一种复合材料表面抗冷热冲击导电涂层结构设计方法
【专利说明】一种复合材料表面抗冷热冲击导电涂层结构设计方法
[0001]
技术领域
[0002]本发明涉及表面工程技术领域，尤其是一种复合材料表面抗冷热冲击导电涂层结构设计方法。
【背景技术】
[0003]复合材料，特别是树脂基复合材料因质轻，具有优异的综合性能和性能可设计性，在导弹、卫星、飞船、空间站等空间飞行器上进行了广泛的应用，但是随着航天技术和武器装备技术的发展，复合材料表面导电、导热性能不足，已无法满足新的使用要求，同时也阻碍了复合材料在空间更加广泛的应用。通过在复合材料表面制备导电涂层，可有效提高复合材料表面的导电和导热性能。
[0004]导电涂层与复合材料之间热胀系数差异大，匹配性差。目前，由于缺乏合理的涂层结构设计，致使复合材料表面沉积的导电涂层附着力低，且难以承受长期冷热交变的空间环境，这已经成为复合材料表面抗冷热冲击导电涂层制备的瓶颈。
【发明内容】
[0005]本发明针对现有技术的不足，提出一种复合材料表面抗冷热冲击导电涂层结构设计方法，解决了复合材料表面涂层经过多次冷热交变后产生裂纹，甚至脱落等问题，同时也指导了涂层的工艺制备过程，缩短了研制周期，节约了研制成本。
[0006]为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案:
一种复合材料表面抗冷热冲击导电涂层结构设计方法，包括下列步骤:
(1)确定导电涂层材料:综合分析实际的应用需求、导电涂层制备的可行性和经济性，选择导电涂层材料；
(2)导电涂层应力模拟仿真分析:采用“ANSYS”应力分析软件，对复合材料表面导电涂层进行应力模拟仿真分析；
(3)导电涂层结构设计:依据步骤(2)中模拟仿真的结果，对导电涂层结构进行初步设计；
(4)过渡层材料:依据步骤(3)对导电涂层结构的初步设计选择过渡层材料；
(5)导电涂层结构设计优化:采用电弧离子镀技术，通过对关键性能参数的实验研究，对复合材料表面抗冷热冲击导电涂层结构进行优化处理。
[0007]进一步地，所述步骤(I)中所述导电涂层材料首先必须满足电性能使用要求，且在使用温度范围内具有较好的稳定性；其次，该导电涂层材料适合用电弧离子镀技术制备；最后，在多种满足以上两点要求的导电涂层材料中，优先选择成本低廉且易于获取加工的材料。
[0008]进一步地，所述步骤(2)中采用“ANSYS”应力分析软件建立一层以上有限元模型，设置合理的粘接型界面，并进行网格划分。
[0009]进一步地，所述步骤(2)中假定零热应力温度为导电涂层的沉积温度。
[0010]进一步地，所述步骤(2)中需对其变化对导电涂层应力的影响进行仿真模拟的参数包括涂层厚度、过渡层热胀系数、弹性模量、泊松比。
[0011]进一步地，所述步骤(3)中必须充分考虑所述导电涂层在特殊使用环境下的各类防护。
[0012]进一步地，所述步骤(3)中所述导电涂层的厚度必须满足功能使用需求。
[0013]进一步地，所述步骤(4)中所述过渡层材料的热胀系数介于复合材料基底和所述导电涂层之间。
[0014]进一步地，所述步骤(4)的中所述导电涂层各层的仿真最大热应力值小于等于相应温度下所述过渡层材料的抗拉强度。
[0015]进一步地，通过所述步骤(5)中的实验研究不同过渡层材料、过渡层材料的不同厚度对导电涂层附着力的影响，优化过渡层厚度。
[0016]本发明一种复合材料表面抗冷热冲击导电涂层结构设计方法，能够在复合材料表面设计出满足抗冷热冲击的导电涂层，解决了复合材料表面涂层经过多次冷热交变后产生裂纹，甚至脱落等问题，这不仅解决了复合材料表面抗冷热冲击导电涂层制备的瓶颈，同时也指导了涂层的工艺制备过程，缩短了研制周期，节约了研制成本。
【具体实施方式】
[0017]下面结合实施方式对本发明的喷涂方法作进一步详细说明。本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。
[0018]实施例1碳纤维复合材料表面抗冷热冲击导电涂层
(1)导电涂层材料:铝(电弧离子镀制备的铝涂层电阻率为5.2X10 8Ω.πΟ ;
(2)导电涂层应力模拟仿真分析:建立二层有限元模型，层与层之间的界面设置为粘接型，经过计算对比，网格宽度划分应小于2 μm，假设导电涂层的沉积温度为导电涂层零热应力温度，利用“ANSYS”应力分析软件，模拟仿真结果表明随着导电涂层厚度增加，导电涂层热应力增大，热胀系数居于导电涂层和碳纤维复合材料之间的过渡层材料均可显著降低涂层的热应力；
(3)导电涂层结构设计:根据模拟仿真结果，导电涂层结构设计为“铝/过渡层/碳纤维复合材料”;
(4)过渡层材料选择:铬、锆和钛是热胀系数介于碳纤维复合材料基底和铝导电涂层之间的材料，都可使导电涂层的热应力降低，通过模拟仿真，在125°C?_160°C之间，铝导电涂层最大热应力值小于30MPa，铬过渡层最大热应力值小于200MPa，钛过渡层最大热应力值小于180MPa，锆过渡层最大热应力值小于10MPa ；
(5)导电涂层结构设计优化:采用电弧离子镀技术进行附着力验证实验，铬、锆和钛均与碳纤维复合材料基底之间具有良好的匹配性，导电涂层附着力术4N/mm2，而当过渡层厚度在50nm?300nm时导电涂层附着力最高。
[0019]实施例2石英纤维复合材料表面抗冷热冲击导电涂层
(I)导电涂层材料:铜(电弧离子镀制备的铜涂层电阻率为3.5X10 8Ω.πΟ ; (2)导电涂层应力模拟仿真分析:建立二层有限元模型，层与层之间的界面设置为粘接型，经过计算对比，网格宽度划分应小于2 μm，假设导电涂层的沉积温度为导电涂层零热应力温度，利用“ANSYS”应力分析软件，模拟仿真结果表明随着导电涂层厚度增加，导电涂层热应力增大，热胀系数居于涂层和碳纤维复合材料之间的过渡层材料均可显著降低涂层的热应力；
(3)涂层结构设计:根据模拟仿真结果，涂层结构设计为“金/铜/过渡层/石英纤维复合材料”，其中金是高温下的防护涂层；
(4)过渡层材料选择:铬、锆和钛是热胀系数介于碳纤维复合材料基底和铜导电涂层之间的材料，都可使导电涂层的热应力降低，通过模拟仿真，在360°C?-60°C之间，金防护涂层最大热应力值小于80MPa，铜导电涂层最大热应力值小于150MPa，铬过渡层最大热应力值小于350MPa，钛过渡层最大热应力值小于320MPa，锆过渡层最大热应力值小于180MPa ；
(5)铜导电涂层结构设计优化:采用电弧离子镀技术进行附着力验证实验，铬和锆与石英纤维复合材料基底之间具有较好的匹配性，涂层附着力术5N/mm2，而当过渡层厚度在5Onm?3OOnm时涂层附着力最高。
[0020]本发明一种复合材料表面抗冷热冲击导电涂层结构设计方法，能够在复合材料表面设计出满足抗冷热冲击的导电涂层，解决了复合材料表面涂层经过多次冷热交变后产生裂纹，甚至脱落等问题，这不仅解决了复合材料表面抗冷热冲击导电涂层制备的瓶颈，同时也指导了涂层的工艺制备过程，缩短了研制周期，节约了研制成本。
【主权项】
1.一种复合材料表面抗冷热冲击导电涂层结构设计方法，其特征在于，包括下列步骤: (1)确定导电涂层材料:综合分析实际的应用需求、导电涂层制备的可行性和经济性，选择导电涂层材料； (2)导电涂层应力模拟仿真分析:采用“ANSYS”应力分析软件，对复合材料表面导电涂层进行应力模拟仿真分析； (3)导电涂层结构设计:依据步骤(2)中模拟仿真的结果，对导电涂层结构进行初步设计； (4)过渡层材料的:依据步骤(3)对导电涂层结构的初步设计选择过渡层材料； (5)导电涂层结构设计优化:采用电弧离子镀技术，通过对关键性能参数的实验研究，对复合材料表面抗冷热冲击导电涂层结构进行优化处理。2.如权利要求1所述一种复合材料表面抗冷热冲击导电涂层结构设计方法，其特征在于，所述步骤(I)中所述导电涂层材料首先必须满足电性能使用要求，且在使用温度范围内具有较好的稳定性；其次，该导电涂层材料适合用电弧离子镀技术制备；最后，在多种满足以上两点要求的导电涂层材料中，优先选择成本低廉且易于获取加工的材料。3.如权利要求1所述一种复合材料表面抗冷热冲击导电涂层结构设计方法，其特征在于，所述步骤(2)中采用“ANSYS”应力分析软件建立一层以上有限元模型，设置合理的粘接型界面，并进行网格划分。4.如权利要求1所述一种复合材料表面抗冷热冲击导电涂层结构设计方法，其特征在于，所述步骤(2)中假定零热应力温度为导电涂层的沉积温度。5.如权利要求1所述一种复合材料表面抗冷热冲击导电涂层结构设计方法，其特征在于，所述步骤(2)中需对其变化对导电涂层应力的影响进行仿真模拟的参数包括涂层厚度、过渡层热胀系数、弹性模量、泊松比。6.如权利要求1所述一种复合材料表面抗冷热冲击导电涂层结构设计方法，其特征在于，所述步骤(3)中必须充分考虑所述导电涂层在特殊使用环境下的各类防护。7.如权利要求1所述一种复合材料表面抗冷热冲击导电涂层结构设计方法，其特征在于，所述步骤(3)中所述导电涂层的厚度必须满足功能使用需求。8.如权利要求1所述一种复合材料表面抗冷热冲击导电涂层结构设计方法，其特征在于，所述步骤(4)中所述过渡层材料的热胀系数介于复合材料基底和所述导电涂层之间。9.如权利要求1所述一种复合材料表面抗冷热冲击导电涂层结构设计方法，其特征在于，所述步骤(4)的中所述导电涂层各层的仿真最大热应力值小于等于相应温度下所述过渡层材料的抗拉强度。10.如权利要求1所述一种复合材料表面抗冷热冲击导电涂层结构设计方法，通过所述步骤(5)中的实验研究不同过渡层材料、过渡层材料的不同厚度对导电涂层附着力的影响，优化过渡层厚度。
【专利摘要】本发明公开了一种复合材料表面抗冷热冲击导电涂层结构设计方法，包括确定导电涂层材料、涂层应力模拟仿真分析、涂层结构设计、过渡层材料选择和涂层结构设计优化五个步骤。本发明解决了复合材料表面涂层经过多次冷热交变后产生裂纹，甚至脱落等问题，同时也指导了涂层的工艺制备过程，缩短了研制周期，节约了研制成本。
【IPC分类】G06F17/50
【公开号】CN105224725
【申请号】CN201510576428
【发明人】武生虎, 马占吉, 刘孝丽, 肖更竭, 赵栋才, 牟先凯
【申请人】兰州空间技术物理研究所
【公开日】2016年1月6日
【申请日】2015年9月11日