专利名称：一种镁合金表面高太阳吸收率高发射率热控涂层的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种镁合金表面热控涂层的制备方法。
背景技术：
热控涂层又称温控涂层，是空间飞行器(卫星、飞船等)热控系统所采用的一种重 要的材料，是一种实现被动热控制的主要方式。热控涂层可以通过自身的热物理特性即太 阳吸收率(a s)和发射率(e )来调节控制航天器表面的温度。对于已经确定了飞行轨道 的航天器来说，其外表面的平均温度决定于表面的as/e值。因此，正确选择热控材料的 as/e值，是保证航天器处于正常工作温度范围的关键。 目前主要使用的高发射率热控涂层主要包括两类一类是通过粘结剂与黑色颜料 混合后涂覆在基体表面的涂料型热控涂层；另一类是通过阳极氧化着色或者电解着色得到 的一种以阳极氧化膜为基础的电化学涂层。虽然这两类高发射率涂层已经应用于航空、航 天等领域，但这两类涂层存在着空间稳定性不好、耐紫外辐照性能差、与基体的结合力不理 想的缺点。 同时，近年来随着现代航天技术的发展，军用卫星向大型化、高精度和多功能等方 面发展，卫星有效载荷不断增加，因此，对卫星结构轻量化提出了更高要求。因此，寻求一种 能够替代现有铝合金基体材料，同时质量轻，并且能够在其表面得到很好的红外发射率的 基体材料成为现阶段研究亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有应用于航天器的铝合金材料重量大，不能满足航天 器结构轻量化的要求的问题，而提供一种镁合金表面高太阳吸收率高发射率热控涂层的制 备方法。 本发明一种镁合金表面高太阳吸收率高发射率热控涂层的制备方法是通过以下 步骤实现的一、对镁合金进行表面除油预处理；二、采用主成膜剂、辅助成膜剂、着色添加 剂、络合剂、pH调节剂和去离子水制成电解液，其中，主成膜剂的浓度为20 100g/L，辅助 成膜剂的浓度为1 20g/L，着色添加剂的浓度为20 40g/L，络合剂的浓度为20 50g/ L，pH调节剂的浓度为1 10g/L ;所述主成膜剂为磷酸盐或者硅酸盐，辅助成膜剂为硼砂或 者氟铝酸钠，着色添加剂为可溶的含钴元素的无机盐或有机盐、或者可溶的含锰元素的无 机盐或有机盐，络合剂为乙二胺或者乙二胺四乙酸，PH调节剂为氢氧化钾；三、恒电流模式
制备热控涂层将经步骤一预处理后的镁合金浸入电解液中作为阳极，微弧氧化电解槽为
阴极，采用脉冲微弧氧化电源，控制电流密度为3A m—2 8A m—2，频率为50 2000Hz，占 空比10X 45X，微弧氧化反应5 60min，即在镁合金表面得到高太阳吸收率高发射率热 控涂层。 本发明采用微弧氧化方法在镁合金表面得到高太阳吸收率高发射率热控涂层，厚度为20 lOOym ;并将具有高红外发射率的过渡金属掺杂到膜层中，太阳吸收率为 0. 88 0. 95，红外发射率为0. 85 0. 90，达到现有铝合金表面的热控涂层的性能。
本发明中镁合金的密度小，仅为1. 73g/cm3，约为铝合金密度的2/3。此外，镁合金 的比强度和比刚度大，并且具有良好的阻尼性能，能够承受较大的冲击、振动载荷。采用本 发明在镁合金上得到热控涂层的热控性能与铝合金表面热控涂层的性能相同，其重量降低 25% 35%，可以替代铝合金应用于航天器上。 本发明的热控涂层是通过微弧氧化方法在镁合金基体上原位生长而成，主要由内 层的致密层和外层的疏松层组成，其与底层材料结合强度高，不会因为环境的急冷急热在 基体和陶瓷涂层之间产生裂纹，满足结合强度和热循环性能的要求，同时避免了化学稳定 性低的镁与外界接触而发生腐蚀，提高了合金的耐蚀性。同时热控涂层表面状态色泽均匀， 可经过简单的后处理就能达到电化学热控涂层所需要的涂层不疏松、不起泡、不起皮、无剥 落等要求。
具体实施例方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式
，还包括各具体实施方式
间的
任意组合。
具体实施方式
一 本实施方式镁合金表面高太阳吸收率高发射率热控涂层的制备 方法是通过以下步骤实现的一、对镁合金进行表面除油预处理；二、采用主成膜剂、辅助 成膜剂、着色添加剂、络合剂、pH调节剂和去离子水制成电解液，其中，主成膜剂的浓度为 20 100g/L，辅助成膜剂的浓度为1 20g/L，着色添加剂的浓度为20 40g/L，络合剂的 浓度为20 50g/L，pH调节剂的浓度为1 10g/L ;所述主成膜剂为磷酸盐或者硅酸盐，辅 助成膜剂为硼砂或者氟铝酸钠，着色添加剂为可溶的含钴元素的无机盐或有机盐、或者可 溶的含锰元素的无机盐或有机盐，络合剂为乙二胺或者乙二胺四乙酸，PH调节剂为氢氧化 钾；三、恒电流模式制备热控涂层将经步骤一预处理后的镁合金浸入电解液中作为阳极， 微弧氧化电解槽为阴极，采用脉冲微弧氧化电源，控制电流密度为3A m—2 8A m—2，频率 为50 2000Hz，占空比10% 45%，然后微弧氧化反应5 60min，即在镁合金表面得到 高太阳吸收率高发射率热控涂层。 本实施方式步骤三中微弧氧化电解槽的材料为不锈钢。 本实施方式采用微弧氧化方法在镁合金表面得到高太阳吸收率高发射率热控涂 层，厚度为20 100iim，太阳吸收率为0. 88 0. 95，红外发射率为0. 85 0. 90。
采用本实施方式制备的镁合金表面高太阳吸收率高发射率热控涂层，与现有铝合 金表面的热控涂层的性能相当，并且镁合金与铝合金相比，其重量可以减少25% 35%。
本实施方式采用微弧氧化技术，微弧氧化是近年来在阳极氧化基础上发展起来的 一种新型表面处理技术，通过热化学、电化学、等离子体化学的共同作用，在阀金属表面原 位生长一层陶瓷膜的表面处理方法。
具体实施方式
二 本实施方式与具体实施方式
一不同的是步骤一中镁合金为 MB4、MB6、MB7或者MB15。其它步骤及参数与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三本实施方式与具体实施方式
一或二不同的是步骤一中对镁合金 进行表面除油预处理的具体操作为配制质量浓度为80 100g/L的氢氧化钠溶液为除油剂，将镁合金试样放入除油剂中，然后在70 9(TC条件下保温15 20min，取出，用清水冲 洗，再用蒸馏水冲洗，烘干。其它步骤及参数与具体实施方式
一或二相同。
对镁合金的除油处理不限于本实施方式中所举实例，凡是现有的合理的镁合金除 油处理均适用于本实施方式。
具体实施方式
四本实施方式与具体实施方式
一、二或三不同的是步骤二中主成 膜剂为磷酸钠、磷酸钾、硅酸钠或者硅酸钾。其它步骤及参数与具体实施方式
一、二或三相 同。
具体实施方式
五本实施方式与具体实施方式
一至四不同的是步骤二中着色添加 剂为硫酸钴、草酸钴、硫酸锰或者乙酸锰。其它步骤及参数与具体实施方式
一至四相同。
具体实施方式
六本实施方式与具体实施方式
一至五不同的是步骤二中主成膜剂 的浓度为30 90g/L、辅助成膜剂的浓度为5 15g/L、着色添加剂的浓度为25 35g/L、 络合剂的浓度为25 40g/L和pH调节剂的浓度为3 8g/L。其它步骤及参数与具体实施 方式一至五相同。
具体实施方式
七本实施方式与具体实施方式
一至五不同的是步骤二中主成膜剂
的浓度为70g/L、辅助成膜剂的浓度为10g/L、着色添加剂的浓度为30g/L、络合剂的浓度为
35g/L和pH调节剂的浓度为5g/L。其它步骤及参数与具体实施方式
一至五相同。
具体实施方式
八本实施方式与具体实施方式
一至七不同的是步骤三中控制电流
密度为4A m—2 6A m—2。其它步骤及参数与具体实施方式
一至七相同。
具体实施方式
九本实施方式与具体实施方式
一至七不同的是步骤三中控制电流
密度为5A穌m—2。其它步骤及参数与具体实施方式
一至七相同。
具体实施方式
十本实施方式与具体实施方式
一至九不同的是步骤三中频率为 200 1000Hz。其它步骤及参数与具体实施方式
一至九相同。
具体实施方式
十一 本实施方式与具体实施方式
一至九不同的是步骤三中频率为 500Hz。其它步骤及参数与具体实施方式
一至九相同。
具体实施方式
十二 本实施方式与具体实施方式
一至十一不同的是步骤三中微弧 氧化反应10 50min。其它步骤及参数与具体实施方式
一至i^一相同。
具体实施方式
十三本实施方式与具体实施方式
一至十一不同的是步骤三中微弧 氧化反应30min。其它步骤及参数与具体实施方式
一至十一相同。
具体实施方式
十四本实施方式镁合金表面高太阳吸收率高发射率热控涂层的 制备方法是通过以下步骤实现的一、配制质量浓度为100g/L的氢氧化钠溶液为除油剂， 将MB15镁合金放入除油剂中，然后在8(TC条件下保温15min，取出，用清水冲洗，再用蒸 馏水冲洗，烘干；二、配制含有70g/L的磷酸钠、15g/L的氟铝酸钠、35g/L的硫酸钴、30g/L 的乙二胺四乙酸和8g/L氢氧化钾的电解液，溶剂为去离子水；三、恒电流模式制备热控涂 层将经步骤一预处理后的镁合金浸入电解液中作为阳极，微弧氧化电解槽为阴极，采用脉 冲微弧氧化电源，控制电流密度为4A m—2，频率为500Hz，占空比45%，然后微弧氧化反应 40min，即在MB15镁合金表面得到高太阳吸收率高发射率热控涂层。 本实施方式在MB15镁合金表面获得的热控涂层均匀、致密、强度高。与MB15镁合 金的结合力大。采用UV/VIS光度计(紫外可见分光光度计)和红外反射计对热控涂层分 别进行了太阳吸收率和红外发射率的测试，测试结果为太阳吸收率可达到O. 88，红外发射率可达到O. 85。 采用本实施方案在MB15镁合金表面制备高太阳吸收率高发射率热控涂层涂层， 与铝合金相比减重25 % 35 % 。
具体实施方式
十五本实施方式镁合金表面高太阳吸收率高发射率热控涂层的制 备方法是通过以下步骤实现的一、配制质量浓度为90g/L的氢氧化钠溶液为除油剂，将 MB6镁合金放入除油剂中，然后在8(TC条件下保温20min，取出，用清水冲洗，再用蒸馏水冲 洗，烘干；二、配制含有80g/L的硅酸钠、6. 5g/L的氟铝酸钠、20g/L的草酸钴、25g/L的乙二 胺和5g/L氢氧化钾的电解液，溶剂为去离子水；三、恒电流模式制备热控涂层将经步骤一 预处理后的镁合金浸入电解液中作为阳极，微弧氧化电解槽为阴极，采用脉冲微弧氧化电 源，控制电流密度为5A *m—2，频率为200Hz，占空比30%，然后微弧氧化反应30min，即在MB6 镁合金表面得到高太阳吸收率高发射率热控涂层。 本实施方式在MB6镁合金表面获得的热控涂层均匀、致密、强度高。与MB6镁合金 的结合力大。采用UV/VIS光度计和红外反射计对热控涂层进行太阳吸收率和红外发射率 的测试，测试结果为太阳吸收率可达到0. 90，红外发射率可达到0. 87。
采用本实施方案在MB6镁合金表面制备高太阳吸收率高发射率热控涂层涂层，与 铝合金相比减重25 % 35 % 。
具体实施方式
十六本实施方式镁合金表面高太阳吸收率热高发射率控涂层的制 备方法是通过以下步骤实现的一、配制质量浓度为100g/L的氢氧化钠溶液为除油剂，将 MB4镁合金放入除油剂中，然后在8(TC条件下保温20min，取出，用清水冲洗，再用蒸馏水冲 洗，烘干；二、配制含有30g/L的磷酸钠、10g/L的硼砂、25g/L的硫酸锰、35g/L的乙二胺四 乙酸和3g/L氢氧化钾的电解液，溶剂为去离子水；三、恒电流模式制备热控涂层将经步骤 一预处理后的镁合金浸入电解液中作为阳极，微弧氧化电解槽为阴极，采用脉冲微弧氧化 电源，控制电流密度为3A m—2，频率为50Hz，占空比20 % ，然后微弧氧化反应50min，即在 MB4镁合金表面得到高太阳吸收率高发射率热控涂层。 本实施方式在MB4镁合金表面获得的热控涂层均匀、致密、强度高。与MB4镁合金 的结合力大。采用UV/VIS光度计和红外反射计对热控涂层进行太阳吸收率和红外发射率 的测试，测试结果为太阳吸收率可达到0. 92，红外发射率可达到0. 88。
采用本实施方案在MB4镁合金表面制备高太阳吸收率高发射率热控涂层涂层，与 铝合金相比减重25 % 35 % 。
具体实施方式
十七本实施方式镁合金表面高太阳吸收率高发射率热控涂层的制 备方法是通过以下步骤实现的一、配制质量浓度为100g/L的氢氧化钠溶液为除油剂，将 MB7镁合金放入除油剂中，然后在8(TC条件下保温20min，取出，用清水冲洗，再用蒸馏水冲 洗，烘干；二、配制含有90g/L的硅酸钠、20g/L的硼砂、20g/L的乙酸锰、25g/L的乙二胺四 乙酸和3g/L氢氧化钾的电解液，溶剂为去离子水；三、恒电流模式制备热控涂层将经步骤 一预处理后的镁合金浸入电解液中作为阳极，微弧氧化电解槽为阴极，采用脉冲微弧氧化 电源，控制电流密度为8A*m—2，频率为2000Hz，占空比10%，然后微弧氧化反应10min，即在 MB7镁合金表面得到高太阳吸收率高发射率热控涂层。 本实施方式在MB7镁合金表面获得的热控涂层均匀、致密、强度高。与MB7镁合金 的结合力大。采用UV/VIS光度计和红外反射计对热控涂层进行太阳吸收率和红外发射率的测试，测试结果为太阳吸收率可达到0. 95，红外发射率可达到0. 90。 采用本实施方案在MB4镁合金表面制备高太阳吸收率高发射率热控涂层涂层，与
铝合金相比减重25 % 35 % 。
权利要求
一种镁合金表面高太阳吸收率高发射率热控涂层的制备方法，其特征在于镁合金表面高太阳吸收率热控涂层的制备方法是通过以下步骤实现的一、对镁合金进行表面除油预处理；二、采用主成膜剂、辅助成膜剂、着色添加剂、络合剂、pH调节剂和去离子水配制成电解液，其中，主成膜剂的浓度为20～100g/L，辅助成膜剂的浓度为1～20g/L，着色添加剂的浓度为20～40g/L，络合剂的浓度为20～50g/L，pH调节剂的浓度为1～10g/L；所述主成膜剂为磷酸盐或者硅酸盐，辅助成膜剂为硼砂或者氟铝酸钠，着色添加剂为可溶的含钴元素的无机盐或有机盐、或者可溶的含锰元素的无机盐或有机盐，络合剂为乙二胺或者乙二胺四乙酸，pH调节剂为氢氧化钾；三、恒电流模式制备热控涂层将经步骤一预处理后的镁合金浸入电解液中作为阳极，微弧氧化电解槽为阴极，采用脉冲微弧氧化电源，控制电流密度为3A·dm-2～8A·dm-2，频率为50～2000Hz，占空比10％～45％，然后微弧氧化反应5～60min，即在镁合金表面得到高太阳吸收率高发射率热控涂层。
2. 根据权利要求1所述的一种镁合金表面高太阳吸收率高发射率热控涂层的制备 方法，其特征在于步骤一中对镁合金进行表面除油预处理的具体操作为配制质量浓度为 80 100g/L的氢氧化钠溶液为除油剂，将镁合金试样放入除油剂中，然后在70 9(TC条 件下保温15 20min，取出，用清水冲洗，再用蒸馏水冲洗，烘干。
3. 根据权利要求1或2所述的一种镁合金表面高太阳吸收率高发射率热控涂层的制备 方法，其特征在于步骤二中主成膜剂为磷酸钠、磷酸钾、硅酸钠或者硅酸钾。
4. 根据权利要求3所述的一种镁合金表面高太阳吸收率高发射率热控涂层的制备方 法，其特征在于步骤二中着色添加剂为硫酸钴、草酸钴、硫酸锰或者乙酸锰。
5. 根据权利要求1 、2或4所述的一种镁合金表面高太阳吸收率高发射率热控涂层的制 备方法，其特征在于步骤三中控制电流密度为4A dm—2 6A dm—2。
6. 根据权利要求1、2或4所述的一种镁合金表面高太阳吸收率高发射率热控涂层的制 备方法，其特征在于步骤三中控制电流密度为5A dm一2。
7. 根据权利要求6所述的一种镁合金表面高太阳吸收率高发射率热控涂层的制备方 法，其特征在于步骤三中频率为200 1000Hz。
8. 根据权利要求6所述的一种镁合金表面高太阳吸收率高发射率热控涂层的制备方 法，其特征在于步骤三中频率为500Hz。
9. 根据权利要求1、2、4、7或8所述的一种镁合金表面高太阳吸收率高发射率热控涂层 的制备方法，其特征在于步骤三中微弧氧化反应10 50min。
10. 根据权利要求1、2、4、7或8所述的一种镁合金表面高太阳吸收率高发射率热控涂 层的制备方法，其特征在于步骤三中微弧氧化反应30min。
全文摘要
一种镁合金表面高太阳吸收率高发射率热控涂层的制备方法，它涉及一种镁合金表面热控涂层的制备方法。本发明的目的是为了解决现有应用于航天器的铝合金材料重量大，不能满足航天器结构轻量化的要求的问题。本发明的方法是一、对镁合金进行除油预处理；二、配制含有主成膜剂、着色添加剂、络合剂和pH调节剂的电解液；三、采用恒电流模式，以镁合金为阳极，电解槽为阴极进行微弧氧化，即在镁合金表面得到高太阳吸收率热控涂层。本发明得到的热控涂层与镁合金基体的结合力好；热控涂层的太阳吸收率为0.88～0.95，红外发射率为0.85～0.9；其重量比铝合金减少25％～35％。可以应用于航天器。
文档编号C25D11/02GK101748468SQ20101030067
公开日2010年6月23日 申请日期2010年1月25日 优先权日2010年1月25日
发明者卢松涛, 吴晓宏, 李庆阳, 王小东, 秦伟 申请人:哈尔滨工业大学