CN106435685A - 铝表面电沉积制备低吸收率与高半球发射率氧化膜的方法 - Google Patents

铝表面电沉积制备低吸收率与高半球发射率氧化膜的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种铝合金表面热控涂层的超声脉冲电沉积制备方法，具体涉及一种铝合金表面制备低比值太阳吸收率/半球发射率复合氧化膜的制备方法。本发明的制备方法按以下步骤实现：一、铝合金表面前处理；二、铝合金阳极氧化；三、将氧化后的铝合金进行超声脉冲电沉积二氧化硅溶胶；然后用蒸馏水清洗铝合金表面并干燥，即在铝合金表面得到低吸收率高发射率的热控涂层，涂层的太阳吸收率在0.10‑0.20之间，半球发射率在0.80‑0.95之间，是性能优良的低太阳吸收率和高半球发射率的热控涂层。

Description

铝表面电沉积制备低吸收率与高半球发射率氧化膜的方法
技术领域
本发明涉及一种铝表面电沉积制备低吸收率与高半球发射率氧化膜的方法，具体涉及一种铝合金表面制备低比值太阳吸收率/半球发射率复合氧化膜的脉冲超声电沉积制备方法，包括铝合金的阳极氧化与孔内脉冲超声电沉积。
背景技术
随着空间航天器技术的发展，温度控制已经越来越重要。由于阳光直射一面和另一面极为寒冷的空间，空间航天器在轨道上经历极端温度循环。这将使航天器表面温度变化很大，温度在-200℃到+200℃之间变化，在缺乏大气的情况下，航天器和外部环境之间的热量交换仅限于辐射。特别是航天器外表面辐射与空间的耦合作用，空间的温度非常低。所以航天器的温控系统必须仔细设计确保飞船和飞船的部件以最大的效率工作。其中航天器温控系统的平衡温度是由太阳吸收率(αs)和表面半球发射率(εH)控制，通过控制αs和εH从而达到控制飞船的温度。热控涂层通过提供合适的光学性能应用于航天器组件中扮演一个重要的角色。热控涂层具有低的太阳吸收率和高发射率被广泛使用的航天器表面。
热控涂层主要包含有机热控涂层和无机热控涂层。有机热控涂层具有耐高低温交替变化和柔韧性好等优点。其中有机硅涂层的耐真空紫外辐照能力以及抗原子氧侵蚀能力最强，是空间飞行器表面较理想的热控涂层。而有机涂层多采用喷涂方式，使得与基体的结合力差、易老化、表面不均匀以及大大加重航天器的重量等问题。无机热控涂层具有对环境污染小，资源丰富，耐老化等优点，无机涂层因硬度高、耐磨、光学透过率高、化学性质稳定、元素的扩散系数低、能起到很好的阻挡层的作用，引起广泛重视。随着长寿命和高可靠性航天器的发展，铝合金的应用得到重视。通过在铝合金表面阳极氧化中电沉积氧化物粒子，具有与基体粘结强度高，在空间环境中经久耐用等特点，而且与常规的氧化铝孔内电沉积金属粒子方法相比较，该方法通过SiO2溶胶法脉冲超声电沉积的二氧化硅粒子不仅具有良好的热控性能，脉冲超声波能加速溶胶在孔内的扩散传质过程与沉积速度，改善沉积层的表面形貌和综合性能，无需封孔后处理，因此，该方法电沉积二氧化硅粒子制备热控涂层方法具有工艺与性能优势。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铝表面电沉积制备低吸收率与高半球发射率氧化膜的方法，具体为一种铝合金阳极氧化膜表面脉冲超声电沉积二氧化硅制备热控涂层的方法。采用该方法可在铝合金表面得到二氧化硅热控涂层，该工艺操作简单，得到的涂层的结合力较好，涂层的太阳吸收率在0.10-0.20之间，半球发射率在0.80-0.95之间，是性能优良的低太阳吸收率和高半球发射率的热控涂层。
本发明是采用如下技术方案来实现以上目的：
铝表面电沉积制备低吸收率与高半球发射率氧化膜的方法，包括以下步骤：
(1)对铝合金进行阳极氧化处理：所述铝合金为6063铝合金，在电解液中进行氧化，其中，氧化工艺为：电流密度为0.5-2.5A/dm2，氧化槽液的温度为2-26℃，氧化时间为10-120min；
(2)超声脉冲电沉积制备热控涂层：将经步骤(1)预处理后的铝合金浸入电解液中进行超声脉冲电沉积制备二氧化硅，电沉积的工艺为：电压为3-5V，电沉积时间300-1200s。
进一步地，所述步骤(1)中对铝合金进行阳极氧化处理的电解液为H2SO4，质量浓度为16-18％。
进一步地，所述步骤(2)中超声脉冲电沉积制备二氧化硅的电解液的组分为：正硅酸乙酯0.1-0.3L，无水乙醇0.4-0.6L，表面活性剂0.2-5g，硝酸钾5-10g，蒸馏水0.5-1L，H2SO4调节pH到2-5。
进一步地，所述表面活性剂为十六烷基三甲基溴化胺或者十二烷基苯磺酸钠。
进一步地，所述超声脉冲电沉积的电源频率为500-2000Hz，占空比为40-80％，搅拌超声波频率为10kHz-40kHz，功率为50W-350W。
进一步地，对铝合金进行阳极氧化处理前需要进行预处理，所述的预处理包括以下步骤：将铝合金材料放在60g/L的NaOH溶液中温度为50℃中碱蚀3min。将碱蚀后的试样用水冲洗干净放入浓度为45％的HNO3中除灰5min，将除灰后的材料用超纯水冲洗后进行氧化。铝合金材料包括2系、6系、7系铝合金。
本发明采用上述技术解决方案所能达到的有益效果是：
热控涂层不仅具有优良的低太阳吸收率和高半球发射率，太阳吸收率在0.10-0.20之间，半球发射率在0.80-0.95之间。而且与有机涂层易于老化相比，本技术制备的氧化铝复合涂层具有优良的耐老化性能，同时不需要进行封孔处理，人工加速老化300h连续照射后，氧化膜色差为1级。
具体实施方式
实施例1
(1)首先将6063铝合金材料放入60g/L的NaOH溶液中，温度为50℃中碱蚀3min。将碱蚀后的试样用水冲洗干净放入浓度为45％的HNO3中除灰5min，将除灰后的材料用超纯水冲洗后进行氧化。
(2)然后将前处理后的试样放入到浓度为16％的硫酸中进行氧化，铝合金材料作为阳极，铅板作为阴极，氧化工艺为：电流密度为0.5A/dm2，氧化槽液的温度为26℃，氧化时间为120min。
(3)最后将封孔后的铝合金材料用超纯水冲洗，然后进行电沉积二氧化硅，电沉积溶液的工艺为：正硅酸乙酯为0.1L，无水乙醇0.6L，表面活性剂6g，硝酸钾10g，蒸馏水1L，H2SO4调节pH到5。电压为5V，脉冲频率为1000Hz，占空比为40％，电沉积时间1200s。采用超声加速电沉积溶液的搅拌，超声波频率为20kHz，功率为150W。
采用本实施方式在铝合金表面获得的热控涂层均匀、结合力较好，热控涂层的太阳吸收率为0.13，半球发射率可达到0.91。
实施例2
(1)首先将6061铝合金材料放入60g/L的NaOH溶液中，温度为50℃中碱蚀3min。将碱蚀后的试样用水冲洗干净放入浓度为45％的HNO3中除灰5min，将除灰后的材料用超纯水冲洗后进行氧化。
(2)然后将前处理后的试样放入到浓度为17％的硫酸中进行氧化，铝合金材料作为阳极，铅板作为阴极，氧化工艺为：电流密度为2.5A/dm2，氧化槽液的温度为2℃，氧化时间为10min。
(3)最后将封孔后的铝合金材料用超纯水冲洗，并进行电沉积二氧化硅，电沉积溶液的工艺为：正硅酸乙酯为0.3L，无水乙醇0.4L，表面活性剂2g，硝酸钾5g，蒸馏水0.5L，H2SO4调节pH到2。电压为3.5V，脉冲频率为2000Hz，占空比为60％，电沉积时间300s。采用超声加速电沉积溶液的搅拌，超声波频率为30kHz，功率为100W。
采用本实施方式在铝合金表面获得的热控涂层均匀、结合力较好，热控涂层的太阳吸收率为0.16，半球发射率可达到0.85。
实施例3
(1)首先将2024铝合金材料放入60g/L的NaOH溶液中，温度为50℃中碱蚀3min。将碱蚀后的试样用水冲洗干净放入浓度为45％的HNO3中除灰5min，将除灰后的材料用超纯水冲洗后进行氧化。
(2)然后将前处理后的试样放入到浓度为18％的硫酸中进行氧化，铝合金材料作为阳极，铅板作为阴极，氧化工艺为：电流密度为1.0A/dm2，氧化槽液的温度为14℃，氧化时间为60min。
(3)最后将处理后的铝合金材料用超纯水冲洗，并进行电沉积二氧化硅，电沉积溶液的工艺为：正硅酸乙酯为0.2L，无水乙醇0.5L，表面活性剂4g，硝酸钾8g，蒸馏水0.7L，H2SO4调节pH到3。电压为4V，脉冲频率为1500Hz，占空比为50％，电沉积时间600s。采用超声加速电沉积溶液的搅拌，超声波频率为20kHz，功率为400W。
采用本实施方式在铝合金表面获得的热控涂层均匀、结合力较好，热控涂层的太阳吸收率为0.12，半球发射率可达到0.90。
实施例4
(1)首先将2024铝合金材料放入60g/L的NaOH溶液中，温度为50℃中碱蚀3min。将碱蚀后的试样用水冲洗干净放入浓度为45％的HNO3中除灰5min，将除灰后的材料用超纯水冲洗后进行氧化。
(2)然后将前处理后的试样放入到浓度为16％的硫酸中进行氧化，铝合金材料作为阳极，铅板作为阴极，氧化工艺为：电流密度为1.0/dm2，氧化槽液的温度为13℃，氧化时间为60min。
(3)最后将处理后的铝合金材料用超纯水冲洗，并进行电沉积二氧化硅，电沉积溶液的工艺为：正硅酸乙酯为0.3L，无水乙醇0.6L，表面活性剂6g，硝酸钾10g，蒸馏水1L，H2SO4调节pH到5，电压为5V。脉冲频率为1500Hz，占空比为50％，电沉积时间1200s。采用超声加速电沉积溶液的搅拌，超声波频率为40kHz，功率为150W。
采用本实施方式在铝合金表面获得的热控涂层均匀、结合力较好，热控涂层的太阳吸收率为0.18，半球发射率可达到0.93。
实施例5
(1)首先将7075铝合金材料放入60g/L的NaOH溶液中，温度为50℃中碱蚀3min。将碱蚀后的试样用水冲洗干净放入浓度为45％的HNO3中除灰5min，将除灰后的材料用超纯水冲洗后进行氧化。
(2)然后将前处理后的试样放入到浓度为17％的硫酸中进行氧化，铝合金材料作为阳极，铅板作为阴极，氧化工艺为：电流密度为1A/dm2，氧化槽液的温度为14℃，氧化时间为40min。
(3)最后将处理后的铝合金材料用超纯水冲洗、吹干后进行电沉积二氧化硅，电沉积溶液的工艺为：正硅酸乙酯为0.1L，无水乙醇0.4，表面活性剂2g，硝酸钾8g，蒸馏水0.5L，H2SO4调节pH到2。电压为3V，脉冲频率为1500Hz，占空比为70％，电沉积时间为300s。采用超声加速电沉积溶液的搅拌，频率为20kHz，功率为300W。
采用本实施方式在铝合金表面获得的热控涂层均匀、结合力较好，热控涂层的太阳吸收率为0.14，半球发射率可达到0.87。
实施例6
(1)首先将7075铝合金材料放入60g/L的NaOH溶液中，温度为50℃中碱蚀3min。将碱蚀后的试样用水冲洗干净放入浓度为45％的HNO3中除灰5min，将除灰后的材料用超纯水冲洗后进行氧化。
(2)然后将前处理后的试样放入到浓度为18％的硫酸中进行氧化，铝合金材料作为阳极，铅板作为阴极，氧化工艺为：电流密度为0.5A/dm2，氧化槽液的温度为2℃，氧化时间为10min。
(3)最后将处理后的铝合金材料用超纯水冲洗，并进行电沉积二氧化硅，电沉积溶液的工艺为：正硅酸乙酯为0.1L，无水乙醇0.4L，表面活性剂4g，硝酸钾8g，蒸馏水0.8L，H2SO4调节pH到3。电压为4V，脉冲频率为1000Hz，占空比为50％，电沉积时间600s。采用超声加速电沉积溶液的搅拌，超声波频率为30kHz，功率为200W。
采用本实施方式在铝合金表面获得的热控涂层均匀、结合力较好，热控涂层的太阳吸收率为0.10，半球发射率可达到0.90。
综上所述，本方法所制得的涂层为白色，在铝合金阳极氧化膜表面电沉积所得，结合力良好，并且太阳吸收率在0.10-0.20之间，半球发射率在0.80-0.95之间，是性能优良的低太阳吸收率和高半球发射率的热控涂层。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.铝表面电沉积制备低吸收率与高半球发射率氧化膜的方法，其特征在于，所述的制备方法包括以下步骤：
(1)对铝合金进行阳极氧化处理：所述铝合金为6063铝合金，在电解液中进行氧化，其中，氧化工艺为：电流密度为0.5-2.5A/dm2，氧化槽液的温度为2-26℃，氧化时间为10-120min；
(2)超声脉冲电沉积制备热控涂层：将经步骤(1)预处理后的铝合金浸入电解液中进行超声脉冲电沉积制备二氧化硅，电沉积的工艺为：电压为3-5V，电沉积时间300-1200s。
2.根据权利要求1所述的铝表面电沉积制备低吸收率与高半球发射率氧化膜的方法，其特征在于，所述步骤(1)中对铝合金进行阳极氧化处理的电解液为H2SO4，质量浓度为16-18％。
3.根据权利要求1所述的铝表面电沉积制备低吸收率与高半球发射率氧化膜的方法，其特征在于，所述步骤(2)中超声脉冲电沉积制备二氧化硅的电解液的组分为：正硅酸乙酯0.1-0.3L，无水乙醇0.4-0.6L，表面活性剂0.2-5g，硝酸钾5-10g，蒸馏水0.5-1L，H2SO4调节pH到2-5。
4.根据权利要求3所述的铝表面电沉积制备低吸收率与高半球发射率氧化膜的方法，其特征在于，所述表面活性剂为十六烷基三甲基溴化胺或者十二烷基苯磺酸钠。
5.根据权利要求1所述的铝表面电沉积制备低吸收率与高半球发射率氧化膜的方法，其特征在于，所述超声脉冲电沉积的电源频率为500-2000Hz，占空比为40-80％，搅拌超声波频率为10kHz-40kHz，功率为50W-350W。
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