低红外发射率涂层的力学性能研究解析

1、第18卷第6期2010年12月材料科学与工艺MATERIALS SCIENCE TECHNOLOGYVol. 18No. 62010Dec，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200C 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

2、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:10050299(2010 06087305Study on the mechanical properties of low infrared emissivity coatingsCHEN Hui-min ，WANG Ya-jun ，XU Guo-yue ，YU Hui-juan ，SHAO Chun-ming ，HU Chen(College of Material Science and Technology ，Nanjing University

3、of Aeronautics Astronautics ，Nanjing 211100，China Abstract :Low infrared emissivity coatings were prepared by epoxy-modified silicone and aluminum as adhe-sives and inorganic paint ，of which the lowest emissivity value is 010at the wavelength of 8 14mThe in-fluence of the content of dispersant ，talc

4、um powder and curing temperature on the impact strength ，flexility and adhesion of the coatings were systematically investigatedMoreover ，the mechanism of the mechanical properties of coatings was studiedThese results showed that the mechanical properties reached to the maxi-mum value when the conte

5、nt of dispersant was 2wt%，the content of talcum powder was 2wt%and the cu-ring temperature was 200C ，and the coatings kept the low infrared emissivityKey words :infrared emissivity ; coating ; mechanical properties ; aluminum ; epoxy-modified silicone 20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

6、生存能力和战斗力的重要因素，14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56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78，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1113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

7、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910课题组曾经报道了在8 大量的研究工作14m 波段红外发射率低至0. 10的涂料的制备收稿日期:20090829作者简介:陈慧敏(1985 ，女，硕士研究生11. 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#

8、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(o C 80200300400802003004002002002002002002002002001. 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

9、、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百1213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200 下8h 、300 下5h 、400置于80 下12h 、 下2h ，测试涂层红外发射率保持在0. 101. 4测试与表征采用中科院上海技术物理研究所研制的IR2双波段发射率测量仪测量涂层在8 14m 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Spectrum GX III 型傅里叶变换红外光谱仪测试样品的红外吸收按GB /T173293，采用漆膜冲击力

10、实验仪测量涂层冲击力; 按GB /T172089，采用漆膜附着力实验仪测量涂层附着力; 按GB /T173193进行涂层柔韧性测试22. 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1516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

11、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200C 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

12、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200C 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300C ，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400C 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

13、合图1、当热处理温度为200C 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:(a 80 ; (b 200 ; (c 300 ; (d 4002. 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

14、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. 0

15、wt% 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

16、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

17、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

18、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200C 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200C 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

19、，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 :5054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 :9127LIN Bao ping ，LIU Hong jian ，ZHANG Shi xian ，etal Structure and infrared emissivity of silicon contai-ning polyimide /BaTiO3nanocomposite films J Journal Of Solid State Chemistry ，2004，177(10 :38498谢国华，吴瑞彬，吴伶芝

20、红外隐身材料的现状与展J 宇航材料工艺，2001，(4 :510望9程从亮8 14m 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 :216218与发展方向11YU Hui juan ，XU Guo yue ，SHEN Xing mei ，et alLow infrared emissivity of polyurethane /Cucomposite coatings J Applied Surface Science ，2009，255:607712邵春明，徐国跃，余慧娟，等改性三元乙丙橡胶用宇航材

21、料工艺，2008，于红外隐身涂层的研究J 3:626513余慧娟，徐国跃，沈轩，等8 14m 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 :495214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 :283115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 :3516ANANDA KUMAR S ，SANKARA NARAYANAN T SNThermal properties of siliconized epoxy interpenetra-ting coatings J Progress In Organic Coatings ，2002，45(4 :32317HU Chen ，XU Guo yue ，SHEN Xing meiPrepara-tion and characteristics of thermal resistance polysilox-ane /Alcomp