[發明專利]一種可瓷化耐燒蝕涂層及其制備方法

有效

• 申請號: 202010073465.5
• 申請日: 2020-01-22
• 公開（公告）號: CN111171721B
• 公開（公告）日: 2021-08-20
• 發明（設計）人: 邊城;王淑娟;閆寧;井新利;李宏巖;朱國偉;趙鳳起
• 申請（專利權）人: 西安近代化學研究所
• 主分類號: C09D183/08
• 分類號: C09D183/08;C09D5/18;C08G77/22;C08G77/398
• 代理公司: 中國兵器工業集團公司專利中心 11011
• 代理人: 祁恒

本發明提出一種可瓷化耐燒蝕涂層及其制備方法，通過對涂料的組成和配比進行優化后得到的，制備的涂料所形成的涂層結合強度高，能夠經受1500℃以上的瞬時高溫，同時具有更加優異的阻燃效果和力學強度。采用本發明制備的耐燒蝕涂層可具有低導熱系數、低線燒蝕率、高力學性能和優異的工藝性等優勢。本發明的制備方法簡單，為工業上大規模制備耐燒蝕涂料提供了一條有效途徑。該耐燒蝕涂層可室溫固化，導熱系數低于0.1W/(m·k)，線燒蝕率低于0.02mm/s，在飛行器表面熱防護系統具有非常廣闊的應用前景。

技術領域

本發明屬于表面工程技術領域，具體涉及一種可瓷化耐燒蝕涂層及其制備方法。

背景技術

近年來，隨著我國航空航天和武器裝備的迅速發展，對熱防護材料的性能提出更苛刻的要求。外熱防護涂層不僅要能夠承受高馬赫數的飛行速度對其表面的強烈沖刷，還要求沖刷后的外形變化不大，表面保持平整，以保證飛行器良好的氣動外形，從而實現遠程精確制導的目的。在這樣的工作環境下，對外熱防護涂層的耐溫性能與防熱效率提出了極高要求，要求在保證良好的耐燒蝕和隔熱性能的同時，達到進一步輕質化、低成本化的目標，以提高有效載荷比，降低使用成本。傳統使用的玻璃/酚醛碳化型燒蝕材料已經不能滿足飛行器熱防護的性能要求，因此，開發能在1000℃乃至1500℃以上環境溫度下使用的陶瓷基燒蝕材料顯得尤為重要。

熱防護材料即通常所稱的耐燒蝕材料是一種用于航空航天領域的具有高耐熱和高耐氣流沖刷的熱防護材料，其作用在于保護發動機在工作過程中機殼結構的完整性，使其能夠在高溫高壓氣流的沖刷下，不失強和不燒穿，以保證飛行器安全飛行。耐燒蝕隔熱涂料作為一種特殊的功能涂料，它的作用機理是提高孔隙率，有效抑制并屏蔽紅外線的輻射熱和熱量傳導，抑制高溫物體的熱輻射和熱量損失，提高能源利用率。耐高溫隔熱涂料一般分為有機耐高溫涂料和無機耐高溫涂料兩類。按照作用機理的不同又可分為反射型隔熱涂料、輻射型隔熱涂料和阻隔型隔熱涂料三類。

目前國內外廣泛應用的是有機硅耐高溫涂料。有機硅耐高溫涂料是以有機硅樹脂作為基料，配以各種耐高溫填料制備而成。有機硅樹脂具有優異的耐溫性能，是耐高溫有機膠粘劑發展的一個主要方向，有機硅樹脂的種類和基本特性對涂料的耐高溫性能有非常大的影響。除此之外，填料的選擇和配方的優化也會影響涂料的耐高溫隔熱性能，如耐熱隔熱填料的加入對涂層的隔熱大有益處。雖然聚硅氧烷的特殊結構使其具有優異的熱穩定性、低表面張力、良好的柔韌性、透氣性高和介電性優良等優點，但其缺點也很明顯。例如，聚硅氧烷的固化溫度偏高，固化過程緩慢，不便于大型設備的涂裝和施工等問題，而且耐有機溶劑性和機械性能差，可瓷化程度低，而且有機硅樹脂在高溫下易發生分子內環化降解、側基氧化脫除，這嚴重限制了有機硅樹脂在更高溫度下的耐溫性能，尤其是空氣氛下的耐溫性能。安徽大學利用一系列低分子質量的二羥基聚二甲基硅氧烷齊聚物及1,3-二(3-羥丙基)四甲基二硅烷，制成了分子量可以控制的有機硅氧烷低聚物，使之與聚氨酯預聚物體共聚形成聚氨酯-有機硅嵌段共聚物，以提高涂層的附著力和耐候性。浙江工業大學采用有機硅氧烷原位接枝聚合改性丙烯酸樹脂的方法提高了聚硅氧烷和丙烯酸樹脂的相溶性，該改性樹脂既保留了丙烯酸樹脂優良的物理機械性能，又提高了耐熱性、耐溶劑性和耐鹽霧性。中國涂料研究院研制的系列防熱涂層產品已應用到某些飛行器外部防熱上，但是其隔熱性較差，導熱系數超過0.45W/(m·k)，固化收縮率大，涂層易開裂，無法滿足高速飛行器的防熱要求。中國發明專利201310698561.9公開了一種高彈性聚氨酯改性環氧有機硅耐燒蝕涂料，用烷氧基硅烷水解的有機硅中間體和環氧樹脂縮聚成一種成碳率高的耐燒蝕性優異的羥基封端的環氧有機硅樹脂，再用聚氨酯樹脂增韌環氧有機硅樹脂。雖然采用聚該氨酯增韌環氧有機硅樹脂制成的涂層斷裂伸長率達到或超過60％，但是力學性能較差。劉學彬等人(《沈陽化工大學學報》,2014,28(1):57-64)利用環氧樹脂和硼酚醛樹脂制備的耐燒蝕涂層耐沖擊強度為15kg·cm^-1，但800℃下的成炭率僅為60％，無法滿足燒蝕熱防護的性能要求。中國發明專利201810974761.5公開了一種高溫隔熱防護涂層結構及其制備方法，把功能不同的抗氧化、隔熱、耐燒蝕涂層結合起來，依次層疊在SiC/SiC復合材料基體表面的添加MoSi₂或SiC的ZrB₂抗氧化底層，Sc₂O₃、Y₂O₃共摻雜ZrO₂材料的隔熱層以及L_aM_gAl₁₁O₁₉耐燒蝕功能層，最終形成三層結構復合涂層體系。但是，并未提供該復合體系的導熱系數和燒蝕率。中國發明專利201810830584.3公開了一種高效防熱隔熱涂層材料及其制造方法，由ES-06環氧有機硅樹脂、低分子聚酰胺復合固化劑體系，以及玻璃微珠等功能填料體系構成的低密度、高效防熱隔熱、中溫固化的涂層，其熱導率為0.17～0.25W/(m·k)，但是仍然無法滿足飛行器越來越快的飛行速度對外防護涂層隔熱燒蝕的要求。