一种导热、辐射复合屏蔽的多层结构热防护涂层材料的制备方法

本发明属于高温热防护及辐射热控，具体涉及一种导热、辐射复合屏蔽的多层结构热防护涂层材料的制备方法。

背景技术：

1、随着高温燃烧技术的发展，热端部件的高温需求不断提高，研究具有低导热性能的热防护涂层一直是国内外学者的重点研究对象。至今为止，对于热防护涂层的研发，学者们更关注于涂层材料的低导热系数，而没有着重考虑高温下辐射穿透对基体的影响。目前，热端部件所处的极端温度可达1500℃以上，根据普朗克黑体辐射定律，热辐射能量主要分布在0.5-10μm波长范围内，且随着温度升高，热辐射能量将集中在更短波长范围内，短波长电磁波通常受到较少散射和吸收，而具有较强穿透能力。极端温度下，高温热辐射穿透所带来的热冲击也是造成热端部件热损坏的主要原因之一。因此，仅具有低导热系数的热防护涂层已经不能满足现阶段及未来热端部件的热防护需求，研究一种多种高温环境的导热辐射复合屏蔽的热防护涂层极为重要。

2、2023年3月28日，中国专利(cn115849958a)公开了一种陶瓷基复合材料的热防护涂层及其制备方法和应用。该涂层以陶瓷基材料作为基材，yb2o3和cao共掺杂hfo2作为隔热层材料，采用大气等离子喷涂法制备了封孔层、抗氧化粘结层、隔热耐烧层结构的多层复合热防护涂层。该涂层特点为提高了涂层耐温效果，但没有考虑高温(1000℃以上)热辐射穿透的影响。2022年12月30日，中国专利(cn115537812a)公开了一种复合材料热防护用高温抗氧化涂层。该涂层以sic/c作为基体，碳化硅、硼化铱、金属铱、硼化铪为材料，构成一种用于高温抗氧化的多层交替的热防护涂层。该涂层没有考虑高温(1000℃以上)热辐射穿透的影响。2022年2月15日，中国专利(cn114045456a)公开了一种含稀土铝酸盐的耐高温复合涂层及制备方法。采用大气等离子喷涂法制备了氧化膜层、金属粘结层、稀土铝酸盐陶瓷层结构的复合涂层。该涂层虽然可耐受1800℃高温，但没有考虑热辐射穿透的影响。综上，学者们所提出的多层热防护涂层忽略了热辐射穿透及导热的复合影响，基于此，导热辐射复合屏蔽涂层的研发极为重要。

技术实现思路

1、本发明的目的是要解决现有热防护涂层技术不能满足导热、辐射穿透复合屏蔽的问题，而提供一种导热、辐射复合屏蔽的多层结构热防护涂层材料的制备方法。

2、本发明解决了目前热防护涂层研究存在的不足及热防护领域的急切需求，提出一种具有反射层/吸收层/低导热层结构的导热辐射复合屏蔽热防护涂层(即导热、辐射复合屏蔽的多层结构热防护涂层材料)的制备方法。

3、一种导热、辐射复合屏蔽的多层结构热防护涂层材料的制备方法，具体是按以下步骤完成的：

4、一、基体表面预处理：

5、去除基体表面的灰尘、油脂和杂质，再对基体的表面进行活化处理，得到预处理后的基体；

6、二、制备低导热层：

7、采用喷涂法在基体表面制备具有低热导率的隔热层；

8、步骤二中所述的具有低热导率的隔热层的热导率小于2w/(m·k)；

9、步骤二中所述的隔热层的功能组元为zro2、si3n4和稀土酸盐陶瓷中的一种或几种的组合；

10、三、制备高吸收层：

11、采用喷涂法在隔热层上面制备具有高红外吸收的中间层；

12、步骤三中所述的具有高红外吸收的中间层的功能组元在0.5μm～10μm波段具有较高红外吸收，为过渡族金属氧化物、碳基材料和窄带隙半导体材料中的一种或几种的组合；

13、四、制备高反射层：

14、采用喷涂法在高红外吸收的中间层上制备高反射层，通过抛光处理后最终得到导热、辐射复合屏蔽的多层结构热防护涂层材料；

15、步骤四中所述的高反射层的功能组元在0.5μm～10μm波段具有高红外反射率，为金属氧化物、二维材料和贵金属中的任意一种；

16、步骤四中所述的导热、辐射复合屏蔽的多层结构热防护涂层材料的有效热导率小于1w/(m·k)、在0.5μm～10μm波段红外透过率低于0.12、红外反射率大于0.4。

17、本发明的原理：

18、本发明通过喷涂法制备了高反射/高吸收/低导热多层结构的导热辐射复合屏蔽涂层(即为导热、辐射复合屏蔽的多层结构热防护涂层材料)；该多层结构具有低导热性能，同时抗辐射穿透，实现了导热辐射的复合屏蔽；第一层高反射层(最外层)采用复折射率模较大的材料，以实现高温热辐射的全波段反射；第二层(中间层)为高吸收层，所采用的材料要求具有较高的吸收系数，同时，要尽量满足高吸收系数波长与反射层的高折射率波长相互交错，使反射波段与吸收波段具有良好的互补性，更有助于实现热辐射屏蔽；第三层为低导热层(最内层)，所采用的材料具有低导热率，同时要求具有高热稳定性和低热膨胀系数。基于第一层和第二层，阻碍了光子热传递，基于第三层，阻碍了声子热传递。根据黑体辐射定律，高温下(1000℃以上)，辐射能量主要分布在0.5-10μm波段内，该热防护涂层降低了该波段透过率，从而减少了辐射对基体的热冲击，同时通过低导热层，降低了涂层整体导热系数，该复合结构使涂层整体热导率小于1w/(m·k)。

19、本发明的优点：

20、一、本发明提出一种导热、辐射复合屏蔽的多层结构热防护涂层材料的制备方法，与现有多层复合结构热防护涂层相比，该多层结构涂层降低了热辐射穿透，减少了热辐射对基体的直接冲击，同时具备较低热导率和高温热稳定性；

21、二、本发明所提出的热防护涂层所用材料价格适中，制备工艺简单，可通过喷涂法制备，同时工艺参数可调，适用于大规模生产。

1.一种导热、辐射复合屏蔽的多层结构热防护涂层材料的制备方法，其特征在于所述制备方法具体是按以下步骤完成的：

2.根据权利要求1所述的一种导热、辐射复合屏蔽的多层结构热防护涂层材料的制备方法，其特征在于步骤一中所述的基体为金属基材料、陶瓷基复合材料中的任意一种；所述的金属基材料为碳钢、铝合金、钛合金或镍基合金；所述陶瓷基复合材料为c/c、c/sic、sic/sic；步骤一中使用水、甲醇、乙醇、氨水、氢氧化钾溶液、硝酸或盐酸对基体进行清洗，去除基体表面的灰尘、油脂和杂质。

3.根据权利要求2所述的一种导热、辐射复合屏蔽的多层结构热防护涂层材料的制备方法，其特征在于所述的氨水的质量分数为1％～5％，氢氧化钾溶液的质量分数为5％～10％，硝酸的质量分数为10％～30％，盐酸的质量分数为10％～20％。

4.根据权利要求1所述的一种导热、辐射复合屏蔽的多层结构热防护涂层材料的制备方法，其特征在于步骤一中采用机械喷砂工艺对基体的表面进行活化处理；所述的机械喷砂工艺所选用的喷砂材料为硅砂、石英砂或陶瓷珠，喷砂压力为0.2mpa～0.6mpa，喷砂距离为100mm～300mm，喷砂角度为45～90°。

5.根据权利要求1所述的一种导热、辐射复合屏蔽的多层结构热防护涂层材料的制备方法，其特征在于步骤二中所述的稀土酸盐陶瓷为型、型、型，其中a为sc、yb、lu、er、tm、dy、ho、la、y、gd、ti、sm、nd和eu中的一种或几种的组合；b为zr、ce或hf；c为ta或nb。

6.根据权利要求1所述的一种导热、辐射复合屏蔽的多层结构热防护涂层材料的制备方法，其特征在于步骤二中所述的隔热层的功能组元的粉体粒径为1μm～10μm；步骤二中基体上具有低热导率的隔热层的厚度为0.01mm～1mm，致密度大于70％，热导率小于2w/mk。

7.根据权利要求1所述的一种导热、辐射复合屏蔽的多层结构热防护涂层材料的制备方法，其特征在于步骤三中所述的过渡族金属氧化物为fe3o4、fe2o3、cuo、mno2、co2o3或zno；所述的碳基材料为纳米碳黑或石墨烯；所述的窄带隙半导体材料为硒化镉或硒化铋。

8.根据权利要求1所述的一种导热、辐射复合屏蔽的多层结构热防护涂层材料的制备方法，其特征在于步骤三中具有高红外吸收的中间层的厚度为0.01mm～2mm，致密度大于60％，吸收系数大于10000cm-1。

9.根据权利要求1所述的一种导热、辐射复合屏蔽的多层结构热防护涂层材料的制备方法，其特征在于步骤四中所述的金属氧化物为tio2或al2o3；所述的二维材料为bn、硒化铟或过渡金属二硫化物；所述的贵金属为pt或pt合金；步骤四中所述的高反射层的厚度为0.01mm～1mm，致密度大于60％，复折射率模值大于2。

10.根据权利要求1所述的一种导热、辐射复合屏蔽的多层结构热防护涂层材料的制备方法，其特征在于步骤四中所述的抛光处理的具体方法为：清除金相研磨抛光机工作台表面杂物及污垢，将300目研磨片安装在转盘上进行粗磨，调整金相研磨机参数，转速设为300r/min，研磨时间3min；更换800目研磨片进行细磨，调整金相研磨机参数，转速设为600r/min，研磨时间为2min，涂层表面平均粗糙度ra小于2μm；步骤二、三、四中所述的喷涂法为：热喷涂或浆料喷涂；所述的浆料喷涂中粘结剂为硅酸钾、硅酸铝、硅溶胶和磷酸铝中的一种或几种的组合。