基于響應(yīng)面法的SiO2f/SiO2復(fù)合材料多級防潮涂層工藝優(yōu)化

毛幫笑 夏細(xì)勝 王大奎 高國勝 符慧斌 呂?；?郭娟娟

基于響應(yīng)面法的SiO2f/SiO2復(fù)合材料多級防潮涂層工藝優(yōu)化

毛幫笑1夏細(xì)勝1王大奎2高國勝1符慧斌1呂海花1郭娟娟1

（1. 北京新風(fēng)航天裝備有限公司，北京 100854；2. 北京電子工程總體研究所，北京 100854）

為了提高SiO2f/SiO2復(fù)合材料的防潮性能，在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，采用響應(yīng)面法對多級防潮涂層的成型工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。通過Box-Behnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)，以十周期交變濕熱吸水率為響應(yīng)值，研究疏水時間、刮涂次數(shù)、浸涂時間和噴涂遍數(shù)4個因素對吸水率的影響，建立相關(guān)數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明:4個因素對吸水率的影響均達(dá)到極顯著水平，此外疏水時間，噴涂遍數(shù)，浸涂時間及刮涂次數(shù)對吸水率的影響依次減弱。模型數(shù)值優(yōu)化獲得最優(yōu)工藝條件為疏水時間12h，刮涂次數(shù)3次，浸涂時間2.8h，噴涂遍數(shù)3次。在此工藝條件下，吸水率實(shí)際降低到0.198%，與預(yù)測值0.195%的偏差在2.0%以內(nèi)。因此，所建模型為實(shí)現(xiàn)SiO2f/SiO2復(fù)合材料的超高防潮性能提供科學(xué)依據(jù)。

SiO2f/SiO2復(fù)合材料；多級；防潮性能；響應(yīng)面；工藝優(yōu)化

1 引言

天線罩/窗是航空航天飛行器的關(guān)健功能結(jié)構(gòu)件，可保證飛行器天線在惡劣的大氣環(huán)境下安全完成系列通訊、制導(dǎo)功能[1]，通常要求其材料具有高透波率、高溫高強(qiáng)等特性。SiO2f/SiO2復(fù)合材料具有低密度、低導(dǎo)熱率、耐高溫、抗燒蝕及優(yōu)異的介電性能，是一種理想的天線罩材料[2，3]。然而，SiO2f/SiO2復(fù)合材料具有大量親水性硅羥基和孔隙率，極易吸收空氣中的水[4]。吸濕導(dǎo)致介電性能下降，限制了復(fù)合材料的應(yīng)用。此外，吸濕會導(dǎo)致SiO2f/SiO2復(fù)合材料的力學(xué)性能下降[5]。因此，有必要解決SiO2f/SiO2復(fù)合材料的防潮性能。

本文通過在SiO2f/SiO2復(fù)合材料基體表面依次構(gòu)筑疏水層、封孔層1、封孔層2及面漆層，形成多級防潮涂層對材料進(jìn)行保護(hù)，顯著提高其防潮性。多級防潮涂層間的有機(jī)配合工藝對防潮性能影響重大，優(yōu)化工藝參數(shù)是工藝設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

響應(yīng)面法（RSM）是一種數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)方法，它用于建模和分析最優(yōu)響應(yīng)受多個不同變量影響的問題。RSM也是目前廣泛應(yīng)用的優(yōu)化方法之一，它通過考慮不同參數(shù)的交互作用[6]提出了輸入輸出關(guān)系的準(zhǔn)確預(yù)測，比正交試驗(yàn)法優(yōu)化的結(jié)果更直觀精確。近年來，RSM已經(jīng)被用于分析和優(yōu)化各種工程科學(xué)技術(shù)，以探索最佳的變量水平，實(shí)現(xiàn)最佳的生產(chǎn)工藝條件，降低成本，減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)，提高性能[7，8]。然而，目前還沒有使用RSM對透波材料的多級防潮涂層進(jìn)行優(yōu)化，為本文研究提供了思路。

因此，本研究采用不同工藝狀態(tài)的涂層制備多級防潮涂層，通過比選研究其對SiO2f/SiO2復(fù)合材料的防潮性能的影響，并利用中心組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)（Box-Benhnken Design），運(yùn)用響應(yīng)面法，對工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以期為實(shí)現(xiàn)SiO2f/SiO2復(fù)合材料的超高防潮性能提供科學(xué)依據(jù)。

2 多級防潮涂層設(shè)計(jì)

針對SiO2f/SiO2復(fù)合材料的硅羥基吸水，首先采取疏水層處理，通過化學(xué)反應(yīng)法去除羥基。針對高孔隙率吸水，采用三級封孔層處理，協(xié)同配合，降低材料表面孔隙。疏水層與三級封孔層形成多級防潮涂層。多級防潮涂層結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，其成型工藝如下：

a. 疏水層：將SiO2f/SiO2復(fù)合材料常壓浸漬于疏水劑1中，保持浸漬一定時間，固化后得到疏水層；

b. 封孔層1：在SiO2f/SiO2復(fù)合材料表面均勻刮涂封孔涂料1，固化后得到封孔層1，對基體的微孔進(jìn)行封填；

c. 封孔層2：將SiO2f/SiO2復(fù)合材料真空浸涂于封孔涂料2中，保持浸漬一定時間，固化后得到封孔層2，對基體表面的納米孔進(jìn)行封填；

d. 面漆層：在SiO2f/SiO2復(fù)合材料表面均勻噴涂面漆涂料1，固化后得到面漆層，對基體孔隙封填進(jìn)行強(qiáng)化。

圖1 多級防潮涂層結(jié)構(gòu)示意圖

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

3.1 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

通過單因素試驗(yàn)法，分別選取疏水時間、刮涂次數(shù)、浸涂時間及噴涂遍數(shù)作為疏水層、封孔層1、封孔層2及面漆層的自變量，探究各因素對各自涂層的防潮性能的影響。

3.2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以單因素試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果作為響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)依據(jù)，依據(jù)Box-Behnken中心組合進(jìn)行四因素三水平響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)，即依次選取疏水時間（A）、刮涂次數(shù)（B）、浸涂時間（C）及噴涂遍數(shù)（D）作為多級防潮涂層的自變量，并分別以-1、0、1表示四個自變量的三個水平，以涂層材料十周期交變濕熱吸水率作為響應(yīng)值，再采用Design-Expert 13軟件程序，分析在不同影響因子下防潮性能的響應(yīng)結(jié)果，確定多級防潮涂層的最優(yōu)成型參數(shù)，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果的可靠性。

3.3 測定方法

防潮性能通過十周期交變濕熱吸濕率進(jìn)行表征，交變濕熱試驗(yàn)單周期條件為：濕度保持95%，溫度30℃（12h）與60℃（12h）交替進(jìn)行。十周期交變濕熱共進(jìn)行10×24h。

吸濕率由式（1）計(jì)算得出：

=（2-1）/1×100% （1）

式中：—吸濕率，%；1—試樣的初始質(zhì)量，g；2—試驗(yàn)結(jié)束后試樣質(zhì)量，g。

4 結(jié)果與討論

4.1 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2為不同工藝參數(shù)對疏水層、封孔層1、封孔層2及面漆層防潮性能的影響。從圖2a可以看出，隨著疏水時間的增加，疏水層的疏水角逐漸增大。當(dāng)疏水時間達(dá)到12h后，疏水角達(dá)到最高值且已穩(wěn)定，說明此時基體的硅羥基被完全除去，因此選取最大疏水時間為12h。從圖2b可以看出，隨著刮涂次數(shù)的增加，封孔層1的吸水率逐漸降低，反復(fù)刮涂可提高封孔層1的封孔效果，刮涂3次的封孔效果已經(jīng)達(dá)到最佳，因此選取最大刮涂次數(shù)為3次。從圖2c可以看出，隨著浸涂時間的增加，封孔層2的吸水率同樣逐漸降低，這歸因于封孔層2的封孔效果逐漸提高，且刮涂3h的封孔效果達(dá)到最佳，因此選取最大浸涂時間為3h。從圖2d可以看出，隨著噴涂遍數(shù)的增加，面漆層的吸水率逐漸降低，噴涂遍數(shù)的增加可逐步填充納米孔隙，噴涂3遍的封孔效果已經(jīng)達(dá)到最佳，因此選取最大噴涂遍數(shù)為3次。

圖2 不同工藝參數(shù)對疏水層、封孔層1、封孔層2及面漆層防潮性能的影響

4.2 Box-Behnken試驗(yàn)結(jié)果分析

在單因素試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果的基礎(chǔ)上，進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)（即Box-Behnken中心組合），試驗(yàn)因素及水平設(shè)計(jì)如表1所示，所有參數(shù)的選擇都是基于它們在防潮涂層成型過程中的相關(guān)性；以涂層材料十周期交變濕熱吸水率作為評價指標(biāo)，試驗(yàn)各因素組合及其試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果如表2所示。數(shù)據(jù)分析采用Design-Expert 13軟件進(jìn)行，通過對表2吸水率的試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)行多項(xiàng)式回歸模型方程擬合，獲得方程如式（2）所示：

=1.63333+0.0075A-0.243333B-0.192500C-0.134167D-0.0075AB-0.01375AC-0.00875AD-0.02BC+0.14BD+0.0375CD+0.000286A2+0.002083B2+0.048333C2-0.064167D2（2）

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)的因素及水平設(shè)計(jì)

表2 響應(yīng)面各因素組合及結(jié)果

對回歸模型方程進(jìn)行系列方差分析（表3），結(jié)果顯示：值達(dá)18.02，而＜0.0001，差異顯著，其中失擬項(xiàng)中值達(dá)3.55，而=0.0872大于0.05，差異不顯著，表明擬合的二次回歸方程模型可信度高，誤差較小，能夠有效指導(dǎo)并進(jìn)行防潮涂層工藝參數(shù)的優(yōu)化分析。通常，值可檢查各因素的顯著性，由值結(jié)果可知，模型中A，B，C，D，BD對防潮涂層的吸水率影響極顯著，C2，D2對吸水率影響顯著，而其余因素不顯著。對比表3的回歸模型值數(shù)值，得出對涂層材料吸水率影響程度順序依次為A＞D＞C＞B，即疏水時間＞噴涂遍數(shù)＞浸涂時間＞刮涂次數(shù)。此外，決定系數(shù)2用于測量回歸模型的擬合優(yōu)度，2值越接近于1表示模型與觀測數(shù)據(jù)擬合得更好。模型決定系數(shù)2=0.9439，調(diào)整決定系數(shù)2adj=0.8915，表明響應(yīng)值的89.15%來源于所選擇因素，進(jìn)一步表明本次吸水率試驗(yàn)數(shù)據(jù)科學(xué)合理，具有較高的可重復(fù)性。此外，信噪比Adeq Precision=16.1143，大于4，說明模型準(zhǔn)確度高，試驗(yàn)結(jié)果可信。

表3 回歸模型方差分析

注：*表示＜0.05差異顯著，**表示＜0.01差異極顯著，2=0.9439，2(Adjusted)=0.8915，Adeq Precision=16.1143。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證二次多項(xiàng)式回歸模型的準(zhǔn)確性，將實(shí)際數(shù)值與客觀響應(yīng)的預(yù)測值進(jìn)行了比較，如圖3所示。很明顯，這些點(diǎn)圍繞對角線均勻分布。因此，結(jié)合上述方差分析，可以認(rèn)為本文提出的回歸模型能夠足夠準(zhǔn)確地預(yù)測防潮涂層的性能。

圖3 吸水率預(yù)測值與實(shí)際值分布圖

4.3 響應(yīng)面因素交互作用分析

繪制2D和3D響應(yīng)面圖，分析參數(shù)對多級防潮涂層吸水率的交互影響，如圖4、圖5所示。圖4a和圖4d為疏水時間和刮涂次數(shù)對吸水率的響應(yīng)面?？梢钥闯?，隨著疏水時間的增加，吸水率顯著下降。疏水時間增加，基體的硅羥基被充分消除，從根本解決了化學(xué)吸潮，因此濕熱環(huán)境下很難發(fā)生結(jié)合水現(xiàn)象。此外，刮涂次數(shù)對吸水率的影響和疏水時間類似。然而，隨著刮涂次數(shù)的增加，吸水率的下降較為緩慢。需要指出，在高的疏水時間前提下，刮涂次數(shù)對吸水率的影響顯著。這是因?yàn)?，只有化學(xué)吸潮解決掉，物理封孔才會起作用。此外，圖4a和圖4d結(jié)果表明吸水率對疏水時間的變化比對刮涂次數(shù)的變化更敏感。圖4b和圖4e為疏水時間和浸涂時間對吸水率的響應(yīng)面?？梢?，疏水時間和浸涂時間的交互作用與疏水時間和刮涂次數(shù)的交互作用相似。結(jié)果表明吸水率對疏水時間的變化比對浸涂時間的變化更敏感。圖4c和圖4f為疏水時間和噴涂遍數(shù)對吸水率的響應(yīng)面。同樣地，隨著疏水時間的增加，吸水率顯著下降。不同于圖4a、圖4d、圖4b及圖4e，在較低的疏水時間條件下，噴涂遍數(shù)對吸水率的影響也顯著。這是因?yàn)槊嫫釋佑杉儤渲M成，它既起封孔作用，又組成疏水陣列起到化學(xué)防潮作用。圖4a～圖4f充分表明疏水時間對吸水率的影響最強(qiáng)。

圖4 因素交互作用響應(yīng)面的2D與3D圖

圖5a和5d為刮涂次數(shù)和浸涂時間對吸水率的響應(yīng)面?？梢钥闯?，隨著浸涂時間的增加，吸水率顯著下降。吸水率對浸涂時間的變化比對刮涂次數(shù)的變化更敏感。值得注意的是，在多的刮涂次數(shù)條件下，浸涂時間對吸水率的影響更加顯著，這是因?yàn)槎啻喂瓮繉⑽⒖壮浞址馓?，浸涂封孔效率更快，?dǎo)致物理防潮效果更佳。圖5b和圖5e為刮涂次數(shù)和噴涂遍數(shù)對吸水率的響應(yīng)面。吸水率對噴涂遍數(shù)的變化比對刮涂次數(shù)的變化更敏感，這歸因于面漆層的物理封孔與化學(xué)防潮雙層效果。圖5c和圖5f為浸涂時間和噴涂遍數(shù)對吸水率的響應(yīng)面。吸水率對噴涂遍數(shù)的變化比對浸涂時間的變化更敏感?？梢?，在較長的浸涂時間（1.9～2.8h）和較多的噴涂遍數(shù)條件下，吸水率取得最小值，說明此浸涂條件下的面漆層可充分發(fā)揮其防潮作用。總之，圖5a～圖5f表明噴涂遍數(shù)、浸涂時間、刮涂次數(shù)對吸水率的影響依次減弱。

圖5 因素交互作用響應(yīng)面的2D與3D圖

4.4 模型優(yōu)化

采用模型數(shù)值優(yōu)化，獲得多級防潮涂層的最優(yōu)工藝條件及最低吸水率。各變量的最優(yōu)結(jié)果如圖6所示。在此分析中，給出了輸入變量的特定范圍值，而響應(yīng)則被設(shè)計(jì)為達(dá)到最小值。在這些條件下，即在疏水時間為12h，刮涂次數(shù)為3次，浸涂時間為2.8h，噴涂遍數(shù)為3次的條件下，最低吸水率為0.195%（見圖6）。為了驗(yàn)證本次優(yōu)化的疏水時間、刮涂次數(shù)、浸涂時間及噴涂遍數(shù)組合工藝參數(shù)的準(zhǔn)確度，本文在上述最優(yōu)工藝參數(shù)下進(jìn)行多級防潮涂層材料的十周期交變濕熱考核，結(jié)果顯示吸水率為0.198%；其與預(yù)測值0.195%的誤差僅僅為1.54%（＜2.0%），表明本文針對多級防潮涂層的響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)合理、模型適應(yīng)性和精度高。

圖6 最優(yōu)工藝條件及最低吸水率

5 結(jié)束語

采用單因素試驗(yàn)，研究多級防潮涂層4個因素的不同參數(shù)對吸水率的影響。在單因素試驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上，采用響應(yīng)面法對多級防潮涂層成型工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，4個因素對吸水率的影響均達(dá)到極顯著水平，影響程度強(qiáng)弱的順序?yàn)槭杷畷r間＞噴涂遍數(shù)＞浸涂時間＞刮涂次數(shù)。通過兩兩交互分析，發(fā)現(xiàn)吸水率對疏水時間的變化最為敏感，只有完成化學(xué)吸潮，物理多級封孔才會起作用。通過模型數(shù)值優(yōu)化及試驗(yàn)驗(yàn)證，獲得最佳工藝條件為疏水時間12h，刮涂次數(shù)3次，浸涂時間2.8h，噴涂遍數(shù)3次。在此工藝條件下，吸水率可降低到0.198%。

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Optimization of Multilevel Moisture-proof Coating Process of SiO2f/SiO2Composites Based on Response Surface Method

Mao Bangxiao1Xia Xisheng1Wang Dakui2Gao Guosheng2Fu Huibin1Lv Haihua1Guo Juanjuan1

(1. Beijing Xinfeng Aerospace Equipment Co., Ltd., Beijing 100854；2. Beijing Institute of Electronic System Engineering, Beijing 100854 )

In order to improve the moisture resistance of SiO2f/SiO2composites, the response surface method was used to optimize the molding process parameters of the multilevel moisture-proof coating on the basis of the single factor test. Based on the Box-Behnken central combination test design, the effects of four factors on water absorption, including hydrophobic time, scraping times, dipping time and spraying times, were studied with the water absorption of 10-cycle alternating humidity and temperature test as the response value. Relevant mathematical models are established and tested. The results showed that the influence of four factors on water absorption was extremely significant, and the influence of hydrophobic time, spraying times, dipping time and scraping times on water absorption was weakened in turn. The optimal process conditions obtained by the numerical optimization of the model were as follows: hydrophobic time of 12h, scraping times of 3, dipping time of 2.8h and spraying times of 3. Under this process condition, the water absorption actually decreased to 0.198%, and the deviation from the predicted value of 0.195% was within 2.0%. Therefore, the established model provides scientific basis for realizing the ultra-high moisture-proof performance of SiO2f/SiO2composite.

SiO2f/SiO2composites；multilevel；moisture resistance；response surfac；process optimization

V46

A

毛幫笑（1993），工程師，材料加工工程專業(yè)；研究方向：陶瓷基復(fù)合材料。

2023-05-19