CN111073499B - 一种深空探测器用红旗标识的制备方法 - Google Patents

一种深空探测器用红旗标识的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种深空探测器用红旗标识的制备方法，属于航空航天材料制备技术领域。本发明解决现有深空探测器用标识在深空极端环境下易产生裂纹、降解甚至脱落等问题。本发明基于有机/无机杂化体系和界面调控理论，制备得到POSS‑CNT‑ZnO三元复合功能填料，使用该填料对氰酸酯树脂进行改性制备涂层，并将其应用于深空极端环境下探测器的外部标识。涂层中各组分在界面处通过电荷传递和热传递过程展示出良好的协同效应，显著提升涂层的力学稳定性和抗辐照性能。本发明制得的改性氰酸酯涂层是集抗冷热交变、抗电子辐照、抗原子氧、耐紫外辐照和真空低污染于一体深空探测器用标识，该涂层制备方法也可广泛应用于探测器外露部件防护。

Description

一种深空探测器用红旗标识的制备方法
技术领域
本发明涉及一种深空探测器用红旗标识的制备方法，属于航空航天材料制备技术领域。
背景技术
在航天器上安装标识已成为各国航天发射任务的通行惯例。随着深空探测向更深远的方向发展，对航天器标识所用材料的性能提出了更高要求。与传统的近地空间航天器运行环境相比，深空环境更为严苛，存在-180℃至180℃宽温度范围内冷热交变，还有强降解能力的电子辐照和强氧化性的原子氧，这些严苛环境将导致航天器上标识产生裂纹、退化、降解，甚至是脱落，这不仅失去标识的展示作用，甚至还会造成二次污染使航天器应有的性能降低甚至毁坏。因此提供一种集抗冷热交变、抗电子辐照、抗原子氧、耐紫外辐照和真空低污染于一体的深空探测器标识是十分必要的。
发明内容
本发明为了解决现有深空探测器用标识在深空极端环境下易产生裂纹、退化、降解，甚至是脱落的问题，提供一种集抗冷热交变、抗电子辐照、抗原子氧、耐紫外辐照和真空低污染于一体的深空探测器用标识及其制备方法。
本发明的技术方案：
一种深空探测器用红旗标识，该标识包括基板和涂层，涂层喷涂在基板表面，所述的基板为铝合金板、钛合金板、聚酰亚胺板或碳纤维复合板，所述的涂层包括以下重量份原料组分：5份-20份的八苯基-POSS，0.5份-1份的碳纳米管，300份-380份的氰酸酯树脂，45份-50份的颜料。
进一步限定，颜料为液态或固态粉末。
一种深空探测器用红旗标识的制备方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、使用碳纳米管改性八苯基-POSS，获得碳纳米管修饰的八苯基-POSS，简称为POSS-CNT；
步骤二、对POSS-CNT进行原子层沉积处理，获得镀有ZnO膜层的POSS-CNT，简称为POSS-CNT-ZnO；
步骤三、使用氰酸酯和步骤二制得的POSS-CNT-ZnO制备胶液，并对胶液进行真空脱气处理，然后将胶液和颜料分别使用乙酸乙酯稀释剂稀释，并将稀释后得到的两种稀释液混合，机械搅拌均匀后胶体磨研磨，获得喷涂漆液；
步骤四，使用气动喷枪将步骤三获得的喷涂漆液喷涂在基板上，然后将基板放入烘箱中进行固化，获得深空探测器用标识。
进一步限定，步骤一的具体操作过程为：将5-20质量份的八苯基-POSS溶于25-100质量份四氢呋喃中，在磁力搅拌条件下加入0.5-1质量份碳纳米管，超声搅拌1h后将溶液转移至三口瓶中，在氮气保护下，80℃回流10h-12h，反应结束后冷却至室温，抽滤、蒸馏水洗涤、干燥后，获得POSS-CNT。
进一步限定，步骤二的具体操作过程为：将步骤一制得的POSS-CNT放入研钵中研磨至粒径为10nm～100nm，然后将其放入原子层沉积仪的沉积腔体内，将沉积腔体抽至4×10-3Torr～6×10-3Torr，再通入氮气至腔体压力为0.1Torr～0.2Torr；同时保持沉积腔体内温度在100℃～200℃，在POSS-CNT表面进行原子层周期沉积生长，重复执行100～500个生长沉积周期，获得POSS-CNT-ZnO，其中镀ZnO膜层的厚度为30nm～60nm。
进一步限定，每个生长沉积周期为：1)向沉积腔体内以脉冲形式注入锌源，脉冲时间t1为0.01s～0.03s；2)切断进气阀和排气阀进行反应，反应时间t2为1s～5s；3)打开进气阀、排气阀，利用氮气进行吹扫，吹扫时间t3为30s～60s；4)向沉积腔体内以脉冲形式注入水源，水源温度为室温，脉冲时间t4为0.01s～0.03s；5)切断进气阀、排气阀进行反应，反应时间t5为1s～5s，形成ZnO膜层；6)打开进气阀和排气阀，利用氮气进行吹扫，吹扫时间t6为30s～60s，完成一个沉积生长周期。
更进一步限定，锌源为二乙基锌，水源为去离子水。
进一步限定，步骤三的具体操作过程为：
首先，将氰酸酯树脂在100℃-110℃下熔融至黄色透明液体，然后加入步骤二制得的POSS-CNT-ZnO，其中加入POSS-CNT-ZnO的质量为POSS-CNT-ZnO和氰酸酯树脂总质量的0.5％-5％，机械搅拌1h-2h后，超声分散1h-1.5h，获得胶液，并将胶液在110℃-120℃下进行真空脱气处理30min-60min；
然后，将脱气处理后的胶液和乙酸乙酯按照质量比为1:(1～1.5)混合，搅拌溶解后超声处理10min-20min，获得胶液稀释液；并将颜料和乙酸乙酯按照质量比为(0.05～0.1):1混合，搅拌溶解后超声处理10min-20min，获得颜料稀释液；
最后，将胶液稀释液和颜料稀释液按照质量比为1:1混合，搅拌均匀后，使用胶体磨研磨15-30次，获得喷涂漆液。
进一步限定，步骤四中气动喷枪喷涂条件为：喷枪喷嘴直径为1.5mm-2.0mm，喷涂距离为15mm-25mm，移动速度为50cm/s-70cm/s；气压为0.5MPa-0.6MPa。
进一步限定，步骤四中固化条件为：在150℃-180℃下加热2.0h-2.5h。
本发明具有以下有益效果：本发明基于有机/无机杂化体系和界面调控理论，制备得到POSS-CNT-ZnO三元复合功能填料，使用该填料对氰酸酯树脂进行改性，制备出改性氰酸酯涂层并将其应用于深空极端环境下的标识的长期储存和图案展示，并且本发明通过控制POSS-CNT-ZnO三元复合填料的配比，使其材质透明，不影响图案色漆的颜色。本发明制得的改性氰酸酯涂层具有POSS具有的抗原子氧性能、碳纳米管CNT可对氰酸酯增强增韧抗冷热交变性能和ZnO对紫外辐照具有屏蔽作用。而且由于CNT不仅可以作为ZnO膜层的支撑材料，而且在紫外辐照和电子辐照的条件下，POSS、ZnO的价带电子被激发到导带，形成电子-空穴对，此时CNT充当电子受体，促进电子从POSS和ZnO界面转移到CNT，为电荷提供快速的传输通道，这使得各组分在界面处通过电荷传递和热传递过程展示出很好的协同效应，不仅可以有效抑制界面区域微裂纹的产生和传播，还能吸收辐照产生的自由基，从而减少树脂的降解，最终通过该协同作用可大幅度提升树脂涂层抗电子辐照和紫外辐照的能力。有效的解决了由于纯氰酸酯树脂的韧性较差，在深空极端环境的宽温范围内冷热交变条件下，涂层内部易产生微裂纹，且在电子辐照、原子氧和紫外辐照等极端环境导致标识降解、老化，甚至脱落的问题。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明均为常规方法。
具体实施方式1：
(1)制备POSS-CNT-ZnO
将10质量份的八苯基-POSS溶于50质量份四氢呋喃中，在磁力搅拌的条件下加入2质量份碳纳米管(CNT)，然后超声处理1h，完成后将溶液转移至三口瓶中，在氮气保护下，80℃回流12h，反应结束后冷却至室温，经过抽滤、蒸馏水洗涤、干燥后获得POSS-CNT。
然后将POSS-CNT放入研钵中研细至粒径为50nm，放入原子层沉积仪的沉积腔体内，将沉积腔体抽至5×10-3Torr，再通入氮气至腔体压力为0.15Torr；同时保持沉积腔体内温度在150℃，在POSS-CNT表面进行原子层周期沉积生长，重复执行230个生长沉积周期，获得POSS-CNT-ZnO，其中镀ZnO膜层的厚度为30nm，每个生长沉积周期的过程为：1)先沉腔体内以脉冲形式注入锌源二乙基锌，脉冲时间t1为0.03s；2)切断进气阀、排气阀进行反应，反应时间t2为5s；3)打开进气阀、排气阀，利用氮气进行吹扫，吹扫时间t3为40s；4)向反应腔体体内一脉冲形式注入水源去离子水，水源温度为室温，脉冲时间t4为0.02s；5)切断进气阀、排气阀进行反应，反应时间t5为5s，形成ZnO膜层；6)打开进气阀、排气阀，利用氮气进行吹扫，吹扫时间t6为40s。
通过调整和优化制备ZnO膜层的原子层沉积工艺，来增加ZnO晶格中的氧空位，更有利于电子在ZnO与其它物质之间的界面快速传输，达到耐紫外辐照和电子辐照的作用。
(2)制备胶液
称取一定量的氰酸酯树脂于烧杯中，于110℃油浴中将氰酸酯熔融至黄色透明液体，然后加入POSS-CNT-ZnO，其中POSS-CNT-ZnO质量为POSS-CNT-ZnO和氰酸酯树脂总质量的2％，机械搅拌2h后，超声分散1h，获得均匀胶液，然后将胶液在110℃下的真空干燥箱中进行脱气1h，取出备用。
(3)应用上述制得胶液喷涂国旗
预处理基板：基板的长宽比例按照GB12982-2004国旗标准执行，本实施例使用铝合金薄板作为国旗标识的基板，该基板的厚度为0.3mm，长度为390mm，宽度为260mm。
使用500目的砂纸对基板表面进行打磨，将其表面粗化处理后，使用无绒布沾取无水乙醇，对其表面擦拭干净，然后按照GB12982-2004国旗标准把星型塑料粘膜精准粘接在铝合金板上五星所在的位置进行保护。
配置红色喷涂漆液：取100质量份改性氰酸酯树脂，加入150质量份乙酸乙酯稀释剂搅拌溶解后并超声10min，作为A组分；另取15质量份红色颜料和150质量份乙酸乙酯稀释剂，搅拌溶解并超声10min，作为B组分；将A加入B中机械搅拌均匀，用胶体磨研磨20次，混合均匀后获得红色喷涂漆液。
喷涂红漆：使用气动喷枪将红漆反复喷涂在基板表面，喷涂条件为：喷枪喷嘴直径为1.5mm，喷涂距离为20mm，移动速度为60cm/s，气压为0.5MPa。
红漆固化：将喷涂好的基板在160℃下固化2.0小时，固化完成后撕掉星型塑料粘膜，并按照GB12982-2004国旗标准，把镂空星型塑料粘膜精准粘接在铝合金板上五星所在的位置进行保护。
配置黄色喷涂漆液：取100质量份改性氰酸酯树脂，加入150质量份乙酸乙酯稀释剂搅拌溶解后并超声10min，作为A组分；另取15质量份黄色颜料和150质量份乙酸乙酯稀释剂，搅拌溶解并超声10min，作为B组分；将A加入B中机械搅拌均匀，用胶体磨研磨20次，混合均匀后获得黄色喷涂漆液。
喷涂黄漆：使用气动喷枪将黄漆反复喷涂在基板表面，喷涂条件为：喷枪喷嘴直径为1.5mm，喷涂距离为20mm，移动速度为60cm/s，气压为0.5MPa。
黄漆固化：将喷涂好的基板在160℃下固化2.0小时，固化完成后撕掉保护膜。
将制得的国旗标识通过M4钛合金螺钉固定于航天器外舱板。
对具体实施例子获得的国旗标识进行性能测试，测试项目及测试结果如下：
Figure BDA0002342131970000051

Claims (6)

1.一种深空探测器用红旗标识的制备方法，其特征在于，该标识包括基板和涂层，涂层喷涂在基板表面，所述的基板为铝合金板、钛合金板、聚酰亚胺板或碳纤维复合板，所述的涂层包括以下重量份原料组分：5份-20份的八苯基-POSS，0.5份-1份的碳纳米管，300份-380份的氰酸酯树脂，40份-60份的颜料，所述的颜料为液态或固态粉末；
该方法包括以下步骤：
步骤一、使用碳纳米管改性八苯基-POSS，获得碳纳米管修饰的八苯基-POSS，简称为POSS-CNT；
步骤二、对POSS-CNT进行原子层沉积处理，获得镀有ZnO膜层的POSS-CNT，简称为POSS-CNT-ZnO；
步骤三、使用氰酸酯和步骤二制得的POSS-CNT-ZnO制备胶液，并对胶液进行真空脱气处理，然后将胶液和颜料分别使用乙酸乙酯稀释剂稀释，并将稀释后得到的两种稀释液混合，机械搅拌均匀后胶体磨研磨，获得喷涂漆液；
步骤四，使用气动喷枪将步骤三获得的喷涂漆液喷涂在基板上，然后将基板放入烘箱中进行固化，获得深空探测器用标识；
所述的步骤二的具体操作过程为：将步骤一制得的POSS-CNT放入研钵中研磨至粒径为10nm～100nm，然后将其放入原子层沉积仪的沉积腔体内，将沉积腔体抽至4×10-3Torr～6×10-3Torr，再通入氮气至腔体压力为0.1Torr～0.2Torr；同时保持沉积腔体内温度为100℃～200℃，在POSS-CNT表面进行原子层周期沉积生长，重复执行100～500个生长沉积周期，获得POSS-CNT-ZnO，其中镀ZnO膜层的厚度为30nm～60nm；
所述的每个生长沉积周期为：1)向沉积腔体内以脉冲形式注入锌源，脉冲时间t1为0.01s～0.03s；2)切断进气阀和排气阀进行反应，反应时间t2为1s～5s；3)打开进气阀和排气阀，利用氮气进行吹扫，吹扫时间t3为30s～60s；4)向沉积腔体内以脉冲形式注入水源，水源温度为室温，脉冲时间t4为0.01s～0.03s；5)切断进气阀和排气阀进行反应，反应时间t5为1s～5s，形成ZnO膜层；6)打开进气阀和排气阀，利用氮气进行吹扫，吹扫时间t6为30s～60s，完成一个沉积生长周期。
2.根据权利要求1所述的一种深空探测器用红旗标识的制备方法，其特征在于，所述的步骤一的具体操作过程为：将5-20质量份的八苯基-POSS溶于25-100质量份四氢呋喃中，在磁力搅拌条件下加入0.5-1质量份碳纳米管，超声搅拌1h后，在氮气保护下，80℃回流10h-12h，反应结束后冷却至室温，抽滤、蒸馏水洗涤、干燥后，获得POSS-CNT。
3.根据权利要求1所述的一种深空探测器用红旗标识的制备方法，其特征在于，所述的锌源为二乙基锌，水源为去离子水。
4.根据权利要求1所述的一种深空探测器用红旗标识的制备方法，其特征在于，所述的步骤三的具体操作过程为：
首先，将氰酸酯树脂在100℃-110℃下熔融至黄色透明液体，然后加入步骤二制得的POSS-CNT-ZnO，其中加入POSS-CNT-ZnO的质量为POSS-CNT-ZnO和氰酸酯树脂总质量的0.5％-5％，机械搅拌1h-2h后，超声分散1h-1.5h，获得胶液，并将胶液在110℃-120℃下进行真空脱气处理30min-60min；
然后，将脱气处理后的胶液和乙酸乙酯按照质量比为1:(1～1.5)混合，搅拌溶解后超声处理10min-20min，获得胶液稀释液；并将颜料和乙酸乙酯按照质量比为(0.05～0.1):1混合，搅拌溶解后超声处理10min-20min，获得颜料稀释液；
最后，将胶液稀释液和颜料稀释液按照质量比为1:1混合，搅拌均匀后，使用胶体磨研磨15-30次，获得喷涂漆液。
5.根据权利要求1所述的一种深空探测器用红旗标识的制备方法，其特征在于，所述的步骤四中气动喷枪喷涂条件为：喷枪喷嘴直径为1.5mm-2.0mm，喷涂距离为15mm-25mm，喷枪移动速度为50cm/s-70cm/s；气压为0.5MPa-0.6MPa。
6.根据权利要求1所述的一种深空探测器用红旗标识的制备方法，其特征在于，所述的步骤四中固化条件为：在150℃-180℃下加热固化2.0h-2.5h。
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