一種金屬表面非晶磷酸鋁基耐高溫透波陶瓷涂層的制備方法
【專利摘要】一種金屬表面非晶磷酸鋁基耐高溫透波陶瓷涂層的制備方法。本發(fā)明涉及一種金屬表面耐高溫透波陶瓷涂層的制備方法。本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有有機(jī)涂層體系存在的耐高溫溫度低以及高溫下透波率低的問(wèn)題。方法：一、稱取原料；二、制備非晶AlPO4粘結(jié)劑溶液；三、制備透波陶瓷涂料；四、制備金屬表面非晶磷酸鋁基耐高溫透波陶瓷涂層。本發(fā)明得到的涂層具有良好的介電性能，介電常數(shù)越小，介電損耗角小，從而提高了電磁波的透過(guò)率，在1～18GHz波段范圍內(nèi)，透波率均大于80％，耐高溫性能良好，耐高溫溫度在500-1300℃之間，且原料環(huán)保無(wú)毒、粘結(jié)涂料成膜性好、成本低、制備工藝簡(jiǎn)單、周期短。
【專利說(shuō)明】一種金屬表面非晶磷酸鋁基耐高溫透波陶瓷涂層的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種金屬表面耐高溫透波陶瓷涂層的制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展，對(duì)材料的要求愈加苛刻。目前各類航天器的主要材料仍是金屬材料，但是由于金屬材料的熔點(diǎn)低，耐高溫性能差，因此，金屬表面涂覆耐高溫抗氧化的防熱涂層，可有效提高金屬材料的使用溫度。此外，導(dǎo)彈、飛行器天線罩、天線窗以及雷達(dá)天線罩、診療儀器的透波窗及微波通訊等電子器件都需要有良好的高溫透波性能，傳統(tǒng)使用的有機(jī)涂層高溫下碳化分解，導(dǎo)致透波性能差。具有耐高溫且透波性能的無(wú)機(jī)涂層可解決這一難題，尤其是非晶磷酸鋁基的陶瓷涂層，具有良好的耐高溫性能、足夠的機(jī)械強(qiáng)度、絕緣性能以及良好的透波性能。同時(shí)該透波涂層還具有成本低、成型工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)周期短的特點(diǎn)，是新一代的透波涂層材料。耐高溫透波陶瓷涂層可應(yīng)用到軍工武器、民用醫(yī)療設(shè)備以及通訊器件等領(lǐng)域。
[0003]目前現(xiàn)有的金屬表面涂層多為有機(jī)物質(zhì)，其耐高溫溫度一般為400°C以下，高溫下的透波率一般為60 %，耐高溫溫度低，高溫下透波率低。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有有機(jī)涂層體系存在的耐高溫溫度低以及高溫下透波率低的問(wèn)題，而提供一種金屬表面非晶磷酸鋁基耐高溫透波陶瓷涂層的制備方法。
[0005]本發(fā)明的一種金屬表面非晶磷酸鋁基耐高溫透波陶瓷涂層的制備方法是通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)的:
[0006]一、稱取原料:按重量份數(shù)稱取硝酸鋁30~50份、五氧化二磷2~10份、無(wú)水乙醇30~90份和透波陶瓷填料60~80份備用；
[0007]二、制備非晶AlPO4粘結(jié)劑溶液:①將步驟一中稱取的無(wú)水乙醇按體積比1:2分成兩份，即將步驟一中稱取的無(wú)水乙醇分成10~30份的無(wú)水乙醇和20~60份的無(wú)水乙醇兩份，然后將步驟一中稱取的硝酸鋁溶于10~30份的無(wú)水乙醇中，攪拌至完全溶解，得到溶液A ;②將步驟一中稱取的五氧化二磷溶于20~60份的無(wú)水乙醇中，攪拌至完全溶解，得到溶液B ;③將①中得到的溶液A與②中得到的溶液B混合后攪拌均勻，得到非晶AlPO4粘結(jié)劑溶液；
[0008]三、制備耐高溫透波陶瓷涂料:將步驟二③得到的非晶AlPO4粘結(jié)劑溶液與步驟一稱取透波陶瓷填料混合，然后球磨4h~6h，得到耐高溫透波陶瓷涂料；
[0009]四、制備金屬表面非晶磷酸鋁基耐高溫透波陶瓷涂層:將步驟三得到的耐高溫透波陶瓷涂料涂覆在金屬基材表面，然后放入干燥箱中，在溫度為60~70°C的恒溫條件下1.5h~2.5h，然后進(jìn)行固化處理，固化溫度為200~500°C，固化時(shí)間為Ih~10h，得到金屬表面非晶磷酸鋁基耐高溫透波陶瓷涂層。
[0010]本發(fā)明的有益效果:
[0011]本發(fā)明制得了金屬表面非晶磷酸鋁基耐高溫透波陶瓷涂層的粘結(jié)劑，所得的粘結(jié)劑成分為非晶磷酸鋁。在200~500°C范圍內(nèi)，非晶磷酸鋁溶液中存在著一個(gè)或兩個(gè)鋁原子結(jié)合的磷酸酯，這些配合物的反應(yīng)性在空間上被P = O基團(tuán)和不易水解的P-OR基團(tuán)所限制，控制了反應(yīng)過(guò)程中其原子的空間排列。然后形成“分枝”，這種“分枝”的高度發(fā)展，使它向空間不斷伸展，形成空間三維網(wǎng)絡(luò)，化合物的結(jié)構(gòu)最終濃縮成Al-O-P的網(wǎng)絡(luò)分布，這種網(wǎng)絡(luò)的形成在宏觀上就表現(xiàn)出粘結(jié)的效果，制備的涂層具有優(yōu)異的粘結(jié)性能。
[0012]本發(fā)明為了提高飛行器天線罩表面涂料的透波性能，向所制得的無(wú)機(jī)粘結(jié)劑溶液中加入硼酸鋁晶須、硼酸鎂晶須、氮化硅顆粒、氮化硼顆粒等高透波性陶瓷填料。得到的涂層具有良好的介電性能，介電常數(shù)越小，介電損耗角小，從而提高了電磁波的透過(guò)率，在I~18GHz波段范圍內(nèi)，透波率均大于80%，涂層透波性能優(yōu)異。
[0013]本發(fā)明制備的陶瓷涂層還利用晶須與顆粒的尺寸效應(yīng)增強(qiáng)非晶磷酸鋁粘結(jié)劑基體，克服非晶磷酸鋁的脆性差的缺點(diǎn)；而且，加入的高透波率陶瓷填料耐化學(xué)腐蝕，使涂層具有耐環(huán)境腐蝕與抗氧化的優(yōu)異性能。此外，陶瓷填料的熔點(diǎn)高，具有良好的耐高溫性能，制得的非晶磷酸鋁基陶瓷涂層使用溫度可達(dá)500-1300°C。
[0014]本發(fā)明采用的非晶磷酸鋁粘結(jié)劑原料及填料環(huán)保無(wú)毒、粘結(jié)涂料成膜性好、涂層致密無(wú)孔；成本低、制備工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)周期短。
[0015]本發(fā)明采用的浸潰涂覆方法可用于一些形狀較復(fù)雜的工件，也能實(shí)現(xiàn)大面積成膜。

【具體實(shí)施方式】
[0016]【具體實(shí)施方式】一:本實(shí)施方式的一種金屬表面非晶磷酸鋁基耐高溫透波陶瓷涂層的制備方法是通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)的:
[0017]一、稱取原料:按重量份數(shù)稱取硝酸鋁30~50份、五氧化二磷2~10份、無(wú)水乙醇30~90份和透波陶瓷填料60~80份備用；
[0018]二、制備非晶AlPO4粘結(jié)劑溶液:①將步驟一中稱取的無(wú)水乙醇按體積比1:2分成兩份，即將步驟一中稱取的無(wú)水乙醇分成10~30份的無(wú)水乙醇和20~60份的無(wú)水乙醇兩份，然后將步驟一中稱取的硝酸鋁溶于10~30份的無(wú)水乙醇中，攪拌至完全溶解，得到溶液A ;②將步驟一中稱取的五氧化二磷溶于20~60份的無(wú)水乙醇中，攪拌至完全溶解，得到溶液B ;③將①中得到的溶液A與②中得到的溶液B混合后攪拌均勻，得到非晶AlPO4粘結(jié)劑溶液；
[0019]三、制備耐高溫透波陶瓷涂料:將步驟二③得到的非晶AlPO4粘結(jié)劑溶液與步驟一稱取透波陶瓷填料混合，然后球磨4h~6h，得到耐高溫耐高溫透波陶瓷涂料；
[0020]四、制備金屬表面非晶磷酸鋁基耐高溫透波陶瓷涂層:將步驟三得到的耐高溫透波陶瓷涂料涂覆在金屬基材表面，然后放入干燥箱中，在溫度為60~70°C的恒溫條件下
1.5h~2.5h，然后進(jìn)行固化處理，固化溫度為200~500°C，固化時(shí)間為Ih~10h，得到金屬表面非晶磷酸鋁基耐高溫透波陶瓷涂層。
[0021]本實(shí)施方式制得了金屬表面非晶磷酸鋁基耐高溫透波陶瓷涂層的粘結(jié)劑，所得的粘結(jié)劑成分為非晶憐Ife招。在200~500 Ct[!圍內(nèi)，非晶憐Ife招溶液中存在著個(gè)或兩個(gè)招原子結(jié)合的磷酸酯，這些配合物的反應(yīng)性在空間上被P = O基團(tuán)和不易水解的P-OR基團(tuán)所限制，控制了反應(yīng)過(guò)程中其原子的空間排列。然后形成“分枝”，這種“分枝”的高度發(fā)展，使它向空間不斷伸展，形成空間三維網(wǎng)絡(luò)，化合物的結(jié)構(gòu)最終濃縮成Al-O-P的網(wǎng)絡(luò)分布，這種網(wǎng)絡(luò)的形成在宏觀上就表現(xiàn)出粘結(jié)的效果，制備的涂層具有優(yōu)異的粘結(jié)性能。
[0022]本實(shí)施方式為了提高飛行器天線罩表面涂料的透波性能，向所制得的無(wú)機(jī)粘結(jié)劑溶液中加入硼酸鋁晶須、硼酸鎂晶須、氮化硅顆粒、氮化硼顆粒等高透波性陶瓷填料。得到的涂層具有良好的介電性能，介電常數(shù)越小，介電損耗角小，從而提高了電磁波的透過(guò)率，在I~18GHz波段范圍內(nèi)，透波率均大于80%，涂層透波性能優(yōu)異。
[0023]本實(shí)施方式制備的陶瓷涂層還利用晶須與顆粒的尺寸效應(yīng)增強(qiáng)非晶磷酸鋁粘結(jié)劑基體，克服非晶磷酸鋁的脆性差的缺點(diǎn)；而且，加入的高透波率陶瓷填料耐化學(xué)腐蝕，使涂層具有耐環(huán)境腐蝕與抗氧化的優(yōu)異性能。此外，陶瓷填料的熔點(diǎn)高，具有良好的耐高溫性能，制得的非晶磷酸鋁基陶瓷涂層使用溫度可達(dá)500-1300°C。
[0024]本實(shí)施方式采用的非晶磷酸鋁粘結(jié)劑原料及填料環(huán)保無(wú)毒、粘結(jié)涂料成膜性好、涂層致密無(wú)孔；成本低、制備工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)周期短。
[0025]本實(shí)施方式采用的浸潰涂覆方法可用于一些形狀較復(fù)雜的工件，也能實(shí)現(xiàn)大面積成膜。
[0026]【具體實(shí)施方式】二:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一不同的是:步驟一中按重量份數(shù)稱取硝酸鋁40份、五氧化二磷5份、無(wú)水乙醇70份和透波陶瓷填料硼酸鋁晶須70份備用。其他步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】一相同。
[0027]【具體實(shí)施方式】三:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一或二不同的是:步驟一中所述的透波陶瓷填料為硼酸鋁晶須、硼酸鎂晶須、氮化硅顆粒和氮化硼顆粒中的一種或幾種的混合物。其他步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】一或二相同。
[0028]【具體實(shí)施方式】四:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至三之一不同的是:步驟二①中然后將步驟一中稱取的硝酸鋁溶于50份的無(wú)水乙醇中。其他步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】
一至三之一相同。
[0029]【具體實(shí)施方式】五:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至四之一不同的是:步驟二②中將步驟一中稱取的五氧化二磷溶于20份的無(wú)水乙醇中。其他步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】一至四之一相同。
[0030]【具體實(shí)施方式】六:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至五之一不同的是:步驟三中球磨處理中的球料比為1: (I~5)。其他步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】一至五之一相同。
[0031]【具體實(shí)施方式】七:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至六之一不同的是:步驟四中所述的涂覆方法為刷涂、浸涂或噴涂。其他步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】一至六之一相同。
[0032]【具體實(shí)施方式】八:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至七之一不同的是:步驟四中所述的涂覆厚度為5μηι~30μηι。其他步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】一至七之一相同。
[0033]【具體實(shí)施方式】九:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至八之一不同的是:步驟四中在溫度為65°C的恒溫條件下2h，然后進(jìn)行固化處理。其他步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】一至八之一相同。
[0034]【具體實(shí)施方式】十:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至九之一不同的是:步驟四中固化溫度為220°C，固化時(shí)間為5h。其他步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】一至九之一相同。
[0035]用以下試驗(yàn)驗(yàn)證本發(fā)明的有益效果
[0036]試驗(yàn)一:本試驗(yàn)的一種金屬表面非晶磷酸鋁基耐高溫透波陶瓷涂層的制備方法是通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)的:
[0037]一、稱取原料:按重量份數(shù)稱取硝酸鋁40g、五氧化二磷5g、無(wú)水乙醇70g和透波陶瓷填料硼酸鋁晶須70g備用；
[0038]二、制備非晶AlPO4粘結(jié)劑溶液:①將步驟一中稱取的硝酸鋁溶于50g的無(wú)水乙醇中，攪拌至完全溶解，得到溶液A ;②將步驟一中稱取的五氧化二磷溶于20g的無(wú)水乙醇中，攪拌至完全溶解，得到溶液B ;③將①中得到的溶液A與②中得到的溶液B混合后攪拌均勻，得到非晶AlPO4粘結(jié)劑溶液；
[0039]三、制備耐高溫耐高溫透波陶瓷涂料:將步驟二③得到的非晶AlPO4粘結(jié)劑溶液與步驟一稱取增強(qiáng)劑耐高溫透波陶瓷填料混合，然后球磨4h，得到耐高溫耐高溫透波陶瓷涂料；
[0040]四、制備金屬表面非晶磷酸鋁基耐高溫透波陶瓷涂層:將步驟三得到的耐高溫耐高溫透波陶瓷涂料涂覆在金屬基材表面，然后放入干燥箱中，在溫度為65°C的恒溫條件下2h，然后進(jìn)行固化處理，固化溫度為220°C，固化時(shí)間為5h，得到金屬表面非晶磷酸鋁基耐高溫透波陶瓷涂層。
[0041]步驟三中所述的球料比為1:L 5。
[0042]步驟四中所述的涂覆厚度為10 μ m。
[0043]步驟四中所述的金屬基材為透明亞克力材料，尺寸為300mmX300mm。
[0044](一)按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T12190電磁屏蔽室屏蔽效能的測(cè)量方法，測(cè)試試驗(yàn)一得到非晶磷酸鋁基耐高溫透波陶瓷涂層的透波率。測(cè)試使用100kHz-20GHz的微波信號(hào)源、3Hz-26.5GHz的頻譜分析儀及l(fā)GHz-18GHz的雙脊喇叭天線；涂層金屬的測(cè)試頻率范圍為lGHz-18GHz。樣品采用透明亞克力材料作為基底。尺寸為300mmX300mm。先采用未涂覆非晶磷酸鋁基耐高溫透波陶瓷涂料的亞克力樣品進(jìn)行測(cè)試，作為空白樣品試驗(yàn)。然后再測(cè)試涂覆有試驗(yàn)一得到的金屬表面非晶磷酸鋁基耐高溫透波陶瓷涂層的亞克力樣品。用涂覆有試驗(yàn)一的金屬表面非晶磷酸鋁基耐高溫透波陶瓷涂層的亞克力樣品透波率除以空白樣品的透波率，既是試驗(yàn)一得到的金屬表面非晶磷酸鋁基耐高溫透波陶瓷涂層的透波率。
[0045]按照公式A= 10?E/1°) X 100%計(jì)算樣品的透波率A，式中的SE為樣品屏蔽效能(dB)。測(cè)得屏蔽效能的平均值為0.79dB，得到透波率為83%。
[0046]( 二 )按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T1735-1979漆膜耐熱性測(cè)定法，測(cè)試采用高溫加熱爐，達(dá)到規(guī)定的溫度和時(shí)間后，以涂層表面變化現(xiàn)象表示涂層的耐熱性能。
[0047]具體測(cè)定方法如下:將高溫加熱爐調(diào)至1200°C，取4塊大小、材質(zhì)相同的金屬基板，在基板表面涂覆試驗(yàn)一制備的非晶磷酸鋁基耐高溫透波陶瓷涂層，待涂層實(shí)干后，取其中三塊涂膜樣板置于已升至測(cè)試溫度的高溫爐中，另一塊漆膜樣板留作比較。等到15min后，將爐中的三塊樣板取出，冷至室溫，與預(yù)先留下來(lái)的一塊涂膜樣板比較，檢查其有無(wú)起層、皺皮、鼓泡、開裂、剝落等現(xiàn)象，以不少于兩塊樣板均能符合產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為合格。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)經(jīng)高溫加熱的三個(gè)均未出現(xiàn)起層、皺皮、鼓泡、開裂、剝落等現(xiàn)象，從而得到耐高溫溫度為1200°C。
【權(quán)利要求】
1.一種金屬表面非晶磷酸鋁基耐高溫透波陶瓷涂層的制備方法，其特征在于一種金屬表面非晶磷酸鋁基耐高溫透波陶瓷涂層的制備方法是通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)的: 一、稱取原料:按重量份數(shù)稱取硝酸鋁30~50份、五氧化二磷2~10份、無(wú)水乙醇30~90份和透波陶瓷填料60~80份備用； 二、制備非晶AlPO4粘結(jié)劑溶液:①將步驟一中稱取的無(wú)水乙醇按體積比1:2分成兩份，即將步驟一中稱取的無(wú)水乙醇分成10~30份的無(wú)水乙醇和20~60份的無(wú)水乙醇兩份，然后將步驟一中稱取的硝酸鋁溶于10~30份的無(wú)水乙醇中，攪拌至完全溶解，得到溶液A ;②將步驟一中稱取的五氧化二磷溶于20~60份的無(wú)水乙醇中，攪拌至完全溶解，得到溶液B ;③將①中得到的溶液A與②中得到的溶液B混合后攪拌均勻，得到非晶AlPO4粘結(jié)劑溶液； 三、制備耐高溫透波陶瓷涂料:將步驟二③得到的非晶AlPO4粘結(jié)劑溶液與步驟一稱取的透波陶瓷填料混合，然后球磨4h~6h，得到耐高溫透波陶瓷涂料； 四、制備金屬表面非晶磷酸鋁基耐高溫透波陶瓷涂層:將步驟三得到的耐高溫透波陶瓷涂料涂覆在金屬基材表面，然后放入干燥箱中，在溫度為60~70°C的恒溫條件下1.5h~2.5h，然后進(jìn)行固化處理，固化溫度為200~500°C，固化時(shí)間為Ih~10h，得到金屬表面非晶磷酸鋁基耐高溫透波陶瓷涂層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬表面非晶磷酸鋁基耐高溫透波陶瓷涂層的制備方法，其特征在于步驟一中按重量份數(shù)稱取硝酸鋁40份、五氧化二磷5份、無(wú)水乙醇70份和透波陶瓷填料硼酸鋁晶須70份備用。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種金屬表面非晶磷酸鋁基耐高溫透波陶瓷涂層的制備方法，其特征在于步驟一中所述的透波陶瓷填料為硼酸鋁晶須、硼酸鎂晶須、氮化硅顆粒和氮化硼顆粒中的一種或幾種的混合物。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種金屬表面非晶磷酸鋁基耐高溫透波陶瓷涂層的制備方法，其特征在于步驟二①中然后將步驟一中稱取的硝酸鋁溶于50份的無(wú)水乙醇中。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種金屬表面非晶磷酸鋁基耐高溫透波陶瓷涂層的制備方法，其特征在于步驟二②中將步驟一中稱取的五氧化二磷溶于20份的無(wú)水乙醇中。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種金屬表面非晶磷酸鋁基耐高溫透波陶瓷涂層的制備方法，其特征在于步驟三中球磨處理中的球料比為1:(1~5)。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種金屬表面非晶磷酸鋁基耐高溫透波陶瓷涂層的制備方法，其特征在于步驟四中所述的涂覆方法為刷涂、浸涂或噴涂。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種金屬表面非晶磷酸鋁基耐高溫透波陶瓷涂層的制備方法，其特征在于步驟四中所述的涂覆厚度為5 μ m~30 μ m。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種金屬表面非晶磷酸鋁基耐高溫透波陶瓷涂層的制備方法，其特征在于步驟四中在溫度為65°C的恒溫條件下2h，然后進(jìn)行固化處理。
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種金屬表面非晶磷酸招基耐高溫透波陶瓷涂層的制備方法，其特征在于步驟四中固化溫度為220°C，固化時(shí)間為5h。
【文檔編號(hào)】C04B35/447GK104129984SQ201410347701
【公開日】2014年11月5日 申請(qǐng)日期:2014年7月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月21日
【發(fā)明者】王亞明, 鄒永純, 賈德昌, 歐陽(yáng)家虎, 周玉 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)