的涂料喷涂在待喷涂基材表面，然后首先室温固化6～12h，之后在150～200℃下固化1～3h，完成制备；所述有机溶剂为乙酸丁酯。

在上述耐高温高辐射热控涂层的制备方法中，采用空气喷涂工艺将混合均匀的涂料喷涂在待喷涂基材表面。

在上述耐高温高辐射热控涂层的制备方法中，混合均匀涂料中有机溶剂的质量百分比含量为40％～50％。

在上述耐高温高辐射热控涂层的制备方法中，填料中的稀土氧化物为氧化镧、氧化铈、氧化镨、氧化钕、氧化钷、氧化钐、氧化铕、氧化钆、氧化铽、氧化镝、氧化钬、氧化铒、氧化铥、氧化镱或氧化镥中的一种或多种组合。

在上述耐高温高辐射热控涂层的制备方法中，将混合均匀的涂料喷涂在待喷涂基材表面后，直接室温固化24～72h得到热控涂层；所述制备得到的热控涂层的厚度为50～200μm。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)、本发明采用稀土氧化物与碳化硼(或碳化硅)形成的混合物作为填料以及可以在高温发生陶瓷化反应的陶瓷前驱体树脂为涂层成膜物，制备了在常温及高温条件下与金属和非金属基材均具有良好结合力、抗机械冲击能力且抗热震性良好的高温高辐射涂层，经过800-1300℃高温考核。该高辐射涂层可以显著降低基材的温度，从而起到有效的热防护作用，例如涂层表面温度800℃左右时，可将基材温度降低50-100℃；

(2)、本发明该耐高温高辐射涂层具有耐温能力强、高温发射率高的优点，其1100K发射率为0.88±0.03，长时最高使用温度达到1300℃，可大幅降低基材温度,并提高基材的抗氧化能力；

(3)、本发明耐高温高辐射涂层采用简单的空气喷涂工艺，其固化温度为室温或150-200℃，具有高温辐射散热效果好、制备工艺简单、适于在大面积和复杂结构表面使用的优点；同时具有质量轻、厚度薄、重量散热效益比高的优点；

(4)本发明采用的填料为稀土氧化物与碳化硼形成的混合物或者稀土氧化物与碳化硅形成的混合物，通过在高热膨胀系数的稀土氧化物中掺入低热膨胀系数的碳化硼或碳化硅，可以调整涂层的热膨胀系数，使涂层在金属和复合材料基材上均具有优良的抗热震性能。

(5)、本发明通过大量试验对制备热控涂层的原料组份及含量进行优选，使得制备得到的热控涂层具有更加优异的性能，可满足军用和民用领域的高温辐射散热需求。

附图说明

图1为本发明耐高温高辐射涂层制备流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

本发明耐高温高辐射热控涂层中，形成热控涂层的涂料包括填料和成膜物，其中填料为稀土氧化物与碳化硼形成的混合物或者稀土氧化物与碳化硅形成的混合物；成膜物为聚硼硅氮烷、聚硅氧氮烷或耐高温有机硅树脂；其中填料和成膜物的质量比为3～9：1，填料在涂层中的质量分数为75％～90％；

上述稀土氧化物与碳化硼构成的混合物中各组分的质量百分比为：稀土氧化物为50％～75％，碳化硼为25％～50％。或者上述稀土氧化物与碳化硅构成的混合物中各组分的质量百分比为：稀土氧化物为50％～75％，碳化硅为25％～50％。

上述稀土氧化物为氧化镧、氧化铈、氧化镨、氧化钕、氧化钷、氧化钐、氧化铕、氧化钆、氧化铽、氧化镝、氧化钬、氧化铒、氧化铥、氧化鐿或氧化镥中的一种或多种，优选氧化镧、氧化铈、氧化钐、氧化镨、氧化铕、氧化铒、氧化铽、氧化镥中的一种或多种组合。

本发明制备的耐高温高辐射热控涂层的厚度为50～200μm。

如图1所示为本发明耐高温高辐射涂层制备流程图，本发明耐高温高辐射热控涂层的制备方法具体包括如下步骤：

将填料、成膜物以及有机溶剂按照比例采用高速搅拌混合、球磨混合或砂磨混合1～3h，采用空气喷涂工艺将混合均匀的涂料喷涂在待喷涂基材表面，然后首先室温固化6～12h，之后在150～200℃下固化1～3h，完成制备，或者直接室温固化24～72h，完成制备。所述有机溶剂为乙酸丁酯。其中混合均匀涂料中有机溶剂的质量百分比含量为40％～50％。其中待喷涂基材为金属或非金属基材。

实施例1

首先，制备耐高温高辐射浆料，其原料配比为(质量百分比含量)：氧化铈18.75wt％，碳化硼18.75wt％，聚硼硅氮烷12.5wt％，乙酸丁酯50.00wt％。将所有原料球磨混合3h，形成均匀浆料。

然后，采用空气喷涂工艺在不锈钢基材、镍基高温合金、碳碳复合材料或多孔陶瓷隔热材料等基材上喷涂制备涂层。

最后将喷涂制成的高辐射涂层室温放置12h后，再在150℃固化3h。得到的涂层厚度为120μm。

该耐高温高辐射涂层在1100K发射率为0.85，最高使用温度1300℃，经过10次1100K-室温的抗热震测试，涂层不剥离、不脱落。

实施例2

首先，制备耐高温高辐射浆料，其原料配比为：氧化铈28.31wt％，碳化硼9.44wt％，聚硼硅氮烷12.25wt％，乙酸丁酯50.00wt％。将所有原料高速搅拌混合3h，形成均匀浆料。

最后将喷涂制成的高辐射涂层室温放置12h后，再在170℃固化3h，得到的涂层厚度为50μm。

该耐高温高辐射涂层在1100K发射率为0.88，最高使用温度1300℃。经过10次1100K-室温的抗热震测试，涂层不剥离、不脱落。

实施例3

首先，制备耐高温高辐射浆料，其原料配比为：氧化铈30.00wt％，碳化硼15.00wt％，聚硼硅氮烷5.00wt％，乙酸丁酯50.00wt％。将所有原料砂磨混合1h，形成均匀浆料。

最后将喷涂制成的高辐射涂层室温放置12h后，再在200℃固化1h，得到的涂层厚度为200μm。

该耐高温高辐射涂层在1100K发射率为0.91，最高使用温度1300℃。经过10次1100K-室温的抗热震测试，涂层不剥离、不脱落。

实施例4

首先，制备耐高温高辐射浆料，其原料配比为：氧化铈15.00wt％，氧化钐15.00wt％，碳化硼15.00wt％，聚硼硅氮烷15.00wt％，乙酸丁酯40.00wt％。将所有原料球磨混合3h，形成均匀浆料。

最后将喷涂制成的高辐射涂层室温放置12h后，再在170℃固化3h，得到的涂层厚度为150μm。

该耐高温高辐射涂层在1100K发射率为0.90，最高使用温度1300℃。经过10次1100K-室温的抗热震测试，涂层不剥离、不脱落。

实施例5

首先，制备耐高温高辐射浆料，其原料配比为：氧化铽9.75wt％，氧化铕9.75wt％，氧化镥9.75wt％，碳化硼9.75wt％，聚硼硅氮烷13.00wt％，乙酸丁酯48.00wt％。将所有原料球磨混合3h，形成均匀浆料。

最后将喷涂制成的高辐射涂层室温放置12h后，再在170℃固化3h，得到的涂层厚度为80μm。

该耐高温高辐射涂层在1100K发射率为0.90，最高使用温度1300℃，经过10次1100K-室温的抗热震测试，涂层不剥离、不脱落。

实施例6

首先，制备耐高温高辐射浆料，其原料配比为：氧化镧13.50wt％，氧化镨13.50wt％，氧化钕13.50wt％，碳化硼13.50wt％，聚硼硅氮烷6.00wt％，乙酸丁酯40.00wt％。将所有原料球磨混合3h，形成均匀浆料。

最后将喷涂制成的高辐射涂层室温放置12h后，再在170℃固化3h，得到的涂层厚度为100μm。

该耐高温高辐射涂层在1100K发射率为0.91，最高使用温度1300℃，经过10次1100K-室温的抗热震测试，涂层不剥离、不脱落。

实施例7

首先，制备耐高温高辐射浆料，其原料配比为：氧化钬9.38wt％，氧化钆9.38wt％，氧化铥9.36wt％，碳化硅9.38wt％，聚硼硅氮烷12.25wt％，乙酸丁酯50.00wt％。将所有原料球磨混合3h，形成均匀浆料。

最后将喷涂制成的高辐射涂层室温放置12h后，再在170℃固化3h，得到的涂层厚度为180μm。

该耐高温高辐射涂层在1100K发射率为0.89，最高使用温度1300℃，经过10次1100K-室温的抗热震测试，涂层不剥离、不脱落。

实施例8

首先，制备耐高温高辐射浆料，其原料配比为：氧化钬9.38wt％，氧化钆9.38wt％，氧化铥9.36wt％，碳化硼9.38wt％，聚硼硅氮烷12.25wt％，乙酸丁酯50.00wt％。将所有原料球磨混合3h，形成均匀浆料。

最后将喷涂制成的高辐射涂层室温放置12h后，再在170℃固化3h，得到的涂层厚度为130μm。

该耐高温高辐射涂层在1100K发射率为0.89，最高使用温度1300℃，经过10次1100K-室温的抗热震测试，涂层不剥离、不脱落。。

实施例9

首先，制备耐高温高辐射浆料，其原料配比为：氧化钷9.38wt％，氧化铽9.38wt％，氧化铒9.36wt％，碳化硅9.38wt％，聚硼硅氮烷12.25wt％，乙酸丁酯50.00wt％。将所有原料球磨混合3h，形成均匀浆料。

然后，采用空气喷涂工艺在不锈钢基材、镍基高温合金、碳碳复合材料或多孔陶瓷隔热材料等基材上喷涂制备涂层，

最后将喷涂制成的高辐射涂层室温放置10h后，再在170℃固化3h，得到的涂层厚度为100μm。

实施例10

首先，制备耐高温高辐射浆料，其原料配比为：氧化铈12.25wt％，氧化钐12.25wt％，碳化硼12.25wt％，聚硅氧氮烷12.25wt％，乙酸丁酯50.00wt％。将所有原料球磨混合3h，形成均匀浆料。

最后将喷涂制成的高辐射涂层室温固化24h，得到的涂层厚度为100μm。

该耐高温高辐射涂层在1100K发射率为0.90，最高使用温度1300℃，经过10次1100K-室温的抗热震测试，涂层不剥离、不脱落。。

实施例11

首先，制备耐高温高辐射浆料，其原料配比为：氧化铈12.25wt％，氧化钐12.25wt％，碳化硼12.25wt％，耐高温有机硅树脂12.25wt％，乙酸丁酯50.00wt％。将所有原料球磨混合3h，形成均匀浆料。

最后将喷涂制成的高辐射涂层室温固化72h，得到的涂层厚度为120μm。

该耐高温高辐射涂层在1100K发射率为0.90，最高使用温度1000℃，经过10次1100K-室温的抗热震测试，涂层不剥离、不脱落。

实施例12

首先，制备耐高温高辐射浆料，其原料配比为：氧化镧12.25wt％，氧化钐12.25wt％，碳化硅12.25wt％，聚硅氧氮烷12.25wt％，乙酸丁酯50.00wt％。将所有原料球磨混合3h，形成均匀浆料。

最后将喷涂制成的高辐射涂层室温固化48h，得到的涂层厚度为100μm。

实施例13

首先，制备耐高温高辐射浆料，其原料配比为：氧化镨12.25wt％，氧化铒12.25wt％，碳化硼12.25wt％，聚硅氧氮烷12.25wt％，乙酸丁酯50.00wt％。将所有原料球磨混合3h，形成均匀浆料。

最后将喷涂制成的高辐射涂层室温固化72h，得到的涂层厚度为100μm。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims

1.一种耐高温高辐射热控涂层，其特征在于：形成所述热控涂层的涂料包括填料和成膜物，所述填料为稀土氧化物与碳化硼形成的混合物或者稀土氧化物与碳化硅形成的混合物；所述成膜物为聚硼硅氮烷、聚硅氧氮烷或耐高温有机硅树脂；其中所述填料和所述成膜物的质量比为3～9：1。

2.根据权利要求1所述的一种耐高温高辐射热控涂层，其特征在于：所述稀土氧化物与碳化硼构成的混合物中各组分的质量百分比含量为：稀土氧化物为50％～75％，碳化硼为25％～50％；所述稀土氧化物与碳化硅构成的混合物中各组分的质量百分比含量为：稀土氧化物为50％～75％，碳化硅为25％～50％。

3.根据权利要求1或2所述的一种耐高温高辐射热控涂层，其特征在于：所述稀土氧化物为氧化镧、氧化铈、氧化镨、氧化钕、氧化钷、氧化钐、氧化铕、氧化钆、氧化铽、氧化镝、氧化钬、氧化铒、氧化铥、氧化镱或氧化镥中的一种或多种组合。

4.根据权利要求3所述的一种耐高温高辐射热控涂层，其特征在于：所述稀土氧化物为氧化镧、氧化铈、氧化钐、氧化镨、氧化铕、氧化铒、氧化铽或氧化镥中的一种或多种组合。

5.根据权利要求1或2所述的一种耐高温高辐射热控涂层，其特征在于：所述热控涂层的厚度为50～200μm。

6.根据权利要求1或2所述的一种耐高温高辐射热控涂层的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

7.根据权利要求6所述的一种耐高温高辐射热控涂层的制备方法，其特征在于：采用空气喷涂工艺将混合均匀的涂料喷涂在待喷涂基材表面。

8.根据权利要求6所述的一种耐高温高辐射热控涂层的制备方法，其特征在于：所述混合均匀涂料中有机溶剂的质量百分比含量为40％～50％。

9.根据权利要求6所述的一种耐高温高辐射热控涂层的制备方法，其特征在于：所述填料中的稀土氧化物为氧化镧、氧化铈、氧化镨、氧化钕、氧化钷、氧化钐、氧化铕、氧化钆、氧化铽、氧化镝、氧化钬、氧化铒、氧化铥、氧化镱或氧化镥中的一种或多种组合。

10.根据权利要求6所述的一种耐高温高辐射热控涂层的制备方法，其特征在于：将混合均匀的涂料喷涂在待喷涂基材表面后，直接室温固化24～72h得到热控涂层；所述制备得到的热控涂层的厚度为50～200μm。