一種抗空間環(huán)境損傷的防護(hù)涂層及其制備方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于材料工程技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種抗空間環(huán)境損傷的防護(hù)涂層及其制備方法和應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著航天技術(shù)的發(fā)展，航天器在太空運(yùn)行的時(shí)間逐漸延長，空間環(huán)境對(duì)航天器的侵蝕作用日益突出。原子氧(AO)是低地球軌道(LEO)空間中最主要的環(huán)境因素。高通量、高能量、高活性的AO與軌道運(yùn)行的航天器表面碰撞，發(fā)生氧化剝蝕而引起材料質(zhì)量損失，造成材料性能過早退化而失效。如用作太陽能電池板基底的聚酰亞胺(Polyimide, PI)膜，由于受AO剝蝕，表面會(huì)形成地毯狀形貌，造成光學(xué)、熱學(xué)及機(jī)械性能下降，嚴(yán)重影響飛行任務(wù)，甚至直接導(dǎo)致航天器停止工作。AO對(duì)航天器外露材料造成的危害性最大，同時(shí)還會(huì)與其它環(huán)境因素(紫外輻照、冷熱循環(huán)、微隕石和碎片等)相互作用、相互影響產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，加速AO對(duì)航天器表面材料的剝蝕。因此，提高聚合物材料特別是聚酰亞胺薄膜材料(Kapton)抗原子氧侵蝕性能，對(duì)于發(fā)展高效、長壽命的航天器具有十分重要的實(shí)際意義。
[0003]目前，廣泛使用的AO防護(hù)技術(shù)是施加涂層。采用PVD，PCVD,Sol-gel等方法制備的Si02、SiN, A1203、AlN等涂層雖然具有很好的抗AO侵蝕能力，但由于涂層的脆性，會(huì)產(chǎn)生裂紋或者剝落，為AO提供了侵蝕的通道，基體會(huì)被掏蝕。有機(jī)硅或含磷的聚合物涂層在LEO暴露時(shí)可以和AO反應(yīng)形成一層透明的氧化物惰性層，阻止基體受到侵蝕。然而這類涂層會(huì)因表面轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸锒栊詫佣a(chǎn)生張應(yīng)力，導(dǎo)致涂層開裂。有機(jī)硅涂層在使用過程中還會(huì)產(chǎn)生揮發(fā)性氣相產(chǎn)物，對(duì)其它空間材料產(chǎn)生污染。
[0004]添加無機(jī)組分制備有機(jī)硅/S12等雜化材料，可以提高有機(jī)硅涂層的抗AO侵蝕性能。采用溶膠-凝膠工藝制備了聚硅氧烷/3102雜化涂層，該類材料在AO環(huán)境中具有自愈合性能，是一種潛在的AO防護(hù)涂層。但隨著Si(V#量增加會(huì)出現(xiàn)無機(jī)相的團(tuán)聚，影響雜化材料的性能。
[0005]聚硅氮烷(Polysilazane，PSZ)作為一類重要的陶瓷前驅(qū)體聚合物，受到研宄者們的廣泛關(guān)注。研宄表明聚硅氮烷涂層能夠很好的阻止A0、A0+VUV對(duì)PI的侵蝕。在AO環(huán)境中，PSZ涂層具有比一般有機(jī)硅涂層更為優(yōu)異的抗侵蝕性能，但是PSZ涂層的表面仍存在一定的開裂趨勢。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的之一是克服現(xiàn)有原子氧防護(hù)涂層存在的不足，提供一種提高防護(hù)涂層抗低地軌道空間原子氧環(huán)境的侵蝕性能，同時(shí)能夠抑制有機(jī)硅涂層在陶瓷轉(zhuǎn)化過程中產(chǎn)生裂紋的傾向的抗空間環(huán)境損傷的防護(hù)涂層及其制備方法和應(yīng)用。
[0007]為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案:
[0008]一種抗空間環(huán)境損傷的防護(hù)涂層的制備方法，該制備方法包括以下步驟:(I)在無水無氧條件下，將有機(jī)氯硅烷氨解、過濾并減壓蒸餾，制得聚硅氮烷；(2)取所述步驟(I)制得的聚硅氮烷置于裝有甲苯或四氫呋喃的玻璃容器內(nèi)，按照硅/鋁摩爾比為0.5?5:1，加入異丙醇鋁；(3)將經(jīng)過所述步驟(2)操作后的玻璃容器置于90?150攝氏度下持續(xù)攪拌5?48小時(shí)，然后過濾、減壓蒸餾除去溶劑，得到聚鋁硅氮烷聚合物；(4)將所述步驟(3)得到的所述聚鋁硅氮烷聚合物用甲苯或四氫呋喃稀釋后，涂覆在航天器外露材料表面并固化處理。
[0009]進(jìn)一步的，所述步驟(I)的所述無氧條件由如下處理步驟實(shí)現(xiàn):將反應(yīng)器重復(fù)抽真空-充氮?dú)獾牟僮??5次，然后向所述反應(yīng)器中以I?10mL/S的速度充入氮?dú)猓蜷_所述反應(yīng)器的氮?dú)夥艢忾y，使得氮?dú)庾詣?dòng)溢出反應(yīng)器。
[0010]進(jìn)一步的，所述步驟(I)中所述氯硅烷氨解的操作為:向裝有氯硅烷的容器內(nèi)以30?50mL/min的速度通入NH3，使所述氯硅烷與所述NH3充分反應(yīng)6?12h。
[0011]進(jìn)一步的，所述步驟(4)采取噴涂、刷涂、浸涂中至少一種方式在所述航天器外露材料表面上涂覆0.1?3微米厚的所述聚鋁硅氮烷聚合物。
[0012]進(jìn)一步的，所述有機(jī)氯硅烷為甲基二氯硅烷，或甲基乙烯基二氯硅烷，或甲基二氯硅烷和甲基乙烯基二氯硅烷的混合物。
[0013]進(jìn)一步的，所述有機(jī)氯硅烷為甲基二氯硅烷，或甲基乙烯基二氯硅烷，或甲基二氯硅烷和甲基乙烯基二氯硅烷的混合物。
[0014]進(jìn)一步的，所述固化處理的操作為在室溫下干燥固化，或加熱干燥固化。
[0015]一種抗空間環(huán)境損傷的防護(hù)涂層，根據(jù)上述任一制備方法制備得到。
[0016]上述抗空間環(huán)境損傷的防護(hù)涂層適用于空間飛行器上的對(duì)近地軌道原子氧侵蝕敏感的外露材料。
[0017]本發(fā)明的有益效果在于:
[0018]1、本發(fā)明通過在材料表面制備聚鋁硅氮烷聚合物涂層，使空間材料涂層抗原子氧侵蝕能力比現(xiàn)有的聚酰亞胺材料高兩個(gè)數(shù)量級(jí)；
[0019]2、本發(fā)明所述的方法步驟簡單，成本低廉，并且所制涂層中的鋁含量可以調(diào)控；
[0020]3、利用本發(fā)明所述的方法制備的涂層作為抗原子氧防護(hù)涂層時(shí)，其厚度薄，表面致密光滑，且在原子氧暴露后表面所形成的氧化硅和氧化鋁透明，聚鋁硅氮烷聚合物涂層具有有機(jī)涂層的塑性、韌性、與基體結(jié)合牢固，不易開裂。在原子氧暴露過程中表面會(huì)形成一層透明的無機(jī)氧化物因此作為涂層時(shí)不會(huì)改變基體的特性；
[0021]4、本發(fā)明在提高LEO空間航天器外露材料的使用壽命方面具有廣闊的應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0022]圖1 (a)所示為在原子氧環(huán)境下暴露后聚酰亞胺膜的表面形貌照片。
[0023]圖1 (b)所示為在原子氧環(huán)境下暴露后聚鋁硅氮烷聚合物涂層的表面形貌照片。
[0024]圖2(a)所不為聚銷娃氣燒聚合物涂層在原子氧環(huán)境下暴露如后的Si2p的XPS圖。
[0025]圖2(b)所示為聚鋁硅氮烷聚合物涂層在原子氧環(huán)境下暴露前后的A12p的XPS圖。
[0026]圖3所示為聚鋁硅氮烷涂層在原子氧環(huán)境下暴露前后的FTIR譜圖。
[0027]圖4(a)至圖4(c)所示為聚鋁硅氮烷聚合物涂層(PASZ)與聚酰亞胺膜(PI)在原子氧環(huán)境中的質(zhì)量變化曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0028]下文將結(jié)合具體實(shí)施例詳細(xì)描述本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)注意的是，下述實(shí)施例中描述的技術(shù)特征或者技術(shù)特征的組合不應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為是孤立的，它們可以被相互組合從而達(dá)到更好的技術(shù)效果。
[0029]實(shí)施例1
[0030]先將反應(yīng)器重復(fù)抽真空-充氮?dú)獾牟僮??5次，接著向整個(gè)反應(yīng)系統(tǒng)中以I?10mL/s的速度充入氮?dú)?，打開反應(yīng)器的氮?dú)夥艢忾y，使得氮?dú)庾詣?dòng)溢出反應(yīng)器，防止空氣進(jìn)入；將除水后的四氫呋喃加入到用冰水浴冷的上述反應(yīng)器中，隨后加入甲基乙烯基二氯硅烷，然后以50mL/min的流速緩慢通入NH3，連續(xù)攪拌6小時(shí)，然后過濾、減壓蒸餾，從而得到無色、黏性、膠狀的聚硅氮烷先驅(qū)體；將聚硅氮烷先驅(qū)體溶解在四氫呋喃或甲苯中，按照Si/Al摩爾比1:1加入異丙醇鋁，150°C條件下不斷攪拌5小時(shí)，過濾、減壓蒸餾即可得到淡黃色粘稠液體，即，聚鋁硅氮烷聚合物；用甲苯或四氫呋喃將聚鋁硅氮烷聚合物稀釋15倍，以諸如噴涂、刷涂、浸涂之類的方式涂覆在準(zhǔn)備好的聚酰亞胺表面，將涂有聚鋁硅氮烷聚合物的聚酰亞胺表面在干燥箱內(nèi)加熱到100°C干燥處理1h。將制備的厚度為0.1 μπι的淡黃色的涂層在原子氧或紫外/原子氧環(huán)境中暴露，暴露通量約為8Χ 102°atomS/cm2，該通量為大多數(shù)航天器在空間飛行所遭遇的原子氧通量。
[0031]如圖1(b)所示，用掃描電子顯微鏡觀察暴露于原子氧或紫外/原子氧環(huán)境中的涂層表面，涂層表面光滑，沒有缺陷；而未涂涂層的聚酰亞胺表面則呈現(xiàn)地毯狀形貌，表面粗糙度明顯增加，參見圖1(a)。
[0032]利用X射線光電子能譜(XPS)分析測得，暴露于原子氧或紫外/原子氧環(huán)境后的涂層表面形成二氧化硅，如圖2(a)(接近橫坐標(biāo)的曲線是暴露在原子氧環(huán)境前涂層的XPS曲線，遠(yuǎn)離橫坐標(biāo)的曲線是暴露于原子氧環(huán)境下涂層的XPS曲線)所示。利用X射線光電子能譜分析測得，暴露于原子氧或紫外/原子氧環(huán)境后的涂層表面形成氧化鋁，如圖2 (