一种溶胶-凝胶法制备的耐原子氧涂层及方法与流程

1.本发明属于耐原子氧涂层技术领域，特别涉及一种溶胶-凝胶法制备的耐原子氧涂层及方法。


背景技术：

2.低地球轨道(low earth orbit，leo)是空间站、飞船、航天飞机以及一些应用卫星的主要运行轨道。leo环境处于高真空状态，气体总压约为1
×
10-8
pa～1
×
10-5
pa，原子氧的含量在leo环境大气中是最高的。作为leo环境中含量最高的粒子，原子氧是氧分子在太阳辐射的光致分解作用下形成的。一方面，原子氧具有很强的氧化性，可以与材料直接发生化学反应；另一方面，当航天器以7km/s～8km/s的速度在leo中运行时，原子氧撞击航天器表面的能量约为4ev～5ev，其通量在200km高度时约为1
×
10
15
atoms/(cm2·
s)，600km高度时约为1
×
10
12
atoms/(cm2·
s)。当这些强氧化性、大通量、高能量的原子氧与航天器表面作用时，会造成表面材料的剥蚀和性能的退化，从而影响到航天器的正常运行和使用寿命。
3.高分子材料及复合材料性能优异，在航天器上有着广泛的应用，比如玻璃纤维、碳纤维、凯夫拉纤维(芳纶纤维)、硼纤维、聚酰亚胺等。高分子及复合材料相对金属材料而言，空间环境下易受原子氧、紫外线等的影响，导致其物理化学性能衰减，适存性较差，影响航天器的正常工作。为保证航天器的长期在轨可靠运行，在原子氧的防护是十分重要和必要的。
4.无机氧化物涂层具有良好的稳定性，在原子氧及其综合环境下热物理性质变化不大，具有良好的应用前景。因高分子材料的润湿性差，导致无机物涂料成膜性及均匀性差，需要对高分子材料进行碱液热处理、溶胀等前处理，影响高分子材料的韧性及强度。


技术实现要素：

5.为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了锐意研究，提供了一种溶胶-凝胶法制备的耐原子氧涂层及方法，无需对高分子材料进行碱液热处理、溶胀等前处理，制备的耐原子氧涂层能够有效提高高分子材料与复合材料耐近地轨道原子氧剥蚀的性能。
6.本发明提供的技术方案如下：
7.第一方面，一种溶胶-凝胶法制备耐原子氧涂层的方法，包括如下步骤：
8.alooh溶胶的制备：首先将异丙醇铝与无水乙醇搅拌分散，获得混合液；然后在搅拌条件下，将混合液加入到75～85℃纯水中，继续搅拌，获得勃姆石沉淀；其后滴加hno3将沉淀溶解，并调节溶液ph为3～4；在80～90℃下，对获得的溶液密封回流16～24h，获得稳定的alooh溶胶；
9.sio2溶胶的制备：首先将正硅酸乙脂加入到无水乙醇中，搅拌分散0.5～1h；然后向溶液中滴加hcl，调节ph为3～4，继续搅拌2～3h，获得sio2溶胶；
10.底层溶胶的制备：首先将sio2溶胶加入alooh溶胶中搅拌分散0.5～1h；然后向溶液中加入硅烷偶联剂，在80～90℃下冷凝回流3～5h，获得底层溶胶；
11.面层溶胶的制备：首先将sio2溶胶加入alooh溶胶中搅拌分散0.5～1h；然后向溶液中加入填料in2o3，继续搅拌分散1～2h，获得面层溶胶；
12.双层无机氧化物涂层的制备：通过刷涂法或喷涂法，按底层溶胶、面层溶胶的顺序在基材表面制备双层耐原子氧涂层。
13.第二方面，一种溶胶-凝胶法制备的耐原子氧涂层，通过第一方面所述的方法制备得到。
14.根据本发明提供的一种溶胶-凝胶法制备的耐原子氧涂层及方法，具有以下有益效果：
15.(1)本发明提供的一种溶胶-凝胶法制备的耐原子氧涂层及方法，在高分子材料和复合材料表面具有良好的浸润性及结合力，无需进行表面改性前处理，alooh-sio2溶胶即可具有良好的成膜性。
16.(2)本发明提供的一种溶胶-凝胶法制备的耐原子氧涂层及方法，al2o
3-sio2无机氧化物涂层在高分子材料和复合材料表面具有良好的附着力，优于1级。
17.(3)本发明提供的一种溶胶-凝胶法制备的耐原子氧涂层及方法，施工工艺简单，可制备致密无缺陷的耐原子氧无机氧化物涂层。
附图说明
18.图1溶胶-凝胶法制备的耐原子氧涂层结构示意图。
具体实施方式
19.下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
20.在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
21.根据本发明的第一方面，提供了一种溶胶-凝胶法制备耐原子氧涂层的方法，包括如下步骤：
22.a.alooh溶胶的制备
23.原料组分为：异丙醇铝4-8份；无水乙醇25-40份；纯水40-60份。其制备过程如下：首先将异丙醇铝与无水乙醇搅拌分散1～2h获得混合液；然后在角速度100～200rpm搅拌条件下，将混合液加入到75～85℃纯水中，继续搅拌，获得勃姆石沉淀；其后滴加hno3如1m hno
3 8-12份将沉淀溶解，并调节溶液ph为3～4；在80～90℃下，对获得的溶液密封回流16～24h，获得稳定的alooh溶胶。
24.b.sio2溶胶的制备：
25.原料组分为：正硅酸乙脂15-25份；无水乙醇80-120份。其制备过程如下：首先将正硅酸乙脂加入到无水乙醇中，搅拌分散0.5～1h；然后向溶液中滴加hcl如0.5m hcl 8-12份，调节ph为3～4，继续搅拌2～3h，获得sio2溶胶。
26.c.底层溶胶的制备：
27.原料组分为：alooh溶胶50-150份；sio2溶胶50-150份；硅烷偶联剂1-4份。其制备
过程如下：首先将sio2溶胶加入alooh溶胶中搅拌分散0.5～1h；然后向溶液中加入硅烷偶联剂如kh550或kh560，在80～90℃下冷凝回流3～5h，获得底层溶胶。
28.d.面层溶胶的制备：
29.原料组分为：alooh溶胶50-150份；sio2溶胶50-150份；in2o
3 4-8份。其制备过程如下：首先将sio2溶胶加入alooh溶胶中搅拌分散0.5～1h；然后向溶液中加入in2o3，继续搅拌分散1～2h，获得面层溶胶。
30.优选地，未避免影响涂层的透光性，所述填料in2o3的粒径为10～20nm。
31.e.双层无机氧化物涂层的制备：
32.通过刷涂法或喷涂法，按底层溶胶-面层溶胶的顺序在基材表面制备双层耐原子氧涂层，如图1所示。优选地，所述底层厚度为1～2μm，面层厚度为4～8μm，双层无机氧化物涂层共5-10μm。
33.本发明人经过大量研究发现，纯alooh溶胶成膜后易产生微孔，导致抗原子氧性能提升受到限制，将alooh溶胶与sio2溶胶复合后，可以有效抑制膜层产生微孔，提高膜层的防护效果。
34.根据本发明的第二方面，提供了一种溶胶-凝胶法制备的耐原子氧涂层，通过第一方面所述的方法制备得到。
35.实施例
36.实施例1
37.a)alooh溶胶的制备：
38.(1)将5.26g异丙醇铝加入到40g无水乙醇中，在角速度400rpm下搅拌1h；
39.(2)取50g纯水加入到圆底烧瓶中加热到80℃；
40.(3)将(1)获得的混合液加入到纯水中，在角速度100rpm下磁力搅拌1.5h，获得勃姆石沉淀；
41.(4)向(3)获得混合液中滴加8ml 1m hno3，使勃姆石沉淀完全溶解。，测定ph为3；
42.(5)将溶液升高至90℃，冷凝回流24h，获得alooh溶胶。
43.b)sio2溶胶的制备：
44.(1)将18g正硅酸乙脂加入到100无水乙醇中，在角速度400rpm下搅拌0.5h；
45.(2)向(1)获得溶液中滴加11g0.5m hcl，在角速度400rpm下磁力搅拌2h，测定ph为3.5，获得sio2溶胶。
46.c)底层溶胶的制备：
47.(1)将60g sio2溶胶加入到60g alooh溶胶中，搅拌0.5h；
48.(2)向(1)获得溶液中加入3g kh560，在80℃下冷凝回流4h获得底层溶胶。
49.d)面层溶胶的制备：
50.(1)将60g sio2溶胶加入到60g alooh溶胶中，搅拌0.5h；
51.(2)向(1)获得溶液中加入6g in2o3(粒径为10～20nm)，搅拌分散2h获得面层溶胶。
52.e)双层无机氧化物涂层的制备：
53.(1)使用脱脂纱布蘸取无水乙醇对聚酰亚胺表面进行洁净；
54.(2)使用无尘布蘸取底层溶胶，刷涂于聚酰亚胺表面，刷涂2遍可获得透明无机氧化物涂层，厚度为1μm。
55.(3)使用无尘布蘸取面层溶胶，刷涂于聚酰亚胺表面，刷涂2遍可获得透明无机氧化物涂层，厚度为4μm。
56.本实施例在聚酰亚胺表面可获得均匀致密，透明的无机氧化物涂层，总厚度为5μm。通过100次弯折，涂层具有很好的结合力。经平均能量为5ev ao，在束流密度为1.5
×
10
16
atoms/(cm2·
s)空间原子氧模拟测试。辐照10h后，涂覆耐原子氧涂层的聚酰亚胺质量损失为聚酰亚胺的3.3％。
57.表1聚酰亚胺及涂层耐原子氧涂层的测试结果
[0058][0059]
实施例2
[0060]
a)溶胶的制备：
[0061]
本实施例溶胶的制备与实施例1中的溶胶制备方式相同。
[0062]
e)双层无机氧化物涂层的制备：
[0063]
(1)使用脱脂纱布蘸取无水乙醇对聚酰亚胺表面进行洁净；
[0064]
(2)使用无尘布蘸取底层溶胶，刷涂于碳纤维/环氧复合材料表面，刷涂2遍可获得透明无机氧化物涂层，厚度为1.5μm。
[0065]
(3)使用无尘布蘸取面层溶胶，刷涂于碳纤维/环氧复合材料表面，刷涂2遍可获得透明无机氧化物涂层，厚度为5μm。
[0066]
本实施例在碳纤维/环氧复合材料表面可获得均匀致密，透明的无机氧化物涂层，总厚度为6.5μm。经平均能量为5ev ao，在束流密度为1.5
×
10
16
atoms/(cm2·
s)空间原子氧模拟测试。辐照10h后，涂覆耐原子氧涂层的碳纤维/环氧复合材料质量损失为碳纤维/环氧复合材料的4.9％。
[0067]
表2聚酰亚胺及涂层耐原子氧涂层的测试结果
[0068][0069]
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
[0070]
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

技术特征：
1.一种溶胶-凝胶法制备耐原子氧涂层的方法，其特征在于，包括如下步骤：alooh溶胶的制备：首先将异丙醇铝与无水乙醇搅拌分散，获得混合液；然后在搅拌条件下，将混合液加入到75～85℃纯水中，继续搅拌，获得勃姆石沉淀；其后滴加hno3将沉淀溶解，并调节溶液ph为3～4；在80～90℃下，对获得的溶液密封回流16～24h，获得稳定的alooh溶胶；sio2溶胶的制备：首先将正硅酸乙脂加入到无水乙醇中，搅拌分散0.5～1h；然后向溶液中滴加hcl，调节ph为3～4，继续搅拌2～3h，获得sio2溶胶；底层溶胶的制备：首先将sio2溶胶加入alooh溶胶中搅拌分散0.5～1h；然后向溶液中加入硅烷偶联剂，在80～90℃下冷凝回流3～5h，获得底层溶胶；面层溶胶的制备：首先将sio2溶胶加入alooh溶胶中搅拌分散0.5～1h；然后向溶液中加入填料in2o3，继续搅拌分散1～2h，获得面层溶胶；双层无机氧化物涂层的制备：通过刷涂法或喷涂法，按底层溶胶、面层溶胶的顺序在基材表面制备双层耐原子氧涂层。2.根据权利要求1所述的溶胶-凝胶法制备耐原子氧涂层的方法，其特征在于，所述alooh溶胶的制备步骤中，各原料组分的质量配比如下：异丙醇铝4-8份；无水乙醇25-40份；纯水40-60份。3.根据权利要求1所述的溶胶-凝胶法制备耐原子氧涂层的方法，其特征在于，所述sio2溶胶的制备步骤中，各原料组分的质量配比如下：正硅酸乙脂15-25份；无水乙醇80-120份。4.根据权利要求1所述的溶胶-凝胶法制备耐原子氧涂层的方法，其特征在于，所述底层溶胶的制备步骤中，各原料组分的质量配比如下：alooh溶胶50-150份；sio2溶胶50-150份；硅烷偶联剂1-4份。5.根据权利要求1所述的溶胶-凝胶法制备耐原子氧涂层的方法，其特征在于，所述面层溶胶的制备步骤中，各原料组分的质量配比如下：alooh溶胶50-150份；sio2溶胶50-150份；填料in2o
3 4-8份。6.根据权利要求1所述的溶胶-凝胶法制备耐原子氧涂层的方法，其特征在于，所述面层溶胶的制备步骤中，填料in2o3的粒径为10～20nm。7.根据权利要求1所述的溶胶-凝胶法制备耐原子氧涂层的方法，其特征在于，所述双层无机氧化物涂层的制备步骤中，所述底层厚度为1～2μm，面层厚度为4～8μm，双层无机氧化物涂层共5-10μm。8.一种溶胶-凝胶法制备的耐原子氧涂层，其特征在于，通过权利要求1至7之一所述的方法制备得到。

技术总结
本发明提供了一种溶胶-凝胶法制备的耐原子氧涂层及方法，属于耐原子氧涂层技术领域。本发明的耐原子氧涂层由双层组成，采用溶胶-凝胶法，以异丙醇铝、正硅酸乙脂为原料，制备稳定、均一的Al2O3、SiO2溶胶；将Al2O3、SiO2溶胶与硅烷偶联剂冷凝混合，形成底层溶胶，以提高溶胶在高分子材料表面的均匀性，无需对高分子材料刻蚀、溶胀等前处理；向Al2O3、SiO2溶胶中添加纳米In2O3，形成面层溶胶，降低对基体热控系数的影响；通过刷涂法或喷涂法制备耐原子氧涂层，对聚酰亚胺薄膜表面和碳纤维复合材料进行表面具有良好的结合力，以及良好的耐原子氧剥蚀性能，较好地解决了高分子材料在空间环境中受到原子氧剥蚀的问题。受到原子氧剥蚀的问题。受到原子氧剥蚀的问题。


技术研发人员：赵阔 冯磊 文陈 舒文祥 白晶莹 张家强
受保护的技术使用者：北京卫星制造厂有限公司
技术研发日：2021.11.30
技术公布日：2022/3/8