一种复合型耐激光烧蚀涂料、制备方法及其使用方法与流程

本发明涉及一种涂料技术领域，具体的说是一种复合型耐激光烧蚀涂料、制备方法及其使用方法。

背景技术：

近年来，随着高能激光技术的飞速发展，对高能激光防护技术提出了新需求和挑战，通过材料技术进行激光防护包括薄膜类、结构类和涂层类，薄膜类主要针对卫星光学系统和广电传感器的反激光防护，主要采用在光学和传感器表面镀制薄膜的方法，结构类主要指通过结构设计实现结构功能一体化，进而达到激光防护的目的，涂层类材料是飞机最传统的防护和实现特殊功能的材料形式，应用成本较低，但由于耐激光烧蚀涂层对材料性能要求极高，因此，激光防护涂层材料的研究日益广泛。

国外技术目前，国外对高能激光防护技术的研究主要以陶瓷涂层、反射率高的金属涂层(如铝、锡箔等)、纤维复合材料涂层及有机硅树脂等防护材料为主，而对于高能激光防护的专利主要以陶瓷粉体制备方法及结构设计等为主，整体防护涂层的研究较少。

美国在激光防护方面的研究最早，特别是在1989年用激光击落超音速飞行导弹试验获得成功后，高能激光武器防护问题日益受到重视，激光防护技术研究迅速发展。

milling等人将表面光滑的铝作为飞机的外壳结构表面，这种反射结构对强激光具有较好的防护效果。一些天然矿物由于具有平滑的解理面，对激光也具有优良的反射能力，美国研究了一种由多层石墨组成的抗激光结构，每层石墨很薄且光滑如镜，对激光具有很高的反射率，起到了抗激光加固的效果。

雷声公司在20世纪80年代末研制了一种用于固体发动机的两层防激光结构，其中烧蚀层是以石墨化的碳纤维作为增强相的碳基复合材料，气孔率极低，绝热层为高硅氧增强酚醛树脂复合材料，该结构具有较好的抗激光性能。branen等人利用酚醛树酯浸渍sio2布制成防热护罩，用作三叉机型导弹抗激光破坏表面材料。洛克希德公司研制了由碳和碳化硅纤维增强的氧化硅和氧化钛复合材料，实验表明其抗激光加固水平为120w·cm^-2。美国nasa也研究了可用于再入飞行器鼻锥帽的碳/碳复合材料的抗激光性能，辐照实验表明其质量损失率仅为0.1～0.6％。

美国海军用一种含有铝颜料的有机硅高温涂料tt2p228，反射系数大，可在650℃高温条件下起到抗激光防护作用。

国外关于高能激光防护的专利多集中于高能激光防护结构件的研究，而陶瓷材料的研究多集中于医学结构如陶瓷牙齿、心脏支架等方面的专利，关于耐激光防护涂层的专利却较少。

国内技术

国内关于高能激光防护技术研究较少，仅有某些高校和研究所开展了该方面的研究，主要以碳纤维增强环氧树脂复合材料、碳化硅陶瓷等技术为主，专利方面多以陶瓷粉体的制备方法为主，对于高能激光有机防护涂层的研究接近空白。

陈博等(陈博，万红，穆景阳.重频激光作用下碳纤维/环氧树脂复合材料热损失规律[j].强激光与电子束，2008，20(4):547～551)采用平均功率为694w/cm²(峰值功率为34.7kw/cm²)的重频激光辐照碳纤维增强环氧树脂复合材料，复合材料中的碳纤维就发生了气化烧蚀。

陶杰等(陶杰，承涵，陈照峰，方聃，张颖.聚碳硅烷复合涂层抗激光烧蚀研究[j].宇航材料工艺，2008(2):39～42)提出在飞行器表面涂敷经过固化的聚碳硅烷复合涂层，在激光烧蚀作用下聚碳硅烷涂层形成耐高温sic陶瓷和游离c，从而实现抗激光加固。

李雅娣等(李雅娣，吴平，马喜梅，陶顺衍，氧化锆涂层在激光防护中的应用研究[j].表面技术，2008，37(3):71～74)研究了金属和复合材料基材上氧化锆涂层对激光的防护性能，研究表明：zro2涂层降低了烧蚀，隔热效果明显。但zro2涂层脆性明显，且等离子喷涂大面积使用时受到限制。

李静，郑轶等(李静，郑轶，罗晋，陈松林，关振威，梁璐.航空复合涂层材料的激光烧蚀效应[j].强激光与粒子束，2014，26(2):029003)以有机硅树脂、聚碳硅烷和玻璃粉为粘结剂，添加无机耐热填料氧化铝、氧化锆等制备的激光烧蚀涂层，具有良好的抗激光烧蚀及隔热性能，但得到的涂层表面反射率较低。

国内关于高能激光防护材料的专利主要是陶瓷材料方面，而该方面的专利多集中于陶瓷粉体材料的研究，而关于高能激光防护涂层的研究却很少。

技术实现要素：

为了解决现有技术中的不足，本发明提供一种复合型耐激光烧蚀涂料、制备方法及其使用方法，该涂料具备高反射耐激光烧蚀的特点，使用该涂料制备的涂层具有抗高能激光烧蚀的作用。

为了实现上述目的，本发明采用的具体方案为：一种复合型耐激光烧蚀涂料，该涂料按质量百分比包括如下成分：

酚醛树脂10～35％；

氧化锆45～65％；

体质填料10～15％；

溶剂11.5～42％；

分散剂0.4～1.7％；

消泡剂0.4～1.7％；

流平剂0.4～1.7％。

进一步地，所述酚醛树脂为钡酚醛树脂或rtm-8酚醛树脂。

进一步地，所述体质填料包括氧化铝和碳化硅，氧化铝和碳化硅的添加比例为(1～2):1。

进一步地，所述溶剂是由乙醇与醋酸丁酯按照(0.6～2)：1的复配比配制的混合液。

进一步地，所述分散剂为byk-110、byk-163中的任意一种或两种。

进一步地，所述消泡剂为6800、6600、byk-066中的任意一种或几种。

进一步地，所述流平剂为磷酸酯改性丙烯酸流平剂或弗改性丙烯酸流平剂中的任意一种或两种。

进一步地，所述涂料还包括0～5％的触变剂，所述触变剂为气相二氧化硅、有机膨润土、氢化蓖麻油、聚酰胺蜡中的任意一种或几种。

一种制备复合型耐激光烧蚀涂料的方法，包括如下步骤：

步骤一、按照所述质量百分比称取各组分，然后将称取的酚醛树脂用占总量30％的溶剂稀释成树脂浆；

步骤二、将树脂浆、分散剂、消泡剂、流平剂和剩余的溶剂置于分散桶中，于500～1000rpm/min转速下分散均匀，得到混合物i；

步骤三、再向分散桶中依次加入氧化锆、体质填料，于1500～2000rpm/min的转速下分散均匀，得到混合物ii；

步骤四、向步骤三得到的混合物ii中加入占混合物ii质量55～75％的研磨玻璃珠，采用研磨法研磨3～5h，然后加入触变剂继续研磨1～3h，再经过滤即得到耐激光烧蚀涂料。

一种复合型耐激光烧蚀涂料的使用方法，包括如下步骤：

(1)、采用喷涂、刷涂或辊涂的方法将涂料涂装于工件表面；

(2)、对涂装后的工件表面依次以40℃、50℃、60℃、70℃、80℃的温度各加热1h，然后自然冷却至室温，即得到耐激光烧蚀涂层。

有益效果：

1、本发明的涂料主要由酚醛树脂、氧化锆、体质填料、助剂和溶剂组成，其中酚醛树脂为粘合剂，起到将氧化锆均匀粘结分散于基材表面的作用；氧化锆为相转变材料，发挥反射性耐激光烧蚀作用，氧化锆在常压下有三种晶型，从低温到高温依次是单斜、四方和立方晶型，即m-zro2、t-zro2和c-zro2，当其受到高能激光辐照会产生瞬时高能热量从而导致晶型发生变化，相转变作用的发生导致涂层表面反射率升高，相对减少激光的辐照热能，从而保证涂层产生抗高能激光烧蚀作用。

2、本发明采用常温刷涂、辊涂或有气喷涂等常规喷涂方法以酚醛树脂为粘合剂将耐激光烧蚀涂料涂覆到工件表面，保证氧化锆在激光烧蚀作用之前结晶构型不发生变化，确保相转变作用顺利进行，当高能激光辐照涂层表面，酚醛树脂能够完全碳化消失且发挥氧化锆的高反射率作用，提高涂层表面反射率，增强抗激光烧蚀能力。

3、本发明在涂料涂装于工件表面后，采用缓慢梯度变化加热干燥技术(从40℃以10℃为一个升温梯度逐渐升温至80℃)，其既能保证酚醛树脂的加热固化，还能保证涂料中含有的溶剂等挥发性物质，不会因升温速度过快而导致涂层表面开裂，进而失去防护作用。

4、本发明制备的耐激光烧蚀涂料制备方法及使用方法简单，适用于钢、铝等多种材质的工件，涂层性能稳定，满足激光防护设备表面高能激光防护需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明中耐激光烧蚀涂料的制备工艺流程图。

图2是利用本发明中耐激光烧蚀涂料制备涂层的流程图。

图3是表面涂装有涂层的样板在高能激光辐照前的三维视频表观形貌图。

图4是表面涂装有涂层的样板在高能激光辐照后的三维视频表观形貌图。

图5是表面涂装有涂层的样板表面状态图。

图6是表面涂装有涂层的样板经激光辐照后的表面状态图。

具体实施方式

下面将结合具体实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

需要说明的是，下列实施例中使用各种原料，除非另作说明，都为常规市售产品。

一种复合型耐激光烧蚀涂料，该涂料按质量百分比包括如下成分：酚醛树脂10～35％、氧化锆45～65％、体质填料10～15％、溶剂11.5～42％、分散剂0.4～1.7％、消泡剂0.4～1.7％、流平剂0.4～1.7％。

优选地，所述酚醛树脂为钡酚醛树脂或rtm-8酚醛树脂。

优选地，所述体质填料包括氧化铝和碳化硅，氧化铝和碳化硅的添加比例为(1～2)：1。

优选地，所述溶剂是由乙醇与醋酸丁酯按照(0.6～2)：1的复配比配制的混合液。

优选地，所述分散剂为byk-110、byk-163中的任意一种或两种。

优选地，所述消泡剂为6800、6600、byk-066中的任意一种或几种。

优选地，所述流平剂为磷酸酯改性丙烯酸流平剂或弗改性丙烯酸流平剂中的任意一种或两种。

优选地，所述涂料还包括0～5％的触变剂，所述触变剂为气相二氧化硅、有机膨润土、氢化蓖麻油、聚酰胺蜡中的任意一种或几种。

一种制备复合型耐激光烧蚀涂料的方法包括如下步骤：

步骤一、按照所述质量百分比称取各组分，然后将称取的酚醛树脂用占总量30％的溶剂稀释成树脂浆；

步骤二、将树脂浆、分散剂、消泡剂、流平剂和剩余的溶剂置于分散桶中，于500～1000rpm/min转速下分散均匀，得到混合物i；

步骤三、再向分散桶中依次加入氧化锆、体质填料，于1500～2000rpm/min的转速下分散均匀，得到混合物ii；

步骤四、向步骤三得到的混合物ii中加入占混合物ii质量55～75％的研磨玻璃珠，采用研磨法研磨3～5h，然后加入触变剂继续研磨1～3h，再经过滤即得到耐激光烧蚀涂料。

一种复合型耐激光烧蚀涂料的使用方法，包括如下步骤：

(1)、采用喷涂、刷涂或辊涂的方法将涂料涂装于工件表面；

(2)、对涂装后的工件表面依次以40℃、50℃、60℃、70℃、80℃的温度各加热1h，然后自然冷却至室温，即得到耐激光烧蚀涂层。

实施例1

一种复合型耐激光烧蚀涂料，其组分及相应的质量分数如表1所示。

表1实施例1的防结冰涂料按质量分数计的组分

该耐激光烧蚀涂料的制备方法包括如下步骤：

步骤一、按照所述质量百分比称取各组分，然后将称取的酚醛树脂用占总量30％的溶剂稀释成树脂浆；

步骤二、将树脂浆、分散剂、消泡剂、流平剂和剩余的溶剂置于分散桶中，于500～1000rpm/min转速下分散均匀，得到混合物i；

步骤三、再向分散桶中依次加入氧化锆、体质填料，于1500～2000rpm/min的转速下分散均匀，得到混合物ii；

步骤四、向步骤三得到的混合物ii中加入占混合物ii质量55～75％的研磨玻璃珠，采用研磨法研磨3～5h，然后加入触变剂继续研磨1～3h，再经过滤即得到耐激光烧蚀涂料。

实施例2

实施例2中耐激光烧蚀涂料的组分及相应的质量分数如表2所示。

表2实施例2的耐激光烧蚀涂料按质量分数计的组分

实施例2的制备方法与实施例1相同。

实施例3

实施例3中耐激光烧蚀涂料的组分及相应的质量分数如表3所示。

表3实施例3的耐激光烧蚀涂料按质量分数计的组分

实施例3的制备方法与实施例1相同。

采用喷涂、刷涂或辊涂的方法将实施例1-3制备的耐激光烧蚀涂料分别涂装于工件表面；然后对涂装后的工件表面依次以40℃、50℃、60℃、70℃、80℃的温度各加热1h，然后自然冷却至室温，即得到耐激光烧蚀涂层。

效果实施例

(1)、对实施例1-3制备的耐激光涂层的可抵御激光功率密度、激光辐照时间及涂层的表面反射率进行检测，其性能检测结果如表4所示。

表4实施例1-3制备的耐激光烧蚀涂层的性能检测结果

由表4可知，实施例1-3制备的耐激光烧蚀涂层可抵御激光功率密度、激光辐照时间及涂层的表面反射率均大于指标要求，进而说明本发明制备的耐激光烧蚀涂料具备良好的耐高能激光辐照的能力。

(2)、以实施例2制备的耐激光烧蚀涂层为例，图3所示为高能激光辐照前的三维视频表观形貌图，图4是高能激光辐照后的三维视频表观形貌图，由图3和图4可知，涂层经过激光烧蚀后颜色由黄色变为白色，涂层由平整变得更加蓬松，涂层表面反射率增高，这主要是由于氧化锆晶型方生改变而引起的。图5所示为表面带有耐激光烧蚀涂层的样板表面状态图，图6是样板表面经激光辐照后的表面状态图，由图5和图6可知，该耐激光烧蚀涂层在激光功率密度为1136.4w/cm²、耐受激光辐照120s的条件下，涂层表面无变化；当激光功率密度达到2441.4w/cm²，耐受激光辐照时间10s，说明该涂层具备良好的耐激光烧蚀性能。

综上可知，采用本发明制备的耐激光烧蚀涂料涂装于工件表面，然后采用缓慢梯度化加热干燥技术形成耐激光烧蚀涂层，该涂层表面平整细腻无裂痕，可抵御功率密度1000w/cm²以上的激光辐照，辐照后涂层表面反射率最高可达77.09％，因此，该耐激光烧蚀涂料适用于高能激光防护设备。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非随本发明作任何形式上的限制。凡根据本发明的实质所做的等效变换或修饰，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。