低红外发射率涂层的力学性能研究解析.docx

低红外发射率涂层的力学性能研究解析.docx

《低红外发射率涂层的力学性能研究解析.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《低红外发射率涂层的力学性能研究解析.docx（13页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

低红外发射率涂层的力学性能研究解析

第18卷第6期

2010年12月

材料科学与工艺

MATERIALSSCIENCE＆TECHNOLOGY

Vol.18No.6

2010Dec．，

低红外发射率涂层的力学性能研究

陈慧敏，王雅君，徐国跃，余慧娟，邵春明，胡

（南京航空航天大学材料科学与技术学院，南京211100

晨

摘要:

以铝粉为主要填料，以环氧改性有机硅树脂为粘合剂，制备了发射率低至0.10的环氧有机硅低红

外发射率涂层．研究了分散剂、滑石粉和固化温度对涂层力学性能的影响，并对其在涂料中的作用机理进行了探讨．结果表明，当滑石粉的质量加入量为2%、分散剂的加入量为2%、热处理温度为200ʎC时，制得的涂层能在保持低红外发射率的同时具有最佳的力学性能．关键词:

红外发射率;涂层;力学性能;铝粉;环氧改性有机硅中图分类号:

TQ324.2;TQ323.5

文献标志码:

A

文章编号:

1005－0299（201006－0873－05

Studyonthemechanicalpropertiesoflowinfraredemissivitycoatings

CHENHui-min，WANGYa-jun，XUGuo-yue，YUHui-juan，SHAOChun-ming，HUChen

（CollegeofMaterialScienceandTechnology，NanjingUniversityofAeronautics＆Astronautics，

Nanjing211100，China

Abstract:

Lowinfraredemissivitycoatingswerepreparedbyepoxy-modifiedsiliconeandaluminumasadhe-sivesandinorganicpaint，ofwhichthelowestemissivityvalueis0．10atthewavelengthof814μm．Thein-fluenceofthecontentofdispersant，talcumpowderandcuringtemperatureontheimpactstrength，flexilityandadhesionofthecoatingsweresystematicallyinvestigated．Moreover，themechanismofthemechanicalpropertiesofcoatingswasstudied．Theseresultsshowedthatthemechanicalpropertiesreachedtothemaxi-mumvaluewhenthecontentofdispersantwas2wt．%，thecontentoftalcumpowderwas2wt．%andthecu-ringtemperaturewas200ʎC，andthecoatingskeptthelowinfraredemissivity．

Keywords:

infraredemissivity;coating;mechanicalproperties;aluminum;epoxy-modifiedsilicone20世纪70年代以来，随着红外探测器的广

泛应用及图像处理过程的日益精确，红外隐身技术作为提高目标生存能力和战斗力的重要因素，

［1－4］

．红外隐身技术措施引起了各国的高度重视

大致可概括为:

改变红外辐射波段、降低红外辐射

［5－6］

．在强度、调节红外辐射的传输过程三个方面目标表面涂敷热红外隐身涂料可以降低目标的红

外辐射强度，而低发射率涂料的研究是热红外隐身涂料研究的关键和难点

［7－8］

，并进一步研究了能在高温下使用的低

发射率涂料，认为将其作为目标保护涂料将获得技术

良好的红外隐身效果;然而此类低红外发射率涂层体系因其高的填料填充比，普遍存在着涂层力

［14］

学性能较差的问题．因此，在保证涂层低红外发射率的前提下，如何提高涂层的力学性能，特别

［11－13］

是耐高温低发射率涂料的力学性能，将会成为今后低红外发射率涂料研究的重点．

本文通过选用耐高温的环氧有机硅树脂为粘合剂，以Al粉为填料，采用不同配方工艺制备了具有低红外发射率的涂层，并研究了分散剂、滑石粉和固化温度等因素对涂层力学性能的影响，从而确定具有优良力学性能低红外发射率涂料的最佳配方工艺．

．

低红外发射率涂料的研制是红外隐身涂料发展的一大难点，众多科研工作者在此方面进行了

［9－10］

．课题组曾经报道了在8大量的研究工作

14μm波段红外发射率低至0.10的涂料的制备

收稿日期:

2009－08－29．

作者简介:

陈慧敏（1985－，女，硕士研究生．

1

1.1

实验

散剂．

1.2涂料配方

设计的具体配方工艺见表1．

表1

样品1#2#3#4#5#6#7#8#9#10#11#12#13#14#15#16#

粘合剂有机硅有机硅有机硅有机硅环氧改性有机硅环氧改性有机硅环氧改性有机硅环氧改性有机硅环氧改性有机硅环氧改性有机硅环氧改性有机硅环氧改性有机硅环氧改性有机硅环氧改性有机硅环氧改性有机硅环氧改性有机硅

实验原料

环氧改性有机硅;有机硅;Al粉;滑石粉;分

试验用涂料配方

分散剂含量（wt．%

00000000125102222

滑石粉含量（wt．%

00000000000012510

温度（oC

8020030040080200300400200200200200200200200200

1.3涂层的制备

首先进行基板预处理:

砂纸打磨→水洗→超声清洗→水洗→烘干．然后选用环氧改性有机硅为粘合剂，加入填料铝粉、分散剂、滑石粉，混合搅拌，超声波震荡提高分散度，加入溶剂调节其粘度．涂层的低红外发射率最好是通过调节填料百

［12－13］

．最后采用喷涂分含量制得，具体参见文献法将涂料涂覆于基板上，室温固化24h，之后分别

200ħ下8h、300ħ下5h、400置于80ħ下12h、

ħ下2h，测试涂层红外发射率保持在0.10．1.4

测试与表征

采用中科院上海技术物理研究所研制的IR

－2双波段发射率测量仪测量涂层在814．μm波段的红外发射率．用荷兰Quanta200扫描电子显微镜对样品形貌进行表征．采用美国PE公司SpectrumGX－III型傅里叶变换红外光谱仪测试样品的红外吸收．按GB/T1732－93，采用漆膜冲击力实验仪测量涂层冲击力;按GB/T1720－89，采用漆膜附着力实验仪测量涂层附着力;按GB/T1731－93进行涂层柔韧性测试．

2

2.1

结果与讨论

粘合剂对涂层力学性能的影响

图1为有机硅及环氧改性有机硅在不同固

化

图1不同固化温度下有机硅（a及环氧改性有机硅（b涂层的力学性能

温度下涂层的力学性能的变化曲线．从图1

可见，在相同的热处理温度下，与选用有机硅作基

料的涂层相比，选用环氧有机硅树脂作为基料的涂层的柔韧性、附着力和抗冲击性能明显更好．这是因为有机硅树脂虽然具有优异的热氧稳定性，但其机械强度低，与金属基材的附着力差，成型工

［15－16］

．而环氧有机硅树脂在保持有机硅良艺性差

其改性过程中加入的环氧好的热稳定性的同时，

树脂分子结构中的醚键提供了良好的耐化学性，羟基等极性基团提供了很好的附着性能，苯环结构亦提供了耐高温性能和刚性，且环氧树脂结构中刚性的苯环与柔性的烃链交替排列，使涂层坚硬而柔韧，因此环氧有机硅耐高温涂层具有更好的柔韧性、附着力和耐冲击性能．2.2热处理温度对涂层性能的影响

从图1可以看出，随着热处理温度的升高，涂层的柔韧性、附着力和冲击强度先增加后减小，当热处理温度为200ʎC时，涂层的力学性能获得最佳值，并且涂层的发射率达到0.1．图2是不同热

处理温度下环氧改性有机硅低红外发射率涂层的

SEM图．随热处理温度升高，涂层中环氧改性有机硅逐渐进行交联固化反应，使得涂层中填料粒子结合紧密，涂层交联固化度增加，促使形成的涂层更加致密牢固，附着力、柔韧性及耐冲击性能提升，但当超过一定温度后，粘合剂主链Si原子上有机基团发生裂解，如羟基、苯环等在高温下分解

［17］

成气体，导致涂层的力学性能降低．由图2可知，当涂层热处理温度为200ʎC时（图2b涂层中填料粒子紧密结合，涂层最致密，涂层具有最佳力学性能;但是当热处理温度升高（大于300ʎC，如图2c所示，由于高温下溶剂挥发和树脂基体的部分分解，填料粒子与粒子的结合不够紧密，有缝隙，涂层的力学性能随之变差;当热处理温度为400ʎC时，如图2d所示，涂层出现明显的裂痕，涂层的冲击强度和柔韧性急剧变差，同时附着力也

2知，略微变差．结合图1、当热处理温度为200ʎC时涂层具有最佳的力学性能

．

图2不同固化温度环氧改性有机硅涂层的SEM图:

（a80ħ;（b200ħ;（c300ħ;（d400ħ

2.3

分散剂对涂层性能的影响

图3为分散剂用量对环氧改性有机硅低红外而下降．当分散剂的用量为2.0wt．%时，涂层的力学性能最好．对添加分散剂前后涂层进行了SEM分析，如图4所示．对比于未加分散剂的涂

b，d可以看出2.0wt．%分散层（图4a、由图4c、剂加入到涂层后涂层中填料粒子均匀分散，润湿

性增强，使涂层体系的致密性进一步提高．涂层分散剂的最佳用量可通过测试涂料粘度来证实．随着分散剂的逐渐加入，填料颗粒被分散、稳定，使得颗粒之间充满流动介质，宏观上表现为涂料体系粘度的降低，粘度最低时即是分散剂的最佳用量．分散剂用量与涂料粘度的关系如图5所示．由图5可看出，分散剂的加入使得涂料体系粘度显著降低，既有效分散了填料并稳定了体系，而且有助于改善涂料的流动性能．分散剂用涂料体系的粘度最低，此时铝量约为2wt．%时，粉粒子被完全润湿，周围全部被润湿的流动介质包围．当继续增加分散剂的用量时，涂料粘度反而有所升高，这是由于当分散剂过多时，过量的分散剂分子间形成了尾尾连接的吸附层，在填料粒子

发射率涂层力学性能的影响．分散剂的添加量相

对较少，因而不会影响涂层的发射率，调节铝粉用当分量保持涂层发射率在0.1．从图3可以看出，散剂添加量在0.0wt．%2.0wt．%范围时，随着添加量的增加，涂层的柔韧性、冲击强度和附着力逐渐增加;而添加量在2.0wt．%3.0wt．%范围时，随着添加量的增加，涂层的力学性能反而有所降低．这主要是因为分散剂的加入可使团聚的铝粉粒子分散开，增加了环氧有机硅粘合剂和填料铝粉之间的亲和力，填料/粘合剂界面作用增加．当分散剂的加入量较少时，不足以将铝粉充分分散均匀，形成的涂层不够均一、紧密，涂层力学性能较差;而分散剂用量增加至过量时，分散剂在填料粒子表面已达到饱和吸附，有过量的分散剂存在于体系中，导致离子强度过高，压缩双电层，减少了颗粒间的静电斥力，同时过量的分散剂分子链之间容易发生桥连作用或空缺絮凝，反而使得分散效果变差，粘度又有所升高，涂层力学性能反

表面形成过多的液体桥架，大量分散剂在填料铝粉表面形成单分子层的包覆，反而使得分散效果变差，粘度又有所升高．由此可知2.0wt．%分散剂用量最佳．2.4

滑石粉对涂层性能的影响

图6是滑石粉添加量对环氧改性有机硅涂层

力学性能的影响．可以看出:

随着滑石粉质量分数的增加，涂层的柔韧性、附着力和冲击强度逐渐增加．这是因为滑石粉具有增韧的作用，由于少量的滑石粉并不以分散相形式直接分散在涂层内，而是在涂层交联固化时作为交联中心使其分散更细小，更均匀，使柔韧性有所提高;且片状填料滑石粉能提高漆膜的挠曲刚度，从而提高漆膜附着力;同时滑石粉会与环氧有机硅树脂官能团发生化学

［18］

反应，形成新的硅氧键，从而提高涂层冲击性能．但是当滑石粉增加到一定量时，涂层的力学性能反而下降，这是由于滑石粉其吸油量大，会使涂料的粘度增加很快，高粘度降低涂料在基材表面的流动性和渗入性，从而降低附着力，致使涂层强度差，抗冲击性能反而降低．且滑石粉用量过大，其分布不均或者粒径过大使其成为应力集中点，

图3

分散剂用量对环氧改性有机硅涂层力学性能的影响

因而柔韧性会有所降低．所以滑石粉的用量应得当才能有效提高各方面性能．从图6可知，滑石粉的含量为2wt．%时，涂层具有较好的力学性能

．

图4环氧改性有机硅涂层的SEM图

脂为粘合剂，通过优化配方制备了发射率低至0.10的具有优良力学性能的低红外发射率涂层．当粘合剂为环氧改性有机硅树脂、分散剂的加入量为2.0%、滑石粉的加入量为2.0%、固化温度制得的涂层能在保持低红外发射率为200ʎC时，

的同时具有最佳的力学性能:

涂层附着力一级，耐冲击性能≥50kg·cm，柔韧性≤埽玻恚?

，能在200ʎC下长期使用，认为较好实现了红外隐身涂

图5

分散剂用量对环氧改性有机硅涂料粘度的影响

4结论

层低发射率性能与工程应用性能兼容性．

2研究分析了分散剂、滑石粉和固化温度对涂层附着力、冲击强度及柔韧性的影响及作用机理，随着分散剂和滑石粉含量的增加，涂层热处理温度的增加，涂层的力学性能都呈现出先升高后

1以铝粉为主要填料，以环氧改性有机硅树

降低的趋势

．

［5］游毓聪，杜仕国，等．红外隐身涂料黏合剂的应用与

J］．特种涂料与涂装，2006，50（7:

50－54．研究［

［6］宋兴华，於定华，等．涂料型红外隐身材料研究进展

［J］．红外技术，2004，26（2:

9－12．

［7］LINBao－ping，LIUHong－jian，ZHANGShi－xian，et

alStructureandinfraredemissivityofsilicon－contai-ningpolyimide/BaTiO3nanocompositefilms［J］．JournalOfSolidStateChemistry，2004，177（10:

3849．［8］谢国华，吴瑞彬，吴伶芝．红外隐身材料的现状与展

J］．宇航材料工艺，2001，（4:

5－10．望［

［9］程从亮．814μm低发射率红外隐身涂料研究［D］．

2005．南京:

南京工业大学，

［10］刘永峙，韩爱军，李校远．红外隐身材料的研究现状

J］．材料导报，2004，18（2:

216－218．与发展方向［

［11］YUHui－juan，XUGuo－yue，SHENXing－mei，etal

Lowinfraredemissivityofpolyurethane/Cucompositecoatings［J］．AppliedSurfaceScience，2009，255:

6077．

［12］邵春明，徐国跃，余慧娟，等．改性三元乙丙橡胶用

．宇航材料工艺，2008，于红外隐身涂层的研究［J］3:

62－65．

［13］余慧娟，徐国跃，沈轩，等．814μm波段低发射率

J］．兵器材料科学与工程，涂料的制备与优化研究［2008，31（6:

49－52．

［14］黄大庆，王智永，刘俊能．偶联剂对吸波涂层力学性

．材料工程，能的影响及其作用机理的研究［J］1999，28（9:

28－31．

［15］袁立新，狄志刚，傅敏，等．常温固化耐高温环氧改

J］．上海涂料，性有机硅聚氨酯防腐蚀涂料的研制［2005，43（11:

3－5．

［16］ANANDAKUMARS，SANKARANARAYANANTS

N．Thermalpropertiesofsiliconizedepoxyinterpenetra-tingcoatings［J］．ProgressInOrganicCoatings，2002，45（4:

323．

［17］HUChen，XUGuo－yue，SHENXing－mei．Prepara-tionandcharacteristicsofthermalresistancepolysilox-ane/Alcompositecoatingswithlowinfraredemissivity［J］．JournalofAlloysandCompounds，2009，486:

371－375．

［18］罗发，闫晓红，黄立军，等．滑石粉对环氧改性有机

．精细化工，2009，26硅耐高温涂层性能的影响［J］（1:

3－5．

图6滑石粉用量对涂层力学性能的影响

参考文献:

［1］BISWASPK，PRAMANIKNC，MAHAPATRAMK，et

alOpticalandelectrochromicpropertiesofsol－gelWO3filmsonconductingglass［J］．MaterialsLetters，2003，57（28:

2326．

［2］张建奇．红外物理［M］．西安:

西安电子科技大学出

2004．版社，

［3］CHENJing，ZHOUYu－ming，NANQiu－li，etalSyn-thesis，characterizationandinfraredemissivitystudyof．AppliedSurf．polyurethane/TiO2nanocomposites［J］aceScience，2007，253（23:

9154．

［4］ZUECOJ，ALHAMAF．Inverseestimationoftemperature

dependentemissivityofsolidmetals［J］．JournalofQuantitativeSpectroscopyandRadiativeTransfer，2006，101（1:

73－86．

（编辑张积宾