抗激光辐照涂层的研究.doc

抗激光辐照涂层的研究 邱兰婷 吉林省辽源市第五中学校 随着科技的发展, 人类探索、利用太空愿望的不断增强, 新一代飞行器超声速、长时间、跨大气层飞行以及激光武器的出现, 对飞行器壳体的抗激光性能的要求越来越高涂层技术是提高材料高温防护性能和抗激光性能的途径之一本文针对碳纤维增强树脂基复合材料抗高能激光的需求背景, 开展在碳纤维增强树脂基复合材料上制备抗激光无机涂层研究1 研究方案水玻璃具有良好的粘结性能, 以水玻璃为粘结剂, 可以使粉体结合在一起, 增强涂层的强度和涂层与基体的结合强度, 以水玻璃为粘结剂作为基料, 氧化硅或氟硅酸钠为固化剂, 选择 YSZ、氧化铝作为填料制作涂料, 用粘涂法低温固化在碳纤维增强树脂基复合材料上制作耐高温抗激光无机涂层分别改变固化剂种类、填料种类、固化剂和填料的比例、固含量, 研究这些变量对涂层的抗激光辐照性能的影响2 实验原料基体:碳纤维增强环氧树脂基复合材料板, 纤维含量为 50%-60%, 树脂为 E51, 制作方形薄片, 厚度为 2mm, 边长为 30mm水玻璃:模数 (n) 为 2.7、波美度 (Be) 为 48粉料:氧化硅、氧化铝、YSZ、氟硅酸钠。

3 实验报告及结果分析3.1 分别用氧化硅和氟硅酸钠为固化剂, YSZ 为填料, 水玻璃为基料在碳纤维树脂基复合材料上制备涂层, 探究固化剂种类对涂层抗激光性能的影响实验结果表明氧化硅涂层的反射率高于氟硅酸钠涂层激光辐照后氧化硅涂层表面有零星的黄色火焰, 出现轻微的烧蚀痕迹, 烧蚀面积约 25mm, 涂层没有破损;氟硅酸钠涂层出现大面积的黄色火焰, 随着激光能量的沉积, 涂层自身发生物理化学反应, 产生气体, 体积膨胀而使涂层破裂, 能量传递到基体, 基体温度升高发生物理化学反应产生挥发性气体, 出现明显的火花喷溅现象, 基体发生剧烈燃烧并有大量黑烟产生, 最终的损伤区域面积约为 100.1mm, 激光辐照后在基体垂直烧蚀边缘方向上产生裂纹分析原因, 氟硅酸钠涂层试样的原始形貌图中出现较多的凹坑, 在激光辐照过程中, 凹坑吸收了更多的激光的能量, 涂层局部温度过高, 导致涂层最终被击穿并且氟硅酸钠在 300℃左右发生分解, 生成氟化钠和四氟化硅, 破坏涂层的致密性, 涂层吸收的激光能量增多, 涂层防护效果降低3.2 固化剂与填料的比例对涂层抗激光性能的影响:制备固化剂与填料的比例不同的涂层, 固化剂与填料的比例分别为涂层一13∶87、涂层二 35∶65, 涂层三 52∶48, 固含量都是 60%, 水玻璃的比例都是40%, 填料中 YSZ 和氧化铝的比例为 1∶1, 探究固化剂与填料比例对涂层抗激光性能的影响。

实验表明固化剂含量比例越低, 填料的含量比例越高涂层的反射率越好, 激光辐照实验表明填料比例高的涂层只出现零星火焰然后迅速消失, 涂层温度升高发生物理化学反应, 生成气体, 涂层表面膨胀, 基体没有明显的烧蚀损伤区;固化剂比例高的涂层激光辐照后出现大面积的涂层膨胀, 随着辐照时间的延长, 涂层破裂, 中心区域出现大面积的黄色火焰, 剧烈燃烧并有大量飞溅物和黑烟产生, 辐照区中心涂层已经完全消失, 边缘区由于熔体收缩, 出现明显的亮白色凸起, 其最终的损伤区域面积为 176.6mm分析原因是氧化硅熔点 (1650℃) 比 YSZ (2700℃) 和氧化铝 (2000℃) 低, 沸点为 2230℃激光辐照能量积聚后, 涂层三由于氧化硅含量过多, 达到氧化硅的熔、沸点后氧化硅变成气态涂层膨胀破裂, 涂层破坏, 并且 YSZ 和氧化铝的反射率比氧化硅的反射率高3.3 固含量对涂层抗激光性能的影响:制备固含量分别为 52%、60%、68%的涂层, 固化剂与填料的比例相同, 填料中YSZ 与氧化铝的比例为 1∶1, 进行激光辐照实验, 探究固含量对涂层的抗激光性能的影响三种涂层都有很高的反射率, 且随着固含量增加, 涂层的反射率增大。

固含量为 52%的涂层激光辐照后, 涂层温度升高发生物理化学反应, 生成气体, 涂层表面迅速膨胀, 有黑烟冒出, 鼓泡中心有黄色火焰, 辐照结束后涂层表面有斑点;固含量为 68%的涂层激光辐照过后, 涂层表面只有鼓泡;60%的涂层激光辐照过后, 和 52%的涂层现象相似, 但鼓泡和斑点小些激光辐照实验结果说明固含量越高, 涂层的抗激光性能越好这是因为固含量越高, 水玻璃的含量越低, 水玻璃熔、沸点非常低, 温度升高, 水玻璃变成气态, 导致涂层膨胀破裂, 破坏涂层的抗激光辐照性能同时固含量越高涂层的反射率越高, 抗激光性能也越好3.4 填料种类对涂层抗激光性能的影响:分别用 YSZ、YSZ+氧化铝 (比例为 1∶1) 、氧化铝作为填料, 保持水玻璃的含量、固化剂和填料的比例相同, 固含量都是 60%, 制备涂层, 进行激光辐照实验, 探究填料的种类对涂层的抗激光性能的影响YSZ 涂层的反射率高于氧化铝涂层的反射率, YSZ+氧化铝涂层的反射率最高这说明涂层的反射率与涂层的填料种类的关系很大填料为 YSZ 的涂层激光辐照时表面无异常现象, 辐照结束后涂层表面无变化, 说明该涂层的抗激光性能非常好;YSZ+氧化铝涂层表面发生了物理化学反应, 产生了一些褶皱, 涂层未被击穿, 涂层表面还很平整, 说明有很好的隔热效果和反射效果, 具有很好的抗激光性能;氧化铝涂层温度升高发生物理化学反应, 生成气体, 涂层表面迅速膨胀, 凸起明显, 涂层未被击穿, 效果较差。

可以得出 YSZ 涂层的抗激光性能比氧化铝涂层好4 实验结论由以上实验得出结论:(1) 以氧化硅为固化剂的涂层的抗激光辐照性能优于以氟硅酸钠为固化剂的涂层, 这是因为氟硅酸钠表面的凹坑吸收了激光的能量, 且氟硅酸钠 300℃左右发生分解, 破坏涂层的致密性2) 固化剂含量所占的比例越低, 填料所占的比例越高涂层的抗激光性能越好, 填料起到主要的抗激光作用3) 涂层的固含量越高, 涂层的抗激光性能越好这是因为固含量越低, 水玻璃的含量越高, 水玻璃熔、沸点非常低, 温度升高, 水玻璃变成气态, 导致涂层膨胀破裂, 破坏涂层的抗激光辐照性能4) YSZ 为填料的涂层具有非常优秀的抗激光性能, 这是因为 YSZ 的热导率很低, 具有很好的隔热效果, 可以阻止热量向基体传递, 同时 YSZ 的反射率很高, 可以将大量的激光反射, 提高了涂层的抗激光性能。