本發(fā)明涉及一種鋁表面電沉積制備低吸收率與高半球發(fā)射率氧化膜的方法，具體涉及一種鋁合金表面制備低比值太陽吸收率/半球發(fā)射率復(fù)合氧化膜的脈沖超聲電沉積制備方法，包括鋁合金的陽極氧化與孔內(nèi)脈沖超聲電沉積。
背景技術(shù)：
隨著空間航天器技術(shù)的發(fā)展，溫度控制已經(jīng)越來越重要。由于陽光直射一面和另一面極為寒冷的空間，空間航天器在軌道上經(jīng)歷極端溫度循環(huán)。這將使航天器表面溫度變化很大，溫度在-200℃到+200℃之間變化，在缺乏大氣的情況下，航天器和外部環(huán)境之間的熱量交換僅限于輻射。特別是航天器外表面輻射與空間的耦合作用，空間的溫度非常低。所以航天器的溫控系統(tǒng)必須仔細(xì)設(shè)計(jì)確保飛船和飛船的部件以最大的效率工作。其中航天器溫控系統(tǒng)的平衡溫度是由太陽吸收率(αs)和表面半球發(fā)射率(εH)控制，通過控制αs和εH從而達(dá)到控制飛船的溫度。熱控涂層通過提供合適的光學(xué)性能應(yīng)用于航天器組件中扮演一個(gè)重要的角色。熱控涂層具有低的太陽吸收率和高發(fā)射率被廣泛使用的航天器表面。
熱控涂層主要包含有機(jī)熱控涂層和無機(jī)熱控涂層。有機(jī)熱控涂層具有耐高低溫交替變化和柔韌性好等優(yōu)點(diǎn)。其中有機(jī)硅涂層的耐真空紫外輻照能力以及抗原子氧侵蝕能力最強(qiáng)，是空間飛行器表面較理想的熱控涂層。而有機(jī)涂層多采用噴涂方式，使得與基體的結(jié)合力差、易老化、表面不均勻以及大大加重航天器的重量等問題。無機(jī)熱控涂層具有對(duì)環(huán)境污染小，資源豐富，耐老化等優(yōu)點(diǎn)，無機(jī)涂層因硬度高、耐磨、光學(xué)透過率高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、元素的擴(kuò)散系數(shù)低、能起到很好的阻擋層的作用，引起廣泛重視。隨著長(zhǎng)壽命和高可靠性航天器的發(fā)展，鋁合金的應(yīng)用得到重視。通過在鋁合金表面陽極氧化中電沉積氧化物粒子，具有與基體粘結(jié)強(qiáng)度高，在空間環(huán)境中經(jīng)久耐用等特點(diǎn)，而且與常規(guī)的氧化鋁孔內(nèi)電沉積金屬粒子方法相比較，該方法通過SiO2溶膠法脈沖超聲電沉積的二氧化硅粒子不僅具有良好的熱控性能，脈沖超聲波能加速溶膠在孔內(nèi)的擴(kuò)散傳質(zhì)過程與沉積速度，改善沉積層的表面形貌和綜合性能，無需封孔后處理，因此，該方法電沉積二氧化硅粒子制備熱控涂層方法具有工藝與性能優(yōu)勢(shì)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種鋁表面電沉積制備低吸收率與高半球發(fā)射率氧化膜的方法，具體為一種鋁合金陽極氧化膜表面脈沖超聲電沉積二氧化硅制備熱控涂層的方法。采用該方法可在鋁合金表面得到二氧化硅熱控涂層，該工藝操作簡(jiǎn)單，得到的涂層的結(jié)合力較好，涂層的太陽吸收率在0.10-0.20之間，半球發(fā)射率在0.80-0.95之間，是性能優(yōu)良的低太陽吸收率和高半球發(fā)射率的熱控涂層。
本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)以上目的：
鋁表面電沉積制備低吸收率與高半球發(fā)射率氧化膜的方法，包括以下步驟：
(1)對(duì)鋁合金進(jìn)行陽極氧化處理：所述鋁合金為6063鋁合金，在電解液中進(jìn)行氧化，其中，氧化工藝為：電流密度為0.5-2.5A/dm2，氧化槽液的溫度為2-26℃，氧化時(shí)間為10-120min；
(2)超聲脈沖電沉積制備熱控涂層：將經(jīng)步驟(1)預(yù)處理后的鋁合金浸入電解液中進(jìn)行超聲脈沖電沉積制備二氧化硅，電沉積的工藝為：電壓為3-5V，電沉積時(shí)間300-1200s。
進(jìn)一步地，所述步驟(1)中對(duì)鋁合金進(jìn)行陽極氧化處理的電解液為H2SO4，質(zhì)量濃度為16-18％。
進(jìn)一步地，所述步驟(2)中超聲脈沖電沉積制備二氧化硅的電解液的組分為：正硅酸乙酯0.1-0.3L，無水乙醇0.4-0.6L，表面活性劑0.2-5g，硝酸鉀5-10g，蒸餾水0.5-1L，H2SO4調(diào)節(jié)pH到2-5。
進(jìn)一步地，所述表面活性劑為十六烷基三甲基溴化胺或者十二烷基苯磺酸鈉。
進(jìn)一步地，所述超聲脈沖電沉積的電源頻率為500-2000Hz，占空比為40-80％，攪拌超聲波頻率為10kHz-40kHz，功率為50W-350W。
進(jìn)一步地，對(duì)鋁合金進(jìn)行陽極氧化處理前需要進(jìn)行預(yù)處理，所述的預(yù)處理包括以下步驟：將鋁合金材料放在60g/L的NaOH溶液中溫度為50℃中堿蝕3min。將堿蝕后的試樣用水沖洗干凈放入濃度為45％的HNO3中除灰5min，將除灰后的材料用超純水沖洗后進(jìn)行氧化。鋁合金材料包括2系、6系、7系鋁合金。
本發(fā)明采用上述技術(shù)解決方案所能達(dá)到的有益效果是：
熱控涂層不僅具有優(yōu)良的低太陽吸收率和高半球發(fā)射率，太陽吸收率在0.10-0.20之間，半球發(fā)射率在0.80-0.95之間。而且與有機(jī)涂層易于老化相比，本技術(shù)制備的氧化鋁復(fù)合涂層具有優(yōu)良的耐老化性能，同時(shí)不需要進(jìn)行封孔處理，人工加速老化300h連續(xù)照射后，氧化膜色差為1級(jí)。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1
(1)首先將6063鋁合金材料放入60g/L的NaOH溶液中，溫度為50℃中堿蝕3min。將堿蝕后的試樣用水沖洗干凈放入濃度為45％的HNO3中除灰5min，將除灰后的材料用超純水沖洗后進(jìn)行氧化。
(2)然后將前處理后的試樣放入到濃度為16％的硫酸中進(jìn)行氧化，鋁合金材料作為陽極，鉛板作為陰極，氧化工藝為：電流密度為0.5A/dm2，氧化槽液的溫度為26℃，氧化時(shí)間為120min。
(3)最后將封孔后的鋁合金材料用超純水沖洗，然后進(jìn)行電沉積二氧化硅，電沉積溶液的工藝為：正硅酸乙酯為0.1L，無水乙醇0.6L，表面活性劑6g，硝酸鉀10g，蒸餾水1L，H2SO4調(diào)節(jié)pH到5。電壓為5V，脈沖頻率為1000Hz，占空比為40％，電沉積時(shí)間1200s。采用超聲加速電沉積溶液的攪拌，超聲波頻率為20kHz，功率為150W。
采用本實(shí)施方式在鋁合金表面獲得的熱控涂層均勻、結(jié)合力較好，熱控涂層的太陽吸收率為0.13，半球發(fā)射率可達(dá)到0.91。
實(shí)施例2
(1)首先將6061鋁合金材料放入60g/L的NaOH溶液中，溫度為50℃中堿蝕3min。將堿蝕后的試樣用水沖洗干凈放入濃度為45％的HNO3中除灰5min，將除灰后的材料用超純水沖洗后進(jìn)行氧化。
(2)然后將前處理后的試樣放入到濃度為17％的硫酸中進(jìn)行氧化，鋁合金材料作為陽極，鉛板作為陰極，氧化工藝為：電流密度為2.5A/dm2，氧化槽液的溫度為2℃，氧化時(shí)間為10min。
(3)最后將封孔后的鋁合金材料用超純水沖洗，并進(jìn)行電沉積二氧化硅，電沉積溶液的工藝為：正硅酸乙酯為0.3L，無水乙醇0.4L，表面活性劑2g，硝酸鉀5g，蒸餾水0.5L，H2SO4調(diào)節(jié)pH到2。電壓為3.5V，脈沖頻率為2000Hz，占空比為60％，電沉積時(shí)間300s。采用超聲加速電沉積溶液的攪拌，超聲波頻率為30kHz，功率為100W。
采用本實(shí)施方式在鋁合金表面獲得的熱控涂層均勻、結(jié)合力較好，熱控涂層的太陽吸收率為0.16，半球發(fā)射率可達(dá)到0.85。
實(shí)施例3
(1)首先將2024鋁合金材料放入60g/L的NaOH溶液中，溫度為50℃中堿蝕3min。將堿蝕后的試樣用水沖洗干凈放入濃度為45％的HNO3中除灰5min，將除灰后的材料用超純水沖洗后進(jìn)行氧化。
(2)然后將前處理后的試樣放入到濃度為18％的硫酸中進(jìn)行氧化，鋁合金材料作為陽極，鉛板作為陰極，氧化工藝為：電流密度為1.0A/dm2，氧化槽液的溫度為14℃，氧化時(shí)間為60min。
(3)最后將處理后的鋁合金材料用超純水沖洗，并進(jìn)行電沉積二氧化硅，電沉積溶液的工藝為：正硅酸乙酯為0.2L，無水乙醇0.5L，表面活性劑4g，硝酸鉀8g，蒸餾水0.7L，H2SO4調(diào)節(jié)pH到3。電壓為4V，脈沖頻率為1500Hz，占空比為50％，電沉積時(shí)間600s。采用超聲加速電沉積溶液的攪拌，超聲波頻率為20kHz，功率為400W。
采用本實(shí)施方式在鋁合金表面獲得的熱控涂層均勻、結(jié)合力較好，熱控涂層的太陽吸收率為0.12，半球發(fā)射率可達(dá)到0.90。
實(shí)施例4
(1)首先將2024鋁合金材料放入60g/L的NaOH溶液中，溫度為50℃中堿蝕3min。將堿蝕后的試樣用水沖洗干凈放入濃度為45％的HNO3中除灰5min，將除灰后的材料用超純水沖洗后進(jìn)行氧化。
(2)然后將前處理后的試樣放入到濃度為16％的硫酸中進(jìn)行氧化，鋁合金材料作為陽極，鉛板作為陰極，氧化工藝為：電流密度為1.0/dm2，氧化槽液的溫度為13℃，氧化時(shí)間為60min。
(3)最后將處理后的鋁合金材料用超純水沖洗，并進(jìn)行電沉積二氧化硅，電沉積溶液的工藝為：正硅酸乙酯為0.3L，無水乙醇0.6L，表面活性劑6g，硝酸鉀10g，蒸餾水1L，H2SO4調(diào)節(jié)pH到5，電壓為5V。脈沖頻率為1500Hz，占空比為50％，電沉積時(shí)間1200s。采用超聲加速電沉積溶液的攪拌，超聲波頻率為40kHz，功率為150W。
采用本實(shí)施方式在鋁合金表面獲得的熱控涂層均勻、結(jié)合力較好，熱控涂層的太陽吸收率為0.18，半球發(fā)射率可達(dá)到0.93。
實(shí)施例5
(1)首先將7075鋁合金材料放入60g/L的NaOH溶液中，溫度為50℃中堿蝕3min。將堿蝕后的試樣用水沖洗干凈放入濃度為45％的HNO3中除灰5min，將除灰后的材料用超純水沖洗后進(jìn)行氧化。
(2)然后將前處理后的試樣放入到濃度為17％的硫酸中進(jìn)行氧化，鋁合金材料作為陽極，鉛板作為陰極，氧化工藝為：電流密度為1A/dm2，氧化槽液的溫度為14℃，氧化時(shí)間為40min。
(3)最后將處理后的鋁合金材料用超純水沖洗、吹干后進(jìn)行電沉積二氧化硅，電沉積溶液的工藝為：正硅酸乙酯為0.1L，無水乙醇0.4，表面活性劑2g，硝酸鉀8g，蒸餾水0.5L，H2SO4調(diào)節(jié)pH到2。電壓為3V，脈沖頻率為1500Hz，占空比為70％，電沉積時(shí)間為300s。采用超聲加速電沉積溶液的攪拌，頻率為20kHz，功率為300W。
采用本實(shí)施方式在鋁合金表面獲得的熱控涂層均勻、結(jié)合力較好，熱控涂層的太陽吸收率為0.14，半球發(fā)射率可達(dá)到0.87。
實(shí)施例6
(1)首先將7075鋁合金材料放入60g/L的NaOH溶液中，溫度為50℃中堿蝕3min。將堿蝕后的試樣用水沖洗干凈放入濃度為45％的HNO3中除灰5min，將除灰后的材料用超純水沖洗后進(jìn)行氧化。
(2)然后將前處理后的試樣放入到濃度為18％的硫酸中進(jìn)行氧化，鋁合金材料作為陽極，鉛板作為陰極，氧化工藝為：電流密度為0.5A/dm2，氧化槽液的溫度為2℃，氧化時(shí)間為10min。
(3)最后將處理后的鋁合金材料用超純水沖洗，并進(jìn)行電沉積二氧化硅，電沉積溶液的工藝為：正硅酸乙酯為0.1L，無水乙醇0.4L，表面活性劑4g，硝酸鉀8g，蒸餾水0.8L，H2SO4調(diào)節(jié)pH到3。電壓為4V，脈沖頻率為1000Hz，占空比為50％，電沉積時(shí)間600s。采用超聲加速電沉積溶液的攪拌，超聲波頻率為30kHz，功率為200W。
采用本實(shí)施方式在鋁合金表面獲得的熱控涂層均勻、結(jié)合力較好，熱控涂層的太陽吸收率為0.10，半球發(fā)射率可達(dá)到0.90。
綜上所述，本方法所制得的涂層為白色，在鋁合金陽極氧化膜表面電沉積所得，結(jié)合力良好，并且太陽吸收率在0.10-0.20之間，半球發(fā)射率在0.80-0.95之間，是性能優(yōu)良的低太陽吸收率和高半球發(fā)射率的熱控涂層。
以上所述的僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明創(chuàng)造構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。