1種低紅外發(fā)射率涂層耐熱性能研究

肖圣榮，丁鶴雁，王智勇，張 桐，劉鵬瑞

（中航工業(yè)北京航空材料研究院，北京 100095）

0 引言

目前，紅外探測技術(shù)是戰(zhàn)場偵測和武器制導(dǎo)所使用的重要手段，也是繼雷達(dá)探測之后又一嚴(yán)重威脅各種軍事目標(biāo)的探測手段。據(jù)報(bào)道，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中約有8 0%的飛行器是被紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈擊落的[1]。因此，在如此嚴(yán)格苛刻的戰(zhàn)場上，采用紅外隱身技術(shù)來提高戰(zhàn)機(jī)的生存率，成為有效對抗紅外探測的關(guān)鍵技術(shù)，是否具備紅外隱身性能也已成為現(xiàn)代先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)的標(biāo)志性特征之一[2-3]。在飛行器使用過程中，除了發(fā)動機(jī)溫度高以外，飛行器的蒙皮、尾噴管由于氣動加熱等原因，使這些部位具有較高溫度，體現(xiàn)出明顯的紅外輻射特征，從而被紅外探測設(shè)備所發(fā)現(xiàn)[4]。例如飛機(jī)在飛行中蒙皮表面的理論溫度為250～320K，根據(jù)維恩定律可知，該紅外輻射主要集中在8～14μm大氣窗口[5]，因此，通過在飛行器高溫部位表面涂覆低紅外發(fā)射率隱身涂層，能夠有效降低紅外輻射特征值，達(dá)到紅外隱身的效果，這也是目前實(shí)現(xiàn)飛行器紅外隱身效果最直接、最簡單，最不影響飛機(jī)氣動性能的手段。目前，國內(nèi)較為成熟的低紅外發(fā)射率隱身涂料均以有機(jī)樹脂作為粘結(jié)劑。有機(jī)樹脂粘結(jié)劑具有優(yōu)秀的力學(xué)性能、施工性能等特點(diǎn)，在涂料中的使用非常成熟[6-7]。但是，有機(jī)樹脂的耐熱性較差，在高溫條件下會出現(xiàn)斷鏈和降解等現(xiàn)象[8]，這對于低紅外發(fā)射率涂層的紅外隱身性能來說是致命的。因?yàn)榧t外隱身涂層的表面狀態(tài)直接影響發(fā)射率的變化，光亮平整的表面紅外發(fā)射率才會較低[9-10]。因此，通過選擇具有良好耐高溫性能的樹脂體系，或?qū)渲w系進(jìn)行一定的改性，就能制備出性能更為優(yōu)異的低紅外發(fā)射率隱身涂層[11-15]。

本文采用具有良好耐高溫性能的有機(jī)硅樹脂作為紅外隱身涂層的粘結(jié)劑體系，并配合復(fù)合金屬粉、耐高溫填料等制備出具有低紅外發(fā)射率的紅外隱身涂層，并在不同溫度條件下對其耐熱性進(jìn)行了研究，分析發(fā)射率、光澤以及力學(xué)性能與溫度之間的關(guān)系，為其在飛行器等武器裝備上使用奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)

1.1 低紅外發(fā)射率涂層的制備

將改性有機(jī)硅樹脂、功能性填料按一定比例均勻混合，采用高速分散設(shè)備進(jìn)行良好分散，待攪拌均勻后加入固化劑，熟化15～20min，采用壓縮空氣噴涂法將其噴涂在80mm×50mm×2mm的鋁板上，施工之前需對基板進(jìn)行預(yù)處理：化學(xué)除油除銹→水洗→砂紙打磨→水洗→烘干待用；施工時噴涂壓力控制在0.4～0.8MPa，厚度控制為40～50μm，室溫固化7天后，分別在50、100、150、200、250、300、320、350、400℃條件下處理2h，之后進(jìn)行各項(xiàng)性能測試，并與常溫固化條件下的涂層進(jìn)行比較。

1.2 試樣的測試與表征

采用CIAS型紅外光譜輻射計(jì)和以色列CI公司制造的標(biāo)準(zhǔn)腔黑體測試涂層在8～14μm波段的紅外發(fā)射率；用英國CamScan3100掃描電子顯微鏡對樣品形貌進(jìn)行表征；采用TAInstruments公司研制的TGA2050熱失重分析儀分析涂層的熱穩(wěn)定性；采用霧影光澤度儀測試涂層的光澤度(60°/%)；采用磁性測厚儀測量涂層厚度；采用萬用拉力機(jī)測量涂層附著力；采用漆膜彎曲試驗(yàn)儀測量涂層柔韌性；采用漆膜沖擊力實(shí)驗(yàn)儀測量涂層沖擊力。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 熱處理溫度與涂層發(fā)射率的關(guān)系

本試驗(yàn)測試了不同溫度下熱處理后的涂層法向紅外發(fā)射率，測試溫度為50℃，測試波段為8～14μm，測試結(jié)果見表1。從表中可見，常溫固化的涂層的發(fā)射率最高，達(dá)到0.25，而進(jìn)行熱處理后的涂層，隨著熱處理溫度從50℃升高到400℃，涂層的發(fā)射率逐漸降低，從0.210降到0.158。這是因?yàn)殡S著熱處理溫度的不斷升高，涂層固化程度逐漸提高，片狀A(yù)l粉逐漸上浮覆蓋到樹脂表層，由于Al粉本身的紅外發(fā)射率非常低，且密度小、加工方便；而樹脂的紅外發(fā)射率非常高，表層Al粉能起到遮蓋作用，降低體系的發(fā)射率；溫度的升高使得Al粉緊密排列，表層中樹脂含量越來越少，起到黏結(jié)作用，涂層孔隙明顯減少，加上鋁粉的光滑片狀結(jié)構(gòu)，使得涂層的反射率不斷增大，由基爾霍夫定律可知，涂層的發(fā)射率不斷降低。光澤度和SEM測試結(jié)果均驗(yàn)證了此推論，涂層的光澤度測試結(jié)果如圖1所示。從圖中可見，在300℃以下涂層的光澤度是不斷提高的，隨后開始降低。涂層的熱重分析曲線如圖2所示。從圖中可見，SEM結(jié)果顯示隨著熱處理溫度從100℃提高到300℃，涂層的表面致密程度明顯提高，在300℃條件下只有很小的孔隙，使得涂層的光澤度提高。但是，當(dāng)熱處理溫度升高到400℃時（如圖2（d）所示），出現(xiàn)了比較明顯的孔隙，因?yàn)樵谠摕崽幚頊囟葪l件下，樹脂體系發(fā)生了熱降解，部分主鏈發(fā)生了斷裂，致密性開始下降，孔隙率增大，導(dǎo)致涂層的光澤度降低。

表1 不同熱處理溫度下涂層在8～14μm波段的紅外發(fā)射率

圖1 涂層光澤度與熱處理溫度之間的關(guān)系

圖2 不同熱處理?xiàng)l件下涂層的SEM測試結(jié)果

2.2 涂層的熱穩(wěn)定性

采用熱重分析儀對涂層的耐熱性能進(jìn)行分析，升溫速率為10℃/min，采用氮?dú)獗Ｗo(hù)。從圖3TG結(jié)果可知，溫度從室溫升高到300℃左右的過程中，涂層質(zhì)量發(fā)生小幅度的下降，這主要是由涂層中殘留的溶劑揮發(fā)造成的，同時還伴隨著較小基團(tuán)或支鏈的分解。從300℃開始，大部分的分子鏈段開始熱降解，出現(xiàn)斷裂、分解，黏結(jié)劑網(wǎng)絡(luò)互穿結(jié)構(gòu)被破壞等現(xiàn)象，這與SEM電鏡結(jié)果是一致的。在X1和X22點(diǎn)分別作切線，相交于X點(diǎn)（298.69℃），此時的降低的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.6%，由此可知該涂層的熱分解溫度是298.69℃，隨著溫度繼續(xù)升高，涂層的質(zhì)量持續(xù)減小直到測試停止。

圖3 涂層的熱重分析曲線

2.3 熱處理溫度和涂層力學(xué)性能的關(guān)系

將熱處理后的涂層分別按照GB/T9286-1998、GB/T1732-93和GB/T1731-93對附著力、沖擊強(qiáng)度和柔韌性能進(jìn)行測試，結(jié)果見表2?！硎就繉影l(fā)生起皮、脫落等現(xiàn)象，無法進(jìn)行力學(xué)性能測試。

從表2中可見，常溫固化的涂層具有較好的力學(xué)性能，能達(dá)到經(jīng)熱處理涂層的水平。在300℃以下，涂層有較好的力學(xué)性能，涂層附著力均達(dá)到0級，耐沖擊強(qiáng)度達(dá)到50cm，柔韌性變差。這是由于試驗(yàn)采用的樹脂為有機(jī)硅樹脂，其分子鏈中含有大量的-Si-O-鍵，其鍵能（446kJ/mol）遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于-C-C-鍵（356kJ/mol），使其內(nèi)聚能增加；而且有機(jī)硅樹脂分子鏈上的烴基在受熱氧化后生成-Si-O-Si-鍵的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對主鏈結(jié)構(gòu)的熱降解起到阻礙作用。當(dāng)溫度在300℃以上時，涂層發(fā)生開裂、脫落等現(xiàn)象，這是因?yàn)闃渲w發(fā)生熱降解，小分子和鏈段開始分解斷裂，導(dǎo)致填料和樹脂之間無法良好結(jié)合，涂層開裂、脫落，失去了原有的柔韌性。這與涂層的熱重分析曲線所得結(jié)論吻合。

表2 不同溫度熱處理后涂層的外觀及力學(xué)性能

3 結(jié)論

（1）以改性有機(jī)硅樹脂為粘結(jié)劑體系，以復(fù)合金屬粉為主要填料，能夠制備出具有一定力學(xué)性能的紅外低發(fā)射率涂層，該涂層在8～14μm波段范圍內(nèi)的發(fā)射率約為0.2。

（2）涂層的紅外發(fā)射率隨著溫度的升高呈現(xiàn)降低趨勢，光澤度則表現(xiàn)為先上升后降低。

（3）涂層的分解溫度為298.69℃，低于該溫度前，涂層具有較好的力學(xué)性能，高于該溫度后開始出現(xiàn)熱失重現(xiàn)象，粘結(jié)劑體系開始降解，涂層的力學(xué)性能變差，甚至脫落、剝離。

（4）經(jīng)室溫固化的涂層的發(fā)射率為0.25，經(jīng)300℃以下熱處理的涂層的最低發(fā)射率為0.16，其紅外隱身性能得到提高。

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