本发明涉及一种复合原子氧防护涂层，属于航空航天
技术领域：
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背景技术：
：原子氧在低地球轨道(LEO)有较高的浓度，和航天器表面碰撞的相对动能也高达5eV，并且由于原子氧化学性质非常活泼，是极强的氧化剂，会对航天器舱外材料的性能产生严重的影响。LEO轨道最重要、最危险的环境因素就是原子氧，原子氧对长期暴露于舱外的航天器材料有严重的剥蚀损伤作用，会造成各类空间材料的质量损失、性能退化甚至失效。因此，对低地球轨道航天器舱外材料，需要采取原子氧防护措施。原子氧防护涂层在低地球轨道舱外材料和器件表面具有非常广泛的应用。随着技术需求的发展，现有的原子氧防护涂层性能已不能满足使用要求。例如，我国新一代空间航天器要求原子氧防护涂层的使用寿命要达到15年，其经受的原子氧累计通量将达到7.50×1022atoms/cm2，但目前的防护涂层仅能达到5年的使用寿命。分析认为，目前用于原子氧防护的涂层主要是单层结构，由于技术的局限性，在涂层的制备过程中产生裂纹和微孔等缺陷是无法避免的。而且防原子氧涂层失效的主要原因是，在使用过程中，这些裂纹和微孔在原子氧、紫外等综合环境作用下扩展，为原子氧剥蚀基底材料形成通道，使基体材料被氧化剥蚀甚至失效。技术实现要素：为解决目前单层原子氧防护涂层微孔、裂纹等缺陷导致的涂层防原子氧性能失效的难题，本发明的目的在于提供一种复合原子氧防护涂层，该涂层是一种具有过渡层的复合原子氧防护涂层，能够满足航天器低地球轨道舱外15年的使用寿命需求。为实现本发明的目的，采用以下技术方案：一种复合原子氧防护涂层，所述涂层由全氢聚硅氮烷(PHPS)过渡层和硅氧烷原子氧防护涂层构成。PHPS过渡层附着在有机基底材料表面，厚度为100～300nm；硅氧烷原子氧防护涂层附着在PHPS过渡层上，厚度为200～500nm。其中PHPS过渡层采用液相化学制膜法制备，硅氧烷原子氧防护涂层采用化学气相沉积技术制备。优选的，所述步骤(2)中的有机基底材料为聚酰亚胺薄膜或聚酯薄膜。本发明所述一种复合原子氧防护涂层的制备步骤如下：(1)将PHPS、催化剂、溶剂、填料和添加剂混合均匀制成含硅的溶液组合物，所有成分的总质量记为100％，其中PHPS为1～30wt.％；催化剂为0.001～5wt.％；溶剂为45～98.989wt.％；填料为0.01～10wt.％；添加剂为0～10wt.％。(2)将含硅的溶液组合物涂覆在洁净的有机基底材料上，制得试样。(3)将(2)中制得的试样放入烘箱中进行固化，制得附有一层PHPS过渡层的试样。(4)将(3)中制得的试样放置于等离子体聚合设备的反应室内，将反应室抽真空至3×10-3～8×10-3Pa。(5)利用等离子体聚合设备的加热装置对试样加热至75～150℃并保持。(6)设定沉积功率为80～200W，硅源流量10～70sccm，氧气流量10～50sccm，沉积气压为8～35Pa，当硅氧烷原子氧防护涂层厚度达到200～500nm时，关闭设备，冷却制得附有一种复合原子氧防护涂层的试样。所述步骤(1)中催化剂为胺类催化剂和金属类催化剂中的一种以上。所述步骤(1)中溶剂为烷烃类、醚类和酮类中的一种或多种。所述步骤(1)中填料为氧化物填料，优选气相法二氧化硅。所述步骤(1)中添加剂为分散助剂、消泡助剂和流平助剂中的一种或多种。所述步骤(3)中PHPS过渡层固化温度为0～350℃，湿度0～100％，固化时间1～48小时。优选的，所述步骤(1)中PHPS的含量为3～15wt.％；催化剂的含量为0.05～1wt.％；溶剂的含量为81.8～96.3495wt.％；填料的含量为0.6～2wt.％；添加剂的含量为0.0005～0.2wt.％。优选的，步骤(2)中涂覆方式为狭缝挤压、辊涂、浸涂、旋涂、擦涂或喷涂。优选的，所述步骤(3)中PHPS涂层固化温度为50～250℃，湿度50％～90％，固化时间4～20小时。优选的，所述步骤(5)中的加热温度为90～120℃。优选的，所述步骤(6)中沉积硅氧烷涂层的硅源为四甲基二硅氧烷或六甲基二硅氧烷。有益效果本发明所述一种复合原子氧防护涂层，其硅氧烷原子氧防护涂层采用PHPS作为过渡层，增加过渡层后，硅氧烷原子氧防护涂层的附着力由0.3N/mm提高到了0.6N/mm，并有效减少了涂层缺陷；经过通量为2.5×1026atoms/m2的原子氧作用，复合涂层的剥蚀率约为1.26×10-26cm3/atom，将有机基底材料的耐原子氧性能提高100倍以上。附图说明图1为基底材料及复合原子氧防护涂层的结构示意图。1-有机基底材料，2-PHPS过渡层，3-硅氧烷原子氧防护涂层。具体实施方式下面结合具体实施例来详述本发明，但不限于此。以下实施例采用的等离子体聚合设备是中国科学院沈阳科学仪器股份有限公司生产的PSJ500型大面积等离子体聚合设备。涂层剥蚀率的测试采用的是兰州空间技术物理研究所YZY-1原子氧地面模拟实验设备。涂层的附着力测试采用的是美国锡莱-亚太拉斯有限公司H50KT型力学试验机，以5mm/s的速度进行测试。实施例2中所用的喷涂装置是美国Asymtek公司的PVA350精密涂覆装置。实施例中的TEGO450为德国迪高公司生产的TEGO450型号的流平剂。实施例1(1)将PHPS、N，N-二甲基二醇胺、二丁醚、气相法二氧化硅、TEGO450分别按照3wt.％、0.05wt.％、96.3495wt.％、0.6wt.％、0.0005wt.％的含量制成含硅的溶液组合物。(2)将聚酰亚胺薄膜有机基底材料1用酒精清洗干净，用细软毛刷将含硅的溶液组合物刷涂在聚酰亚胺薄膜有机基底材料1上，制得试样。(3)待溶剂挥发后，将试样转移至恒温恒湿箱进行固化，温度为250℃，湿度为90％，固化时间为4小时，固化后制得附有一层厚度为100nm的PHPS过渡层2的试样；(4)将(3)中制得的试样放置于等离子体聚合设备的反应室内，将反应室抽真空至5×10-3Pa；(5)利用等离子体聚合设备的加热装置对试样加热至90℃并保持；(6)设定沉积功率为80W，四甲基二硅氧烷流量为10sccm，氧气流量为10sccm，沉积气压为8Pa，当硅氧烷原子氧防护涂层3厚度达到200nm时，关闭设备，冷却制得附有一种复合原子氧防护涂层的试样，如图1。经测试，制得的复合原子氧防护涂层的附着力为0.78N/mm；经过通量为2.5×1026atoms/m2的原子氧作用，复合原子氧防护涂层的剥蚀率约为1.26×10-26cm3/atom。实施例2(1)将PHPS、N，N-二甲基二醇胺、二丁醚、气相法二氧化硅、TEGO450分别按照15wt.％、1wt.％、81.8wt.％、2wt.％、0.2wt.％的含量制成含硅的溶液组合物。(2)将聚酰亚胺薄膜有机基底材料1用酒精清洗干净，将含硅的溶液组合物涂覆在聚酰亚胺薄膜有机基底材料1上，制得试样，涂覆方式采用喷涂，喷涂时采用PVA350精密涂覆装置。(3)待溶剂挥发后，将试样转移至恒温恒湿箱，温度为150℃，湿度为70％，固化时间为10小时，固化后制得附有一层厚度为180nm的PHPS过渡层2的试样；(4)将(3)中制得的试样放置于等离子体聚合设备的反应室内，将反应室抽真空至3×10-3Pa；(5)利用等离子体聚合设备的加热装置对试样加热至100℃并保持；(6)设定沉积功率为150W，四甲基二硅氧烷流量为40sccm，氧气流量为30sccm，沉积气压为20Pa，当硅氧烷原子氧防护涂层3厚度达到320nm时，关闭设备，冷却制得附有一种复合原子氧防护涂层的试样，如图1。经测试，制得的复合原子氧防护涂层的附着力为0.69N/mm；经过通量为2.5×1026atoms/m2的原子氧作用，复合原子氧防护涂层的剥蚀率约为1.12×10-26cm3/atom。实施例3(1)将PHPS、N，N-二甲基二醇胺、二丁醚、气相法二氧化硅、TEGO450分别按照10wt.％、0.06wt.％、88.448wt.％、1.49wt.％、0.002wt.％的含量制成含硅的溶液组合物。(2)将聚酰亚胺薄膜有机基底材料1用酒精清洗干净，将含硅的溶液组合物涂覆在聚酰亚胺薄膜有机基底材料1上，制得试样，涂覆方式采用刮涂，刮涂时狭缝调整为2微米。(3)待溶剂挥发后，将试样转移至恒温恒湿箱，采用以下固化程序：步骤温度(℃)湿度(％)时间(h)11009032130802316070241906035210501固化后制得附有一层厚度为150nm的PHPS过渡层2的试样；(4)将(3)中制得的试样放置于等离子体聚合设备的反应室内，将反应室抽真空至8×10-3Pa；(5)利用等离子体聚合设备的加热装置对试样加热至90℃并保持；(6)设定沉积功率为200W，四甲基二硅氧烷流量为70sccm，氧气流量为50sccm，沉积气压为35Pa，当硅氧烷原子氧防护涂层3厚度达到500nm时，关闭设备，冷却制得附有一种复合原子氧防护涂层的试样，如图1。经测试，制得的复合原子氧防护涂层的附着力为0.61N/mm；经过通量为2.5×1026atoms/m2的原子氧作用，复合原子氧防护涂层的剥蚀率约为1.06×10-26cm3/atom。本发明包括但不限于以上实施例，凡是在本发明精神的原则之下进行的任何等同替换或局部改进，都将视为在本发明的保护范围之内。当前第1页1 2 3