CN108841311B - 一种稀土掺杂纳米氧化铝粉体红外隐身涂层 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种稀土掺杂纳米氧化铝粉体红外隐身涂层，采用AlCl_3·6H₂O、ErCl₃和Na₂CO₃以2.5~4∶0.025~0.038∶5的摩尔比，通过直接沉淀法制备粒径在20~50 nm范围的稀土掺杂纳米Al₂O₃粉体；再利用硅烷偶联剂KH570对稀土掺杂纳米Al₂O₃粉体进行改性，其中KH570的用量是稀土掺杂纳米Al₂O₃粉体质量的6%~12%；将改性稀土掺杂纳米Al₂O₃粉体按1 g/mL的比例分散于无水乙醇中，并与聚氨酯混合后再喷涂于铝基片上，后经固化得到稀土掺杂纳米Al₂O₃粉体红外隐身涂层，其中稀土掺杂纳米Al₂O₃与聚氨酯的质量比为1~2∶3。本发明制备工艺简便，红外隐身涂层密度小、红外反射率低、透明度高，具有良好的物理、机械和化学性能。

Description

一种稀土掺杂纳米氧化铝粉体红外隐身涂层

技术领域

本发明一种稀土掺杂纳米氧化铝粉体红外隐身涂层涉及红外电磁波的屏蔽与吸收材料，具体属于红外隐身材料技术领域。

背景技术

红外隐身技术是指改变目标的红外辐射特征，降低目标被红外探测器发现概率的一种手段。它包含两方面的内容：一是减弱目标的红外辐射强度，使之低于红外探测器的灵敏度，以达到对探测器隐身的目的；二是改变目标的红外辐射频率范围，避开大气红外窗口，或通过控制目标各部分的红外辐射强度，降低目标与背景的对比度，达到红外图形迷彩的效果。所以红外隐身材料应具有以下特征:(1)符合要求的红外发射率，(2)良好的热稳定性和基料的结合性，(3)多频段兼容性好，结构简单，轻便坚固。所以根据纳米金属氧化物红外隐身材料的颗粒尺寸远小于红外波的波长，对红外波的透过率比常规材料要强得多，大大减少波的反射率；同时其比表面积比块状固体大得多，呈现特殊的表面效应和体积效应，颗粒的电子状态发生变化，使得材料的红外光发射率显著降低。当红外光入射到纳米颗粒的表面时，一部分由于分子的能级跃迁吸收而衰弱，另一部分散射后又与其他颗粒进行作用，光在颗粒间产生多次散射而强度衰弱。同时纳米金属氧化物是一种极性分子，介电常数和介电损耗都相对较大，对红外电磁波有良好的吸收，能获得较低的红外发射率。因此在红外探测技术的快速发展的如今，纳米金属氧化物红外隐身材料的研究日益被重视。

公开(公告)号CN106634514A名为一种空心氧化铝陶瓷微球改性聚氨酯材料及其制备方法，经超声、磁力搅拌、水热、热处理等步骤制备出空心氧化铝陶瓷微球改性聚氨酯材料，虽在具有高强度、低热导、耐磨性好等优点。从其制备流程及产物性能表明，较大的氧化铝微球粒径0.1～5μm，导致功能性填料氧化铝微球在聚氨酯中分散不均。同时无机氧化铝陶瓷微球未做改性与高分子材料聚氨酯不能良好相容，导致两物质之间存在缝隙，表面粘结不良，从而导致应力集中而引起界面破坏，且制备过程较为繁琐。

本发明是以纳米Al₂O₃粉体作为填料，聚氨酯作为基体而制备的具有优异低红外发射率的隐身涂层。稀土掺杂纳米Al₂O₃粉体对红外电磁波有良好的吸收，能有效降低复合涂层的红外发射率，提高稀土掺杂纳米Al₂O₃粉体在基体中含量时，可显著降低红外发射率。但是当一味提高稀土掺杂纳米Al₂O₃粉体在基体中的含量时，虽然红外发射率降低，但是此时涂层对其他的频率的电磁波隐身效果会变得较差，尤其是雷达波的吸收；其中稀土元素Er的掺杂使得Al₂O₃晶体产生了更多的缺陷，部分稀土金属Er原子代替了Al₂O₃晶格中的铝的位置，引起了更多的晶格畸变，生成了更小的晶粒，提高表面能，提高红外膜的内能，改善了Al₂O₃涂层的红外发射性能。同时依据发射率是物体本身的热物性之一，其数值变化仅与物体的种类、性质和表面状态的有关理论，本发明选用硅烷偶联剂KH570对稀土掺杂纳米Al₂O₃粉体进行改性，增加Al₂O₃粉体与聚氨酯界面结合程度，提高了Al₂O₃粉体分散时的均匀性和填充量，提高材料的表面性能和Al₂O₃粉体与基体的相容性，降低整体涂层材料的极性，有利于降低涂层材料红外发射率。

本发明通过技术创新，得到硅烷偶联剂KH570对Al₂O₃粉体改性的最佳条件、稀土金属Er的最佳掺杂含量和探索出合适的Al₂O₃粉体与聚氨酯的质量比，从而得到以稀土掺杂纳米Al₂O₃粉体为单一无机填料的红外隐身涂层材料，红外发射率符合红外隐身材料要求，且涂层表现出优越的力学性能和隔热性能，耐腐蚀性能明显提高，技术效果显著。利用IR-2双波段发射率测试仪测得稀土掺杂纳米Al₂O₃粉体红外隐身涂层的红外发射率在3～5μm波段为0.47～0.52，8～14μm波段为0.35～0.42，性能比现有的Al₂O₃红外隐身材料更加优异。

本发明解决了以稀土掺杂纳米Al₂O₃粉体为单一无机填料制备出性能优良的红外隐身涂层材料，同时通过KH570改善了纳米Al₂O₃粉体在聚氨酯中分散不均，相容性差，且因应力集中而引起界面破坏等缺点，提高了整体涂层材料的性能。

发明内容

本发明针对现有红外隐身材料存在的密度大、红外发射率高、宽频吸收困难等不足，本发明公开了一种稀土掺杂纳米氧化铝粉体红外隐身涂层。本发明稀土掺杂纳米氧化铝粉体红外隐身涂层的制备工艺简单，红外发射率低，机械性能好。

本发明一种稀土掺杂纳米氧化铝粉体红外隐身涂层的制备步骤如下：

步骤1：制备稀土掺杂纳米Al₂O₃粉体

控制AlCl₃·6H₂O、ErCl₃与Na₂CO₃的摩尔比为2.5～4∶0.025～0.038∶5，把Na₂CO₃溶液以1-2mL/min的速度滴加到AlCl₃·6H₂O与ErCl₃的溶液中，在40℃水浴下机械搅拌生成沉淀，反应30min后，停止搅拌陈化20min；产物经真空抽滤，再用去离子水洗至无氯离子后进行微波干燥，得到的前驱体经研磨后，再在500-700℃下锻烧1.5～2h，得到稀土掺杂纳米Al₂O₃粉体；

步骤2：制备改性稀土掺杂纳米Al₂O₃粉体

按1g/4mL的比例，将稀土掺杂纳米Al₂O₃粉体加入无水乙醇中，用超声波分散均匀后，添加稀土掺杂纳米Al₂O₃粉体质量6％～12％的硅烷偶联剂KH570，并于50℃的恒温水浴下搅拌1h；其后改性混合液经砂芯漏斗抽滤，微波干燥3-6min后再进行研磨，得到改性稀土掺杂纳米Al₂O₃粉体；

步骤3：涂层的制备

控制改性稀土掺杂纳米Al₂O₃粉体与聚氨酯的质量比为1～2∶3；采用超声波分散法，将改性稀土掺杂纳米Al₂O₃粉体按照1g/mL的比例分散于无水乙醇中，搅拌5min后加入聚氨酯，再高速搅拌分散1h后，得到改性稀土掺杂纳米Al₂O₃的聚氨酯涂料；将铝基片用乙醇清洗干净，并固定在喷涂板上，然后将改性稀土掺杂纳米Al₂O₃的聚氨酯涂料喷涂在铝基片上，后经固化得到稀土掺杂纳米氧化铝粉体红外隐身涂层。

所述的稀土掺杂纳米氧化铝粉体红外隐身涂层的厚度为20～50μm。

所述的稀土掺杂纳米氧化铝粉体红外隐身涂层的红外发射率3～5μm：0.47～0.52，8～14μm：0.35～0.42。

本发明的有益效果：本发明纳米Al₂O₃粉体平均粒径在20～50nm，同时Al₂O₃金属氧化物是一种极性分子，介电常数和介电损耗都相对较大，而稀土掺杂纳米状Al₂O₃金属氧化物的介电常数比块材的介电常数要大几倍，从而稀土掺杂纳米Al₂O₃粉体对红外电磁波有良好的吸收，能有效地降低复合材料的红外发射率。稀土金属Er的掺杂使得Al₂O₃晶体产生了更多的缺陷，引起了更多的晶格畸变，提高了纳米Al₂O₃粉体内能。再利用硅烷偶联剂KH570对制备的稀土掺杂Al₂O₃粉体进行改性，在Al₂O₃粉体表面引入了亲油基团，使得Al₂O₃粉体转为亲油颗粒，从而增加Al₂O₃粉体与聚氨酯界面结合程度，增加了Al₂O₃粉体分散时的均匀性和填充量，使得Al₂O₃粉体更好地与基体相容，改善了整体复合材料的性能。同时以聚氨酯为粘合剂，可使涂层表现出优越的力学性能，耐腐蚀性能明显提高。利用IR-2双波段发射率测试仪测得稀土掺杂纳米Al₂O₃粉体红外隐身涂层红外发射率在3～5μm波段为0.47～0.52，8～14μm波段为0.35～0.42，性能比现有的Al₂O₃红外隐身材料更加优异。本发明制作工艺简便，红外隐身涂层具有红外发射率低、机械性能好、耐腐蚀等优点，在红外隐身材料方面具有很强的实用价值，具有喷涂均匀，质量好，缺陷少，厚度可控等优点。

具体实施方式

实施例1

⑴配置1mmol/mLAlCl₃·6H₂O溶液、0.1mmol/mLErCl₃溶液与1mmol/mLNa₂CO₃溶液。

(2)量取25mL的AlCl₃溶液和2.5mLErCl₃溶液放入一烧杯，置于40℃水浴加热。

(3)量取50mL的Na₂CO₃溶液于另一烧杯中，同样置于40℃水浴加热。

(4)把Na₂CO₃溶液以1mL/min速度加入AlCl₃·6H₂O溶液，机械搅拌生成沉淀，反应30min后，停止搅拌，使其陈化20min。

(5)反应结束后，经真空抽滤机抽滤，用去离子水洗的方式，洗涤至无氯离子。

(6)把沉淀物用经优化的微波干燥工艺进行干燥。干燥后的前驱体经研磨后，放入坩埚，置于马弗炉中，在500℃下锻烧1.5h，得稀土Er掺杂Al₂O₃粉体。

(7)称取5g稀土掺杂纳米Al₂O₃粉体于烧杯中，添加20mL无水乙醇于其中。

(8)用超声波发生器将其分散均匀，添加稀土Er掺杂Al₂O₃粉体质量的10％的硅烷偶连剂KH570，将其转移入三角烧瓶中，置于50℃的恒温水浴中，搅拌1h。

(9)取出反应液，用砂芯漏斗抽滤，微波干燥5min，所得产品稍稍研磨得改性稀土掺杂纳米氧化铝粉体。

(10)先采用超声波分散法将3g的改性稀土掺杂纳米氧化铝粉体分散于3ml的无水乙醇中，搅拌5分钟，然后加入6g聚氨酯，再经高速搅拌分散1h，最后进行喷涂操作。

(11)喷涂前先将45×45mm²规格铝基片用乙醇清洗干净固定在喷涂板上，然后将涂料喷涂在铝基片上，经固化得到稀土掺杂纳米氧化铝粉体聚氨酯涂层。利用IR-2双波段发射率测试仪测得红外发射率：3～5μm波段为0.49，在8～14μm波段为0.40。

实施例2

(1)配置1mmol/mLAlCl₃·6H₂O溶液、0.1mmol/mLErCl₃溶液与1mmol/mLNa₂CO₃溶液。

(2)量取30mL的AlCl₃溶液和2.8mLErCl₃溶液放入一烧杯，置于40℃水浴加热。

(3)量取50mL的Na₂CO₃溶液于另一烧杯中，同样置于40℃水浴加热。

(4)把Na₂CO₃溶液以2mL/min速度加入AlCl₃·6H₂O溶液，机械搅拌生成沉淀，反应30min后，停止搅拌，使其陈化20min。

(5)反应结束后，经真空抽滤机抽滤，用去离子水洗的方式，洗涤至无氯离子。

(6)把沉淀物用经优化的微波干燥工艺进行干燥。干燥后的前驱体经研磨后，放入坩埚，置于马弗炉中，在700℃下锻烧1.5h，得稀土Er掺杂Al₂O₃粉体。

(7)称取5g稀土Er掺杂纳米Al₂O₃粉体于烧杯中，添加20mL无水乙醇于其中。

(8)用超声波发生器将其分散均匀，添加稀土Er掺杂Al₂O₃粉体质量的8％的硅烷偶连剂KH570，将其转移入三角烧瓶中，置于50℃的恒温水浴中，搅拌1h。

(9)取出反应液，用砂芯漏斗抽滤，微波干燥5min，所得产品稍稍研磨得改性稀土掺杂纳米氧化铝粉体。

(10)先采用超声波分散法将4g的改性稀土掺杂纳米氧化铝粉体分散于4ml的无水乙醇中，搅拌5分钟，然后加入6g聚氨酯，再经高速搅拌分散1h，最后进行喷涂操作。

(11)喷涂前先将45×45mm²规格铝基片用乙醇清洗干净固定在喷涂板上，然后将涂料喷涂在铝基片上，经固化得到稀土掺杂纳米氧化铝粉体聚氨酯涂层。

利用IR-2双波段发射率测试仪测得红外发射率：3～5μm波段为0.47，在8～14μm波段为0.35。

注：本专利是由国家科学基金资助项目(21264011)和航空基金(2014ZF56020)资助。

Claims (3)

1.一种稀土掺杂纳米氧化铝粉体红外隐身涂层，其特征在于：所述的红外隐身涂层的制备步骤如下：

步骤1：制备稀土掺杂纳米Al₂O₃粉体

控制AlCl₃·6H₂O、ErCl₃与Na₂CO₃的摩尔比为2.5～4∶0.025～0.038∶5，把Na₂CO₃溶液以1-2mL/min的速度滴加到AlCl₃·6H₂O与ErCl₃的溶液中，在40℃水浴下机械搅拌生成沉淀，反应30min后，停止搅拌陈化20min；产物经真空抽滤，再用去离子水洗至无氯离子后进行微波干燥，得到的前驱体经研磨后，再在500-700℃下锻烧1.5～2h，得到稀土掺杂纳米Al₂O₃粉体；

步骤2：制备改性稀土掺杂纳米Al₂O₃粉体

按1g/4mL的比例，将稀土掺杂纳米Al₂O₃粉体加入无水乙醇中，用超声波分散均匀后，添加稀土掺杂纳米Al₂O₃粉体质量6％～12％的硅烷偶联剂KH570，并于50℃恒温水浴下搅拌1h；其后改性混合液经砂芯漏斗抽滤，微波干燥3-6min后再进行研磨，得到改性稀土掺杂纳米Al₂O₃粉体；

步骤3：涂层的制备

控制改性稀土掺杂纳米Al₂O₃粉体与聚氨酯的质量比为1～2∶3；采用超声波分散法，将改性稀土掺杂纳米Al₂O₃粉体按照1g/mL的比例分散于无水乙醇中，搅拌5min后加入聚氨酯，再高速搅拌分散1h后，得到改性稀土掺杂纳米Al₂O₃的聚氨酯涂料；将铝基片用乙醇清洗干净，并固定在喷涂板上，然后将改性稀土掺杂纳米Al₂O₃的聚氨酯涂料喷涂在铝基片上，后经固化得到稀土掺杂纳米氧化铝粉体红外隐身涂层。

2.根据权利要求1所述的一种稀土掺杂纳米氧化铝粉体红外隐身涂层，其特征在于：所述的稀土掺杂纳米氧化铝粉体红外隐身涂层的厚度为20～50μm。

3.根据权利要求1所述的一种稀土掺杂纳米氧化铝粉体红外隐身涂层，其特征在于：所述的稀土掺杂纳米氧化铝粉体红外隐身涂层的红外发射率3～5μm：0.47～0.52，8～14μm：0.35～0.42。