一种锆-硼-硅激光防护涂层及制备方法

本发明属于高能强激光防护，涉及一种激光防护涂层及制备方法，具体涉及一种用于表面抗激光烧蚀复合防护涂层及制备方法。

背景技术：

1、随着人类科技的不断发展，激光武器已经成为一种重要的军事装备，也在医学、通信、材料加工等领域得到了广泛应用。但同时，由于激光武器具有高能量密度、高功率、高温度等特点，可以在极短的时间内将目标表面或者内部瞬间加热和击穿。激光武器对军事以及航空航天都具有相当大的威胁，在军事方面，激光武器可以被用于杀伤敌方人员、摧毁敌方舰艇和导弹、打击敌方设施等；在航空航天方面，激光武器可以威胁太空中各种安装在卫星和飞行器上的设施和系统，因此，开发一种能够有效抵御激光烧蚀作用的防护涂层对于保护人体和设备安全至关重要。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种可在低温下制备，拥有优良性能的的锆-硼-硅激光防护涂层及制备方法。该抗激光烧蚀涂层具有优异的高温稳定性能、高反射性，可抵抗高功率密度激光烧蚀。

2、本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

3、一种锆-硼-硅激光防护涂层，由以下组分制成：40～60重量份的锆-硼-硅杂化树脂，1～30重量份的氧化锆/空心微球复合材料，1～5重量份的氧化锆纳米纤维，5～30重量份的特性填料，其中：

4、所述锆-硼-硅杂化树脂是以硅氧烷、硼酸和聚乙酰丙酮锆为原料合成的锆硼改性硅树脂，所述锆硼改性硅树脂中，硼原子和锆原子的摩尔比为2：1，锆原子与硅原子的摩尔比为1：1～20，所述硅氧烷为二甲基二乙氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、甲基苯基二乙氧基硅烷、苯基三乙氧基硅烷、二苯基二乙氧基硅烷中的一种或多种；

5、所述氧化锆/空心微球复合材料以氧化锆和空心微球为原料制备而成，所述氧化锆与空心微球的质量比为1：0.5～5；所述空心微球可以是玻璃空心微球或陶瓷空心微球中的一种或两种，密度≤0.25g/cm-3；

6、所述氧化锆纳米纤维的直径为100nm～1μm；

7、所述特性填料为碳化硅、氧化铝、二氧化硅、硅粉、氮化硼、tasi2、mosi2中的一种或多种，粒径为1～50μm，具有优异的分散性。

8、一种上述锆-硼-硅激光防护涂层的制备方法，包括如下步骤：

9、步骤一、以聚乙酰丙酮锆、硼酸、硅氧烷为原料合成锆-硼-硅杂化树脂，具体合成步骤如下：

10、步骤一一、将硼酸溶于甲醇，制备硼酸溶液；

11、步骤一二、将硅氧烷和硼酸溶液混合均匀后，边搅拌边加入聚乙酰丙酮锆；

12、步骤一三、加入盐酸，升温至60～70℃；

13、步骤一四、加入水，在60～70℃反应2～4小时，即得锆-硼-硅杂化树脂；

14、步骤二、以氧化锆和空心微球为原料制备氧化锆/空心微球复合材料，具体制备步骤如下：

15、步骤二一、取氯氧化锆配置成氯氧化锆水溶液；

16、步骤二二、向步骤二一配置的氯氧化锆水溶液中加入空心微球并混合搅拌均匀，用氨水调节ph＝9～11；

17、步骤二三、加入丙三醇，装入水热反应釜中在180～200℃反应10～15h，控制丙三醇的加入量为氯氧化锆水溶液和空心微球总质量的0.5～1.5％；

18、步骤二四、自然冷却后取出产物，用去离子水洗涤三次、在60～80℃烘箱中干燥10～15h，即得氧化锆/空心微球复合材料；

19、步骤三、用含有硅烷偶联剂的乙醇溶液对氧化锆纳米纤维、特性填料以及基材进行表面改性处理，其中：

20、所述基材表面的改性处理方法如下：先去除基材表面的油污，再依次用100目、400目的砂纸对基材表面进行打磨，最后放入含有质量分数为5～10％硅烷偶联剂的乙醇溶液中浸泡1～2h，取出干燥；

21、所述氧化锆纳米纤维、特性填料的改性处理方法如下：将氧化锆纳米纤维和特性填料分别放入含有质量分数为5～10％硅烷偶联剂的乙醇溶液中，在60℃的恒温水浴锅内搅拌120～180min之后，进行过滤、干燥和研磨分散；

22、所述硅烷偶联剂为kh550、kh560、kh570、kh590中的一种或多种；

23、步骤四、将步骤二得到的氧化锆/空心微球复合材料和步骤三得到的改性后的氧化锆纳米纤维和特性填料加入步骤一得到的锆-硼-硅杂化树脂中并混合，搅拌均匀得到复合涂料，其中：氧化锆/空心微球复合材料、改性后的氧化锆纤维和特性填料少量多次加入锆-硼-硅杂化树脂中并高速搅拌；

24、步骤五、将步骤四得到的复合涂料涂覆在步骤三处理过后的基材上，在60～80℃烘箱中固化45～50小时；

25、步骤六、重复步骤五，直至达到所需的涂层厚度，即得锆-硼-硅激光防护涂层，其中：锆-硼-硅激光防护涂层的厚度约为1～2mm，每次涂敷厚度不超过0.5mm。

26、相比于现有技术，本发明具有如下优点：

27、1、本发明以聚乙酰丙酮锆、硼酸、硅氧烷为原料合成锆-硼-硅杂化树脂，该树脂以si-o-si为主链，含有zr-o键和b-o键，具有良好的热稳定性，在高温下树脂可以发生陶瓷化转变，形成具有高强度、高硬度、高温耐受性和化学稳定性的zro2、zrb2、zrc、sic等陶瓷相，因此涂层具有良好的耐热稳定性且在较高温度时其优势更加明显；主链无碳原子，高温下无碳层形成，有效减少了对热量的吸收，克服了传统有机树脂碳化后温升剧烈进而导致结构失效的难题。

28、2、氧化锆具有较好的反射率(对可见光的平均反射率约为85％，而在近红外波段的反射率可以达到90％以上)，可有效反射高能激光烧蚀释放的热量。空心微球的空心结构可以降低材料的密度，空心微球还可以作为激光散射体，在激光防护材料中起到散射和吸收激光能量的作用，空心微球的热导低，能阻挡热能的传输和扩散。本发明将氧化锆颗粒包覆在空心微球上制备的氧化锆/空心微球复合材料不仅可以降低材料的密度，而且能阻挡热能的传输和扩散以及散射激光能量。氧化锆纤维和氧化锆/空心微球复合材料具有较好的反射率，可有效反射高能激光烧蚀释放的热量，氧化锆具有非常高的熔点和密度，当氧化锆表面受到高能激光辐照时会形成一层氧化膜，可进一步阻止氧化和烧蚀；一些特性填料对于激光的吸收能力很高，可将激光能量转化为热能并将其散发出去，也对激光有一定的散射或反射能力，一些特性填料具有高硬度、高温稳定性、可以增强涂层的使用寿命。本发明通过吸收、散射、反射等多种机制加强了复合涂层对高能激光的防护作用，广泛应用于各个领域。

29、3、本发明通过吸收、散射、反射，阻止热传递等多种机制，针对激光武器的特殊威胁性质进行了优化设计，研发了一种轻质高强、高温稳定性、耐腐蚀性能好和抗高能激光烧蚀的新型锆-硼-硅激光防护涂层，该涂层的制备工艺简单，可以直接刷涂在被保护的基体材料表面，工艺稳定性好，涂层能有效得防止高温和高能粒子的侵蚀，从而保护基础材料的完整性和功能性，适用于航空航天和军事用铝、钢等材质材料表面，可满足高能连续激光防护的需求。

技术特征：

1.一种锆-硼-硅激光防护涂层，其特征在于所述涂层由以下组分制成：40～60重量份的锆-硼-硅杂化树脂，1～30重量份的氧化锆/空心微球复合材料，1～5重量份的氧化锆纳米纤维，5～30重量份的特性填料。

2.根据权利要求1所述的锆-硼-硅激光防护涂层，其特征在于所述锆-硼-硅杂化树脂是以硅氧烷、硼酸和聚乙酰丙酮锆为原料合成的锆硼改性硅树脂，所述锆硼改性硅树脂中，硼原子和锆原子的摩尔比为2：1，锆原子与硅原子的摩尔比为1：1～20。

3.根据权利要求2所述的锆-硼-硅激光防护涂层，其特征在于所述硅氧烷为二甲基二乙氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、甲基苯基二乙氧基硅烷、苯基三乙氧基硅烷、二苯基二乙氧基硅烷中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的锆-硼-硅激光防护涂层，其特征在于所述氧化锆/空心微球复合材料以氧化锆和空心微球为原料制备而成，所述氧化锆与空心微球的质量比为1：0.5～5，所述空心微球是玻璃空心微球或陶瓷空心微球中的一种或两种。

5.根据权利要求1所述的锆-硼-硅激光防护涂层，其特征在于所述氧化锆纳米纤维的直径为100nm～1μm。

6.根据权利要求1所述的锆-硼-硅激光防护涂层，其特征在于所述特性填料为碳化硅、氧化铝、二氧化硅、硅粉、氮化硼、tasi2、mosi2中的一种或多种，粒径为1～50μm。

7.一种权利要求1-6任一项所述锆-硼-硅激光防护涂层的制备方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

8.根据权利要求7所述的锆-硼-硅激光防护涂层的制备方法，其特征在于所述基材表面的改性处理方法如下：先去除基材表面的油污，再依次用100目、400目的砂纸对基材表面进行打磨，最后放入含有质量分数为5～10％硅烷偶联剂的乙醇溶液中浸泡1～2h，取出干燥；所述氧化锆纳米纤维、特性填料的改性处理方法如下：将氧化锆纳米纤维和特性填料分别放入含有质量分数为5～10％硅烷偶联剂的乙醇溶液中，在60℃的恒温水浴锅内搅拌120～180min之后，进行过滤、干燥和研磨分散。

9.根据权利要求7或8所述的锆-硼-硅激光防护涂层的制备方法，其特征在于所述硅烷偶联剂为kh550、kh560、kh570、kh590中的一种或多种。

10.根据权利要求7所述的锆-硼-硅激光防护涂层的制备方法，其特征在于，所述锆-硼-硅激光防护涂层的厚度为1～2mm，每次涂敷厚度不超过0.5mm。

技术总结本发明公开了一种锆‑硼‑硅激光防护涂层及其制备方法，所述涂层由锆‑硼‑硅杂化树脂、氧化锆/空心微球复合材料、氧化锆纳米纤维、特性填料制成。本发明通过吸收、散射、反射，阻止热传递等多种机制，针对激光武器的特殊威胁性质进行了优化设计，研发了一种轻质高强、高温稳定性、耐腐蚀性能好和抗高能激光烧蚀的锆‑硼‑硅激光防护涂层，该涂层的制备工艺简单，可直接刷涂在被保护的基体材料表面，工艺稳定性好，涂层能有效得防止高温和高能粒子的侵蚀，从而保护基础材料的完整性和功能性，适用于航空航天和军事用铝、钢等材质材料表面，可满足高能连续激光防护的需求。技术研发人员：钟正祥,王文芳,张书源,牛冬寒,刘江峰,赵婷玉,徐慧芳,刘丽,黄玉东受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学技术研发日：技术公布日：2024/8/1