CN114149740B - 一种辐射防护涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种辐射防护涂层及其制备方法，所述防护涂层为按高原子序数(Z)涂层、低Z涂层的循环顺序依次在基材上涂装形成的至少三层复合涂层，其中，所述高Z涂层、低Z涂层按涂层涂料中填料的正价态原子的原子序数定义区分。本发明综合利用高Z填料、低Z填料和粘结剂等涂层主要组成成分对高能粒子辐射防护的优缺点，获得具有良好的综合辐射防护性能的多层涂层。多层防护涂层中低Z层相比铝合金对高能质子的防护可以实现减重8％以上的效果，高Z涂层相比钽片可以实现23％以上的减重效果。

Description

一种辐射防护涂层及其制备方法
技术领域
本发明属于涂层防护技术领域，特别涉及一种辐射防护涂层及其制备方法。
背景技术
航天器在轨服役过程中会与空间环境产生交互作用，从而引起航天器工作异常或故障现象发生。空间辐射环境由质子、电子、α粒子及重离子等组成。空间带电粒子具有极高的能量，可以引起单粒子效应、总剂量效应及生物辐射效应等，严重影响航天器运行可靠性。根据统计数据，70％的航天器在轨事故源于空间辐射。为保证航天器的长期在轨可靠运行，对空间高能辐射粒子的防护是十分重要和必要的。
在空间环境下，航天器在空间飞行需要长年处在各种高能粒子和射线的包围之中，无法进行有效的时间防护和距离防护，所以只能通过屏蔽防护进行高能粒子防护。目前，空间电子系统对高能粒子的防护主要通过增加铝合金机箱厚度形成凸台以及局部粘贴钽片来提高机箱的防护性能。但现有防护技术只能满足近地轨道抗辐射器件的防护需求。随着空间科学技术的发展，深空探测、小行星探测等任务面临的高能粒子环境更加恶劣。而辐射加固器件受国外厂家限制，且加固器件研发周期长、难度大，导致现有防护技术不能满足要求。
目前，空间涂层主要以热控功能为主，未考虑对空间高能粒子的腐蚀屏蔽防护性能。空间探测任务是“斤斤计较”的工程，应利用好每个组件的防护效果。因此，探索辐射防护涂层及其制备方法，提高涂层对高能粒子的防护性能，对提高航天器长期在轨可靠性具有十分重要的意义。
发明内容
为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了锐意研究，提供了一种辐射防护涂层及其制备方法，综合利用高原子序数(Z)元素和低Z元素对空间高能粒子的屏蔽防护作用，具有良好的辐射屏蔽性能，从而完成本发明。
本发明提供的技术方案如下：
第一方面，一种辐射防护涂层，所述防护涂层为按高Z涂层、低Z涂层依次叠加的顺序在基材上涂装形成的至少三层复合涂层，其中，所述高Z涂层、低Z涂层按涂层涂料中填料的正价态原子的原子序数定义区分；高Z涂层涂料配比和低Z涂层涂料配比如下：
1)高Z涂层涂料配比包括：
Figure BDA0003385358450000021
其中，填料MxOy选自Bi2O3、Ta2O5或WO3中的一种或其组合，填料粒径为0.5～5μm；
2)低Z涂层涂料配比包括：
Figure BDA0003385358450000022
其中，填料MxNy选自Al2O3、BN、B4C中的一种或其组合，填料粒径为0.2～0.5μm。
第二方面，一种辐射防护涂层的制备方法，包括如下步骤：
1)将填料MxOy和分散剂I在有机溶剂I中均匀分散，再加入硅橡胶继续搅拌至均匀分散，使用200～600目网筛过滤获得的混合液；向滤液中加入固化剂I和催化剂I，搅拌均匀后获得高Z涂层涂料；
2)将填料MxNy和分散剂II在有机溶剂II中均匀分散，再加入硅橡胶继续搅拌至均匀分散，使用200～600目网筛过滤获得的混合液；向滤液中加入固化剂II和催化剂II，搅拌均匀后获得低Z涂层涂料；
3)按高Z涂层、低Z涂层依次叠加的顺序在基材上涂装形成至少三层复合涂层，优选复合涂层最下层为高Z涂层。
根据本发明提供的一种辐射防护涂层及其制备方法，具有以下有益效果：
(1)本发明提供的一种辐射防护涂层及其制备方法，综合利用高Z填料、低Z填料和粘结剂等涂层主要组成成分对高能粒子辐射防护的优缺点，获得具有良好的综合辐射防护性能的多层涂层。多层防护涂层中低Z层相比铝合金对高能质子的防护可以实现减重8％以上的效果，高Z涂层相比钽片可以实现23％以上的减重效果；
(2)本发明提供的一种辐射防护涂层及其制备方法，辐射防护涂层的组成及制备方法，施工工艺简单，可制备均匀致密的多层辐射防护涂层。
附图说明
图1为辐射防护涂层结构示意图。
具体实施方式
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
根据本发明的第一方面，提供了一种辐射防护涂层，如图1所示，所述防护涂层为按高Z涂层、低Z涂层依次叠加的顺序在基材上涂装形成的至少三层复合涂层，且优选复合涂层最下层为高Z涂层，其中，所述高Z涂层、低Z涂层按涂层涂料中填料的正价态原子的原子序数定义区分；高Z涂层涂料配比和低Z涂层涂料配比如下：
1)高Z涂层涂料配比包括：
Figure BDA0003385358450000041
其中，填料MxOy选自Bi2O3、Ta2O5或WO3中的一种或其组合，填料粒径为0.5～5μm；
2)低Z涂层涂料配比包括：
Figure BDA0003385358450000042
其中，填料MxNy选自Al2O3、BN、B4C中的一种或其组合，填料粒径为0.2～1μm。
在一种优选的实施方式中，所述辐射防护涂层为按高Z涂层、低Z涂层依次叠加的顺序在基材上涂装形成的三至五层复合涂层。
进一步地，所述低Z涂层的总厚度为60～100μm，高Z涂层的总厚度为100～150μm，辐射防护涂层的总厚度为160～250μm。
在一种优选的实施方式中。所述有机溶剂I和有机溶剂II为二甲苯、乙酸丁酯或其组合。
在一种优选的实施方式中，所述分散剂I和分散剂II为KH550或KH560。
在一种优选的实施方式中，所述固化剂I和固化剂II为正硅酸乙脂。
在一种优选的实施方式中，所述催化剂I和催化剂II为二月桂酸二丁基锡。
根据本发明的第二方面，提供了一种辐射防护涂层的制备方法，包括如下步骤：
1)将填料MxOy和分散剂I在有机溶剂I中均匀分散，再加入硅橡胶继续搅拌至均匀分散，使用200～600目网筛过滤获得的混合液；向滤液中加入固化剂I和催化剂I，搅拌均匀后获得高Z涂层涂料；
2)将填料MxNy和分散剂II在有机溶剂II中均匀分散，再加入硅橡胶继续搅拌至均匀分散，使用200～600目网筛过滤获得的混合液；向滤液中加入固化剂II和催化剂II，搅拌均匀后获得低Z涂层涂料；
3)按高Z涂层、低Z涂层依次叠加的顺序在基材上涂装形成至少三层复合涂层，优选复合涂层最下层为高Z涂层；辐射防护涂层的涂覆方式可以为刷涂、喷涂或辊涂等。
实施例
实施例1
1)高Z涂料制备：
(1)将80g Ta2O5(粒径0.8μm)和1g KH560入到25g乙酸丁酯中，搅拌分散0.5h；
(2)向(1)获得的混合液中加入10g S231硅橡胶，搅拌分散3h；
(3)使用400目铜网过滤(2)获得的混合液；
(4)向(3)获得的混合液中加入0.8g正硅酸乙脂和0.2g二月桂酸二丁基锡，使用玻璃桨搅拌3～5min，获得高Z涂料。
2)低Z涂料制备：
(1)将10g Al2O3(粒径1μm)和1g KH560入到60g乙酸丁酯中，搅拌分散0.5h；
(2)向(1)获得的混合液中加入10g S231硅橡胶，搅拌分散3h；
(3)使用400目铜网过滤(2)获得的混合液；
(4)向(3)获得的混合液中加入0.8g正硅酸乙脂和0.2g二月桂酸二丁基锡，使用玻璃桨搅拌3～5min，获得低Z涂料。
3)使用喷涂法，按高Z涂层-低Z涂层-高Z涂层制备五层辐射防护涂层，低Z涂层的厚度为70μm，高Z涂层的总厚度为130μm，辐射防护涂层的总厚度为200μm。
Al2O3涂层和Ta2O5涂层的化学组成分别如表1和表2所示。使用SRIM软件对Al2O3涂层和Ta2O5涂层的防护性能进行仿真模拟分析，结果如表3和表4所示。由表3可知，30MeV高能质子在Al2O3涂层中的射程相比铝合金减少9.4％；30MeV高能质子在Ta2O5涂层中的射程相比铝合金减少28.6％。由表4可知，100MeV高能质子在Al2O3涂层中的射程相比金属钽减少8.1％；100MeV高能质子在Ta2O5涂层中的射程相比金属钽减少24.4％。
表1 Al2O3涂层的化学成分
Figure BDA0003385358450000061
表2 Ta2O5涂层的化学成分
Figure BDA0003385358450000062
表3几种材料对30MeV质子的防护性能分析结果
Figure BDA0003385358450000063
表4几种材料对100MeV质子的防护性能分析结果
Figure BDA0003385358450000071
实施例2
1)高Z涂料制备：
(1)将80g Bi2O3(粒径1μm)和1g KH560入到25g乙酸丁酯中，搅拌分散0.5h；
(2)向(1)获得的混合液中加入10g S231硅橡胶，搅拌分散3h；
(3)使用400目铜网过滤(2)获得的混合液；
(4)向(3)获得的混合液中加入0.8g正硅酸乙脂和0.2g二月桂酸二丁基锡，使用玻璃桨搅拌3～5min，获得高Z涂料。
2)低Z涂料制备：
(1)将10g BN(粒径0.5μm)和1g KH560入到60g乙酸丁酯中，搅拌分散0.5h；
(2)向(1)获得的混合液中加入10g S231硅橡胶，搅拌分散3h；
(3)使用400目铜网过滤(2)获得的混合液；
(4)向(3)获得的混合液中加入0.8g正硅酸乙脂和0.2g二月桂酸二丁基锡，使用玻璃桨搅拌3～5min，获得低Z涂料。
使用喷涂法，按高Z涂层-低Z涂层-高Z涂层制备三层辐射防护涂层，低Z涂层的厚度为60μm，高Z涂层的总厚度为135μm，辐射防护涂层的总厚度为195μm。
BN涂层和Bi2O3涂层的化学组成分别如表5和表6所示。使用SRIM软件对Al2O3涂层和Ta2O5涂层的防护性能进行仿真模拟分析，结果如表7和表8所示。由表7可知，30MeV高能质子在BN涂层中的射程相比铝合金减少11.1％；30MeV高能质子在Bi2O3涂层中的射程相比金属钽减少27.6％。由表8可知，100MeV高能质子在BN涂层中的射程相比铝合金减少9.8％；100MeV高能质子在Ta2O5涂层中的射程相比金属钽减少23.7％。
表5 BN涂层的化学成分
Figure BDA0003385358450000081
表6 Bi2O3涂层的化学成分
Figure BDA0003385358450000082
表7几种材料对30MeV质子的防护性能分析结果
Figure BDA0003385358450000083
表8几种材料对100MeV质子的防护性能分析结果
Figure BDA0003385358450000084
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种辐射防护涂层，其特征在于，所述防护涂层为按高Z涂层、低Z涂层依次叠加的顺序在基材上涂装形成的至少三层复合涂层，其中，所述高Z涂层、低Z涂层按涂层涂料中填料的正价态原子的原子序数定义区分；高Z涂层涂料配比和低Z涂层涂料配比如下：
1）高Z涂层涂料配比包括：
填料MxOy 50-80份；
硅橡胶 10份；
有机溶剂I 20-40份；
分散剂I 1-2份；
固化剂I 0.6-1份；
催化剂I 0.16-0.24份；
其中，填料MxOy选自Bi2O3、Ta2O5或WO3中的一种或其组合；
2）低Z涂层涂料配比包括：
填料MxNy 8-12份；
硅橡胶 10份；
有机溶剂II 40-60份；
分散剂II 1-2份；
固化剂II 0.6-1份；
催化剂II 0.16-0.24份；
其中，填料MxNy选自Al2O3、BN、B4C中的一种或其组合。
2.根据权利要求1所述的辐射防护涂层，其特征在于，所述辐射防护涂层为按高Z涂层、低Z涂层依次叠加的顺序依次在基材上涂装形成的三至五层复合涂层。
3.根据权利要求1所述的辐射防护涂层，其特征在于，所述低Z涂层的总厚度为60~100μm，高Z涂层的总厚度为100~150μm，辐射防护涂层的总厚度为160~250 μm。
4.根据权利要求1所述的辐射防护涂层，其特征在于，所述有机溶剂I和有机溶剂II为二甲苯、乙酸丁酯或其组合。
5.根据权利要求1所述的辐射防护涂层，其特征在于，所述分散剂I和分散剂II为硅烷偶联剂KH550或KH560。
6.根据权利要求1所述的辐射防护涂层，其特征在于，所述固化剂I和固化剂II为正硅酸乙脂。
7.根据权利要求1所述的辐射防护涂层，其特征在于，所述催化剂I和催化剂II为二月桂酸二丁基锡。
8.根据权利要求1所述的辐射防护涂层，其特征在于，所述填料MxOy的粒径为0.5～5μm；
所述填料MxNy的粒径为0.2～1μm。
9.一种辐射防护涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）将填料MxOy和分散剂I在有机溶剂I中均匀分散，再加入硅橡胶继续搅拌至均匀分散，使用200~600目网筛过滤获得的混合液；向滤液中加入固化剂I和催化剂I，搅拌均匀后获得高Z涂层涂料；
2）将填料MxNy和分散剂II在有机溶剂II中均匀分散，再加入硅橡胶继续搅拌至均匀分散，使用200~600目网筛过滤获得的混合液；向滤液中加入固化剂II和催化剂II，搅拌均匀后获得低Z涂层涂料；
3）按高Z涂层、低Z涂层依次叠加的顺序在基材上涂装形成至少三层复合涂层。
10.根据权利要求9所述的辐射防护涂层的制备方法，其特征在于，步骤3）中，复合涂层最下层为高Z涂层。
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