耐溫型1.06μm近紅外吸收涂層的制備及性能表征

張偉鋼，黃 萍，薛連海，陳玉萍，徐國躍

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耐溫型1.06μm近紅外吸收涂層的制備及性能表征

張偉鋼1，黃 萍1，薛連海1，陳玉萍1，徐國躍2

（1.滁州學院 材料與化學工程學院，安徽 滁州 239000；2.南京航空航天大學 材料科學與技術學院，江蘇 南京 211106）

以Sm2O3為顏料，環(huán)氧改性有機硅為粘合劑，采用噴涂法制備了環(huán)氧改性有機硅/Sm2O3復合涂層。系統(tǒng)研究了熱處理溫度及熱處理時間對所制備涂層微結構、近紅外吸收性能及力學性能的影響。結果表明：環(huán)氧改性有機硅/Sm2O3復合涂層最高可耐受溫度可達到300℃，在300℃下熱處理5h后，涂層微結構保持不變，對1.06mm近紅外光的反射率可低至47.7%，涂層的硬度可達到4H，附著力2級，耐沖擊強度40kg×cm。所制備涂層在250℃下可長時間使用，在250℃下熱處理100h后，涂層微結構仍然保持不變，對1.06mm近紅外光的反射率可低至49.7%，涂層的硬度、附著力和耐沖擊強度可分別保持在4 H、2級和40kg×cm。

復合涂層；環(huán)氧改性有機硅；Sm2O3；近紅外吸收；耐溫性能

0 引言

近年來，隨著各種先進激光制導武器的快速發(fā)展，嚴重威脅了各類飛行器的戰(zhàn)地生存能力。因此，可實現(xiàn)目標激光隱身的激光隱身材料受到了眾多學者的廣泛關注[1-4]。其中1.06mm波長是各類激光制導武器的主要工作波長，因此，現(xiàn)有的激光隱身材料主要是針對1.06mm波長的近紅外吸收材料。迄今為止報道最多的近紅外吸收材料主要指含釤、鈰、鑭等稀土元素的稀土化合物。稀土化合物由于稀土離子特殊的能帶結構使其具有突出的光、電、磁性能，并被公認為是一類在激光隱身領域具有廣闊應用前景的近紅外吸收材料[5-8]。其中以稀土氧化物的綜合性能最為突出，但目前主要集中于粉體材料的研究[9-11]。而具有制備工藝簡單、使用方便、不受目標外形結構限制等突出工程應用優(yōu)勢的1.06mm近紅外吸收涂層方面的研究極少[12,13]，有關耐溫型1.06mm近紅外吸收涂層方面的研究目前還未見報道。而各類飛行器在飛行過程中由于熱動、氣動加熱而使其表面具有較高溫度，因此對在飛行器表面使用的1.06mm近紅外吸收涂層提出了明確的耐高溫要求。鑒于此，開展耐溫型1.06mm近紅外吸收涂層的研究對于此類激光隱身材料在各類飛行器上的使用具有重要的現(xiàn)實意義。

Sm2O3作為一種稀土氧化物，由于Sm3＋特殊的能級結構而使其可在近紅外波段產生強吸收峰，有望作1.06mm近紅外吸收劑使用[9,14]。環(huán)氧改性有機硅樹脂具有大量的無機硅氧鍵和活性環(huán)氧官能團，無機硅氧鍵的存在可使其具有突出的耐高溫性能[15]；活性環(huán)氧官能團的存在可增強樹脂基體與填料及樹脂基體與基板間的結合強度，從而可增強涂層的力學性能[16]。由此可知，以環(huán)氧改性有機硅樹脂為基體，Sm2O3為功能顏料所制備的復合涂層有望在具備優(yōu)良的1.06mm近紅外吸收性能的同時具備良好的耐溫性能和力學性能。

為此，本文以Sm2O3為功能顏料，以環(huán)氧改性有機硅為黏合劑，制備得到環(huán)氧改性有機硅/Sm2O3復合涂層，并對涂層的耐溫性能進行了系統(tǒng)研究。

1 實驗方法

1.1 樣品制備

Sm2O3粉體（純度為99.9%()）和環(huán)氧改性有機硅（液態(tài)，固含量為60%()）均購自南京斯帝爾涂料有限公司，所有樣品均直接使用，未經預處理。

采用馬口鐵板（12cm×5cm, 厚度為0.3mm）作為基板，制備涂層前首先進行基板預處理：砂紙打磨→水洗→化學除油→水洗→烘干備用。隨后將環(huán)氧改性有機硅及Sm2O3按質量比為6:4混合，添加適量稀釋劑二甲苯調節(jié)涂料粘度，采用涂料分散機高速攪拌分散30min后再超聲振蕩分散10min。最后采用噴涂法將涂料涂覆于基板上，先在常溫下干燥24h，再在180℃下烘干2h后進行耐溫性能分析。通過控制涂料用量來控制涂層厚度在50～60mm。

1.2 樣品表征

分別采用JSM-6510 LV型掃描電鏡和UV-3600型UV-VIS-NIR分光光度計表征涂層的微結構和涂層在800～1200nm波段范圍內的反射光譜。按GB/T 6739-2006所述方法測試涂層的鉛筆硬度，按ASTMD 3359所述劃格法測試涂層的附著力，按GB/T 1732-93所述方法采用QCJ沖擊強度測試儀表征涂層的耐沖擊強度。

2 結果與討論

2.1 熱處理溫度對涂層性能的影響

圖1所示為環(huán)氧改性有機硅/Sm2O3復合涂層經不同溫度熱處理5h后的SEM照片。可見經300℃熱處理后涂層表面仍然非常規(guī)整，沒有出現(xiàn)開裂、起泡等結構缺陷，表明涂層的微結構在300℃下具有良好的熱穩(wěn)定性。另外，從圖中可清晰地觀察到Sm2O3顆粒在涂層中的分散較為均勻，這有利于涂層表現(xiàn)出良好的近紅外吸收性能。

圖2所示為環(huán)氧改性有機硅/Sm2O3復合涂層經不同溫度熱處理5h后的近紅外反射光譜。可見在1095nm波長處存在一強吸收峰，該吸收峰是由Sm3+從基態(tài)6H5/2到激發(fā)態(tài)6F9/2的電子躍遷過程產生的[9]。上述吸收峰的存在有利于涂層大大降低對1.06 μm近紅外光的反射率，從而可實現(xiàn)涂層的激光隱身。經300℃熱處理后涂層對1095nm吸收峰的強度和位置沒有發(fā)生明顯改變，表明涂層的近紅外吸收性能在300℃下具有良好的熱穩(wěn)定性。相應的涂層對1.06 μm近紅外光的反射率如表1所示，可見經300℃熱處理后涂層對1.06 μm近紅外光的反射率同樣沒有發(fā)生明顯改變，其反射率值可低至47.7%，可表現(xiàn)出良好的功能特性。

圖1 環(huán)氧改性有機硅/Sm2O3復合涂層經不同溫度熱處理5h后的SEM照片。(a)未處理；(b)300℃

圖2 環(huán)氧改性有機硅/Sm2O3復合涂層經不同溫度熱處理5h后的近紅外反射光譜

表1 環(huán)氧改性有機硅/Sm2O3復合涂層經不同溫度熱處理5h后對1.06mm近紅外光的反射率

涂層經不同溫度熱處理5h后的力學性能測試結果如表2所示，可見經300℃熱處理后涂層的力學性能有所變化，其硬度、附著力和耐沖擊強度分別從2H、1級和50kg×cm轉變?yōu)?H、2級和40kg×cm。其原因主要在于涂層經300℃熱處理5h后，涂層粘合劑和填料間的交聯(lián)固化更加徹底，涂層硬度明顯增大，導致涂層脆性有所增加，最終使涂層的附著力和耐沖擊強度略有降低，但涂層總體力學性能仍然處于較高水平，可滿足實際工程應用要求。

表2 環(huán)氧改性有機硅/Sm2O3復合涂層經不同溫度熱處理5 h 后的力學性能

由上述可知，環(huán)氧改性有機硅/Sm2O3復合涂層在300℃熱處理條件下，其近紅外吸收性能保持完好，力學性能仍然可處于較高水平，可見該涂層最高可耐受溫度可達300℃。

2.2 熱處理時間對涂層性能的影響

為研究環(huán)氧改性有機硅/Sm2O3復合涂層在較高溫度熱處理條件下的長時效效應，我們設定涂層的熱處理溫度為250℃，在此條件下系統(tǒng)研究熱處理時間對涂層性能的影響。圖3所示為環(huán)氧改性有機硅/Sm2O3復合涂層在250℃下經不同時間熱處理后的SEM照片，可見涂層經100h熱處理后微觀形貌沒有任何改變，表面仍然較為規(guī)整，沒有出現(xiàn)微孔、裂紋等微觀結構缺陷。

圖4所示為環(huán)氧改性有機硅/Sm2O3復合涂層在250℃下經不同時間熱處理后的近紅外反射光譜。可見在250℃下涂層經100h熱處理后對1095 nm吸收峰的強度和位置仍然沒有發(fā)生明顯改變，表明涂層的近紅外吸收性能在250℃下具有良好的長時效熱穩(wěn)定性。相應的涂層對1.06mm近紅外光的反射率如表3所示，可見在250℃下涂層經不同時間熱處理后對1.06mm近紅外光的反射率同樣沒有發(fā)生明顯改變，其反射率值只是在46.8%～49.7%小范圍內略有波動，可表現(xiàn)出良好的長時效功能特性。

圖3 環(huán)氧改性有機硅/Sm2O3復合涂層在250℃下經不同時間熱處理后的SEM照片。(a)未處理；(b)60h；(c)100h

涂層在250℃下經不同時間熱處理后的力學性能測試結果如表4所示，可見經20h熱處理后涂層的硬度、附著力和耐沖擊強度分別從2H、1級和50 kg×cm轉變?yōu)?H、2級和40kg×cm，繼續(xù)增加熱處理時間，力學性能保持不變。其中硬度的增加，附著力和耐沖擊強度的降低同樣是由于涂層經熱處理后交聯(lián)固化更加徹底所致。

圖4 環(huán)氧改性有機硅/Sm2O3復合涂層在250℃下經不同時間熱處理后的近紅外反射光譜

表3 環(huán)氧改性有機硅/Sm2O3復合涂層在250℃下經不同時間熱處理后對1.06mm近紅外光的反射率

由上述可知，環(huán)氧改性有機硅/Sm2O3復合涂層在250℃下經過100h的長時間熱處理后，其近紅外吸收性能保持完好，力學性能仍然可處于較高水平，可見該涂層在250℃下具有良好的長時效穩(wěn)定性，可在該溫度下長時間使用。

3 結論

以Sm2O3為顏料，環(huán)氧改性有機硅為粘合劑所制備的環(huán)氧改性有機硅/Sm2O3復合涂層具備良好的近紅外吸收性能和耐溫性能。所制備涂層最高可耐受溫度可達到300℃，該溫度下熱處理5 h后，涂層微結構保持不變，1.06mm近紅外光反射率可低至47.7%，涂層的硬度、附著力和耐沖擊強度等力學性能分別可達到4H、2級和40kg×cm。所制備涂層在250℃下可長時間使用，該溫度下熱處理100h后，涂層微結構仍然保持不變，1.06mm近紅外光反射率可低至49.7%，涂層的硬度、附著力和耐沖擊強度等力學性能可分別保持在4H、2級和40kg×cm。上述結果表明環(huán)氧改性有機硅/Sm2O3復合涂層有望成為一種新型的同時具備良好力學性能和耐溫性能的1.06mm近紅外吸收涂層材料。

表4 環(huán)氧改性有機硅/Sm2O3復合涂層在250℃下經不同時間熱處理后的力學性能

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Preparation and Property Characterization of Heat-resistant 1.06 μm Near-infrared Absorption Composite Coatings

ZHANG Weigang1，HUANG Ping1，XUE Lianhai1，CHEN Yuping1，XU Guoyue2

(1.,,239000,;2.,,211106,)

Epoxy-modified silicone/Sm2O3composite coatings were prepared by using Sm2O3powders and epoxy-modified silicone as pigments and adhesives, respectively. The effect of heat treatment temperature and heat treatment time on the microstructure, near-infrared absorption properties, and mechanical properties of the as-prepared coatings were systematically studied. The results indicate that the maximum withstand temperature of epoxy-modified silicone/Sm2O3composite coatings can reach 300℃. After heat treatment at 300℃ with 5h, the microstructure of the coatings remain unchanged, the near-infrared reflectivity at 1.06μm can be as low as 47.7%, and the hardness, adhesion strength, and impact strength of the coatings can reach 4H, 2 grade, and 40 kg×cm, respectively. The prepared coatings can be used long-term at 250℃, after heat treatment at 250℃ with 100h, the microstructure of the coatings remain unchanged, the near-infrared reflectivity at 1.06mm can be as low as 49.7%, the hardness, adhesion strength, and impact strength of the coatings can be maintained at 4H, 2 grade, and 40kg×cm, respectively.

composite coatings，epoxy-modified silicone，Sm2O3， near-infrared absorption，heat resistance

TN213

A

1001-8891(2016)09-0788-05

2016-01-22；

2016-05-07.

張偉鋼（1982-），男，博士，主要從事紅外隱身材料方面的研究。

國家自然科學基金（51173079）；安徽省高校自然科學研究重點項目（KJ2016A535）；安徽省教學質量工程項目（20101035，2013tszy034）；滁州學院科研項目（2015PY02）；滁州學院科研啟動基金項目（2015qd15）。