0前　言

    隨著航天技術(shù)的發(fā)展，對(duì)航天器的輕量化需求非常迫切，特別是對(duì)于密度低、比剛度和比強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性和減震性能好以及鑄造性能優(yōu)良的鎂合金材料有著強(qiáng)烈的需求。但是，鎂合金具有極高的電化學(xué)活性，用于航天器結(jié)構(gòu)材料使用時(shí)面臨著嚴(yán)重的腐蝕問(wèn)題，特別是新建設(shè)的海南文昌發(fā)射場(chǎng)所處的環(huán)境是典型的熱帶海洋大氣環(huán)境，具有高溫高濕、大氣鹽霧濃度高腐蝕性強(qiáng)的特點(diǎn)。其年平均溫度24.1 ℃；相對(duì)濕度大于86%，遠(yuǎn)高于大氣腐蝕性分類中規(guī)定的最高濕度τ5等級(jí)；Cl-質(zhì)量濃度為0.01～0.05 mg/m3，平均值0.03 mg/m3，Cl-沉降速率0.06～1.37 mg/（100 cm2?d），平均值0.54 mg/（100 cm2?d），氯化物等級(jí)為S1～S2級(jí)，大氣腐蝕等級(jí)為C4級(jí)，屬高腐蝕性大氣。與現(xiàn)有的酒泉、西昌和太原3個(gè)內(nèi)陸發(fā)射場(chǎng)相比，在海南文昌發(fā)射場(chǎng)發(fā)射的空間站等航天器中使用的鎂合金材料面臨更嚴(yán)酷的腐蝕環(huán)境及潛在的腐蝕問(wèn)題，對(duì)航天器鎂合金材料提出了更高的防腐蝕要求。

    同時(shí)，鎂合金作為航天器內(nèi)各類電子設(shè)備機(jī)箱結(jié)構(gòu)材料時(shí)，其內(nèi)部各類元器件工作時(shí)產(chǎn)生大量的熱，由于航天器處在真空環(huán)境無(wú)法進(jìn)行通風(fēng)散熱，各類設(shè)備工作時(shí)產(chǎn)生并傳導(dǎo)至鎂合金的熱量只能通過(guò)輻射的方式散失出去，因此要求鎂合金材料表面具有高發(fā)射率的熱控特性。但鎂合金材料自身的發(fā)射率較低（εH≤0.30），必須在其表面制備高發(fā)射率層，以滿足輻射換熱的熱控需求。與微弧氧化等電化學(xué)制備高發(fā)射率熱控膜層的工藝相比，通過(guò)在鎂合金材料表面噴涂涂料制備防腐-熱控一體化涂層的工藝具有對(duì)產(chǎn)品尺寸、形狀適應(yīng)性強(qiáng)、可實(shí)施性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在航天器鎂合金材料表面防腐-熱控處理方面具有廣闊的應(yīng)用前景。本文研制了一種噴涂型防腐-熱控一體化涂層，研究了涂層組分配比、涂層厚度對(duì)涂層性能的影響，并對(duì)涂層防腐和熱控性能進(jìn)行了測(cè)試和實(shí)驗(yàn)研究。

    1　實(shí)驗(yàn)部分

    1.1　涂層制備

    1.1.1　原材料及設(shè)備

    主要原材料包括羥基樹(shù)脂、脂肪族聚異氰酸酯、高發(fā)射率顏料、消光粉、功能助劑、混合溶劑[m（甲基異丁基酮）∶m（碳酸二甲酯）∶m（丙二醇甲醚乙酸酯）＝60∶30∶10]等。

    1.1.2　涂層制備

    涂料制備時(shí)，首先將混合溶劑、功能助劑用電動(dòng)攪拌器混合均勻后加入高發(fā)射率顏料及消光粉等采用砂磨法進(jìn)行均質(zhì)化處理制備漿料，然后在漿料中加入羥基樹(shù)脂，分散均勻后用150～200目銅網(wǎng)過(guò)濾，按n（—NCO）∶n（—OH）＝1.05∶1加入脂肪族聚異氰酸酯，并將涂料的黏度調(diào)整為13～17 s（涂-4#杯），采用空氣噴涂法在基材表面制備涂層。涂層室溫條件下固化24 h。

    1.2　涂層性能測(cè)試及實(shí)驗(yàn)

    為驗(yàn)證鎂合金防腐-熱控一體化涂層的性能優(yōu)劣，從以下7個(gè)方面對(duì)涂層性能進(jìn)行測(cè)試及實(shí)驗(yàn)：

    （1）太陽(yáng)吸收比（αS）：用分光光度計(jì)（帶積分球）按《航天器熱控涂層試驗(yàn)方法　第2部分：太陽(yáng)吸收比測(cè)試》（GJB 2502.2—2006）規(guī)定的方法測(cè)試。

    （2）半球發(fā)射率（εH）：用AE輻射計(jì)按《航天器熱控涂層試驗(yàn)方法　第3部分：發(fā)射率測(cè)試》（GJB 2502.3—2006）規(guī)定的方法測(cè)試。

    （3）附著力按《色漆和清漆　拉開(kāi)法附著力試驗(yàn)》（GB 5210—2006）進(jìn)行測(cè)試。

    （4）真空揮發(fā)性測(cè)試按《真空條件下材料揮發(fā)性能測(cè)試方法》（QJ 1558A—2012）規(guī)定進(jìn)行，在真空度優(yōu)于7×10-3 Pa環(huán)境下，將試樣加熱至125 ℃并保持24 h，使試樣出氣，測(cè)試涂層的總質(zhì)量損失（TML）和可凝揮發(fā)物（CVCM）。

    （5）鹽霧試驗(yàn)按《涂層檢驗(yàn)方法　涂層耐鹽霧檢驗(yàn)方法》（QJ 990.12—86）中規(guī)定的方法進(jìn)行。采用3.5%氯化鈉水溶液間歇噴霧，即在溫度（40±2） ℃下連續(xù)噴霧8 h，然后停止噴霧及加熱，在靜止和密封狀態(tài)下保持16 h，24 h為1個(gè)周期，共進(jìn)行42個(gè)周期（1 008 h）試驗(yàn)。

    （6）濕熱試驗(yàn)按《漆膜耐濕熱測(cè)定法》（GB/T 1740—2007）中規(guī)定的方法進(jìn)行。試驗(yàn)溫度為（47±1） ℃，相對(duì)濕度為（96%±2%），試驗(yàn)周期為504 h。

    （7）冷熱交變性能按《航天器熱控涂層試驗(yàn)方法第8部分：熱循環(huán)試驗(yàn)》（GJB2502.8—2006）進(jìn)行。即在-196 ℃下保持5 min，而后在-100 ℃下保持5 min，循環(huán)100次。

    2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

    2.1　涂層組分配比研究

    鎂合金防腐-熱控一體化涂層采用底漆＋面漆的復(fù)合涂層體系。底漆選用已在航天器上得到成熟應(yīng)用的鋅黃丙烯酸聚氨酯底漆；面漆為以羥基樹(shù)脂與脂肪族聚異氰酸酯交聯(lián)制得的聚氨酯為黏結(jié)劑，以高發(fā)射率顏料、消光粉、功能助劑等組分采用均質(zhì)化工藝配制而成。在面漆涂層組分配比優(yōu)化研究中，依次以高發(fā)射率顏料、消光粉和功能助劑用量為考察因素，采用砂磨工藝進(jìn)行涂料配制，并以空氣噴涂將涂料噴涂于鎂合金試片表面，涂層厚度控制在50 μm左右。從涂層太陽(yáng)吸收比、半球發(fā)射率、涂層光澤、涂料細(xì)度等方面對(duì)各組分用量進(jìn)行優(yōu)化。

    2.1.1　高發(fā)射率顏料用量對(duì)涂層性能影響

    圖1所示為高發(fā)射率顏料用量對(duì)涂層熱物理性能影響。

    從圖1可以看出，高發(fā)射率顏料用量對(duì)涂層熱物理性能有較大影響。隨著高發(fā)射率顏料用量的增加，涂層太陽(yáng)吸收比和半球發(fā)射率均升高，當(dāng)高發(fā)射率顏料用量高于8%時(shí)，涂層αS穩(wěn)定在0.96左右，εH穩(wěn)定在0.89左右；當(dāng)其用量在10%以上時(shí)，涂料貯存穩(wěn)定性變差。綜合高發(fā)射率顏料用量對(duì)涂層太陽(yáng)吸收比、半球發(fā)射率及貯存穩(wěn)定性的影響，高發(fā)射率顏料用量確定為8%。

    2.1.2　消光粉用量對(duì)涂層性能影響

    圖2所示為消光粉用量對(duì)涂層光澤影響。

    從圖2可以看出，消光粉用量對(duì)涂層光澤有較大影響。隨著消光粉用量的增加，涂層光澤度先下降后穩(wěn)定在62%左右；當(dāng)消光粉用量高于8%時(shí)，涂層光澤度變化較小。因此，消光粉用量確定為8%。

    2.1.3　功能助劑用量對(duì)涂料性能影響

    圖3為功能助劑用量對(duì)涂料細(xì)度影響。

    從圖3可以看出，功能助劑用量對(duì)涂料細(xì)度有較大影響。隨著功能助劑用量的增加，涂料細(xì)度先下降后穩(wěn)定在30 μm左右；當(dāng)功能助劑用量高于6%時(shí)，涂層細(xì)度趨于一穩(wěn)定值。

    表1所示為功能助劑用量不同時(shí)，涂層真空揮發(fā)性能測(cè)試數(shù)據(jù)。

    從表1中可以看出，功能助劑用量對(duì)涂層真空揮發(fā)性有較大影響，功能助劑用量越高，制備涂層的TML和CVCM值也越高，可能是由于各類助劑中含有小分子物質(zhì)，在真空條件下?lián)]發(fā)導(dǎo)致的。當(dāng)其含量高于6%時(shí)，涂層TML值超過(guò)了航天器要求TML≤1%的要求。因此，綜合功能助劑用量對(duì)涂料細(xì)度和真空揮發(fā)性能的影響，確定功能助劑用量為6%。

    綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析，在鎂合金防腐-熱控一體化涂層面漆中，高發(fā)射率顏料用量?jī)?yōu)選8%，消光粉用量?jī)?yōu)選8%，功能助劑用量?jī)?yōu)選6%。表2給出了鎂合金防腐-熱控一體化涂層面漆的組分最佳配比。

    2.2　涂層厚度對(duì)涂層性能影響研究

    面漆涂層組分配比和均質(zhì)化工藝確定后，涂層厚度是影響涂層防腐、熱控性能非常重要的一個(gè)參數(shù)。

    在已噴涂20 μm底漆的MB2鎂合金試片表面制備不同厚度的面漆，測(cè)試涂層太陽(yáng)吸收比、半球發(fā)射率、附著力、耐沖擊性并進(jìn)行溫水72 h浸泡、NaCl溶液24 h浸泡試驗(yàn)。

    圖4所示為面漆厚度對(duì)涂層熱物理性能影響。

    從圖4可以看出，面漆涂層厚度對(duì)涂層熱物理性能有較大影響。隨著厚度的增加，涂層太陽(yáng)吸收比和半球發(fā)射率均升高，當(dāng)涂層厚度＞35 μm時(shí)，涂層αS穩(wěn)定在0.96左右；厚度＞50 μm時(shí)，εH穩(wěn)定在0.90左右。

    表3為不同面漆厚度的試片性能測(cè)試結(jié)果。

    從表3的測(cè)試結(jié)果可知，隨著面漆厚度的增加，涂層的附著力、耐溶劑性能、耐溫水浸泡性能以及耐NaCl溶液浸泡性能都逐漸提高，當(dāng)面漆厚度達(dá)到40μm后，上述性能基本穩(wěn)定。綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)面漆厚度＞50 μm后，涂層性能可滿足預(yù)期指標(biāo)要求；但為了保證涂層的最佳性能，避免涂層施工過(guò)程的不確定性，將面漆厚度控制在50～80 μm，涂層總厚度控制在70～100 μm。

    2.3　涂層性能檢測(cè)及實(shí)驗(yàn)

    本文對(duì)鎂合金防腐-熱控一體化涂層熱物理性能、防腐性能、附著力、真空放氣性、耐冷熱交變等性能進(jìn)行了檢測(cè)和實(shí)驗(yàn)，以確認(rèn)涂層的各項(xiàng)性能是否滿足航天器鎂合金材料表面的防腐、熱控需求和使用需求。

    表4為鎂合金防腐-熱控一體化涂層性能檢測(cè)結(jié)果。

    圖5為42個(gè)周期（1 008 h）的鹽霧試驗(yàn)、504 h的濕熱試驗(yàn)后MB2及ZM5支架表面涂層狀態(tài)。

    從圖5可以看出，MB2及ZM5的鎂合金支架表面涂層經(jīng)鹽霧和濕熱試驗(yàn)后，支架鎂合金基材無(wú)腐蝕，表面熱控涂層無(wú)起泡、無(wú)脫落、無(wú)開(kāi)裂。

    從表4及圖5可以看出，研制的鎂合金防腐-熱控一體化涂層的各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到了預(yù)期指標(biāo)要求，可滿足航天器鎂合金材料表面的防腐、熱控需求和使用需求。

    3　結(jié)　語(yǔ)

    （1）通過(guò)涂層組分配比研究，確定涂層組分配比中高發(fā)射率顏料用量為8%，消光粉用量為8%，功能助劑用量為6%。

    （2）通過(guò)面漆厚度對(duì)涂層性能影響研究，確定面漆厚度50～80 μm，涂層總厚度70～100 μm。

    （3）制備的涂層不僅具有高發(fā)射率（εH≥0.88）的熱控特性，同時(shí)具有耐濕熱≥504 h、耐中性鹽霧腐蝕≥1 000 h的防腐性能，另外，涂層真空放氣性、耐冷熱交變性能滿足空間環(huán)境下使用要求。

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