耐温型1.06µm近红外吸收涂层的制备及性能表征

张伟钢，黄 萍，薛连海，陈玉萍，徐国跃



耐温型1.06µm近红外吸收涂层的制备及性能表征

张伟钢1，黄 萍1，薛连海1，陈玉萍1，徐国跃2

（1.滁州学院 材料与化学工程学院，安徽 滁州 239000；2.南京航空航天大学 材料科学与技术学院，江苏 南京 211106）

以Sm2O3为颜料，环氧改性有机硅为粘合剂，采用喷涂法制备了环氧改性有机硅/Sm2O3复合涂层。系统研究了热处理温度及热处理时间对所制备涂层微结构、近红外吸收性能及力学性能的影响。结果表明：环氧改性有机硅/Sm2O3复合涂层最高可耐受温度可达到300℃，在300℃下热处理5h后，涂层微结构保持不变，对1.06mm近红外光的反射率可低至47.7%，涂层的硬度可达到4H，附着力2级，耐冲击强度40kg×cm。所制备涂层在250℃下可长时间使用，在250℃下热处理100h后，涂层微结构仍然保持不变，对1.06mm近红外光的反射率可低至49.7%，涂层的硬度、附着力和耐冲击强度可分别保持在4 H、2级和40kg×cm。

复合涂层；环氧改性有机硅；Sm2O3；近红外吸收；耐温性能

0 引言

近年来，随着各种先进激光制导武器的快速发展，严重威胁了各类飞行器的战地生存能力。因此，可实现目标激光隐身的激光隐身材料受到了众多学者的广泛关注[1-4]。其中1.06mm波长是各类激光制导武器的主要工作波长，因此，现有的激光隐身材料主要是针对1.06mm波长的近红外吸收材料。迄今为止报道最多的近红外吸收材料主要指含钐、铈、镧等稀土元素的稀土化合物。稀土化合物由于稀土离子特殊的能带结构使其具有突出的光、电、磁性能，并被公认为是一类在激光隐身领域具有广阔应用前景的近红外吸收材料[5-8]。其中以稀土氧化物的综合性能最为突出，但目前主要集中于粉体材料的研究[9-11]。而具有制备工艺简单、使用方便、不受目标外形结构限制等突出工程应用优势的1.06mm近红外吸收涂层方面的研究极少[12,13]，有关耐温型1.06mm近红外吸收涂层方面的研究目前还未见报道。而各类飞行器在飞行过程中由于热动、气动加热而使其表面具有较高温度，因此对在飞行器表面使用的1.06mm近红外吸收涂层提出了明确的耐高温要求。鉴于此，开展耐温型1.06mm近红外吸收涂层的研究对于此类激光隐身材料在各类飞行器上的使用具有重要的现实意义。

Sm2O3作为一种稀土氧化物，由于Sm3＋特殊的能级结构而使其可在近红外波段产生强吸收峰，有望作1.06mm近红外吸收剂使用[9,14]。环氧改性有机硅树脂具有大量的无机硅氧键和活性环氧官能团，无机硅氧键的存在可使其具有突出的耐高温性能[15]；活性环氧官能团的存在可增强树脂基体与填料及树脂基体与基板间的结合强度，从而可增强涂层的力学性能[16]。由此可知，以环氧改性有机硅树脂为基体，Sm2O3为功能颜料所制备的复合涂层有望在具备优良的1.06mm近红外吸收性能的同时具备良好的耐温性能和力学性能。

为此，本文以Sm2O3为功能颜料，以环氧改性有机硅为黏合剂，制备得到环氧改性有机硅/Sm2O3复合涂层，并对涂层的耐温性能进行了系统研究。

1 实验方法

1.1 样品制备

Sm2O3粉体（纯度为99.9%()）和环氧改性有机硅（液态，固含量为60%()）均购自南京斯帝尔涂料有限公司，所有样品均直接使用，未经预处理。

采用马口铁板（12cm×5cm, 厚度为0.3mm）作为基板，制备涂层前首先进行基板预处理：砂纸打磨→水洗→化学除油→水洗→烘干备用。随后将环氧改性有机硅及Sm2O3按质量比为6:4混合，添加适量稀释剂二甲苯调节涂料粘度，采用涂料分散机高速搅拌分散30min后再超声振荡分散10min。最后采用喷涂法将涂料涂覆于基板上，先在常温下干燥24h，再在180℃下烘干2h后进行耐温性能分析。通过控制涂料用量来控制涂层厚度在50～60mm。

1.2 样品表征

分别采用JSM-6510 LV型扫描电镜和UV-3600型UV-VIS-NIR分光光度计表征涂层的微结构和涂层在800～1200nm波段范围内的反射光谱。按GB/T 6739-2006所述方法测试涂层的铅笔硬度，按ASTMD 3359所述划格法测试涂层的附着力，按GB/T 1732-93所述方法采用QCJ冲击强度测试仪表征涂层的耐冲击强度。

2 结果与讨论

2.1 热处理温度对涂层性能的影响

图1所示为环氧改性有机硅/Sm2O3复合涂层经不同温度热处理5h后的SEM照片。可见经300℃热处理后涂层表面仍然非常规整，没有出现开裂、起泡等结构缺陷，表明涂层的微结构在300℃下具有良好的热稳定性。另外，从图中可清晰地观察到Sm2O3颗粒在涂层中的分散较为均匀，这有利于涂层表现出良好的近红外吸收性能。

图2所示为环氧改性有机硅/Sm2O3复合涂层经不同温度热处理5h后的近红外反射光谱。可见在1095nm波长处存在一强吸收峰，该吸收峰是由Sm3+从基态6H5/2到激发态6F9/2的电子跃迁过程产生的[9]。上述吸收峰的存在有利于涂层大大降低对1.06 μm近红外光的反射率，从而可实现涂层的激光隐身。经300℃热处理后涂层对1095nm吸收峰的强度和位置没有发生明显改变，表明涂层的近红外吸收性能在300℃下具有良好的热稳定性。相应的涂层对1.06 μm近红外光的反射率如表1所示，可见经300℃热处理后涂层对1.06 μm近红外光的反射率同样没有发生明显改变，其反射率值可低至47.7%，可表现出良好的功能特性。

图1 环氧改性有机硅/Sm2O3复合涂层经不同温度热处理5h后的SEM照片。(a)未处理；(b)300℃

图2 环氧改性有机硅/Sm2O3复合涂层经不同温度热处理5h后的近红外反射光谱

表1 环氧改性有机硅/Sm2O3复合涂层经不同温度热处理5h后对1.06mm近红外光的反射率

涂层经不同温度热处理5h后的力学性能测试结果如表2所示，可见经300℃热处理后涂层的力学性能有所变化，其硬度、附着力和耐冲击强度分别从2H、1级和50kg×cm转变为4H、2级和40kg×cm。其原因主要在于涂层经300℃热处理5h后，涂层粘合剂和填料间的交联固化更加彻底，涂层硬度明显增大，导致涂层脆性有所增加，最终使涂层的附着力和耐冲击强度略有降低，但涂层总体力学性能仍然处于较高水平，可满足实际工程应用要求。

表2 环氧改性有机硅/Sm2O3复合涂层经不同温度热处理5 h 后的力学性能

由上述可知，环氧改性有机硅/Sm2O3复合涂层在300℃热处理条件下，其近红外吸收性能保持完好，力学性能仍然可处于较高水平，可见该涂层最高可耐受温度可达300℃。

2.2 热处理时间对涂层性能的影响

为研究环氧改性有机硅/Sm2O3复合涂层在较高温度热处理条件下的长时效效应，我们设定涂层的热处理温度为250℃，在此条件下系统研究热处理时间对涂层性能的影响。图3所示为环氧改性有机硅/Sm2O3复合涂层在250℃下经不同时间热处理后的SEM照片，可见涂层经100h热处理后微观形貌没有任何改变，表面仍然较为规整，没有出现微孔、裂纹等微观结构缺陷。

图4所示为环氧改性有机硅/Sm2O3复合涂层在250℃下经不同时间热处理后的近红外反射光谱。可见在250℃下涂层经100h热处理后对1095 nm吸收峰的强度和位置仍然没有发生明显改变，表明涂层的近红外吸收性能在250℃下具有良好的长时效热稳定性。相应的涂层对1.06mm近红外光的反射率如表3所示，可见在250℃下涂层经不同时间热处理后对1.06mm近红外光的反射率同样没有发生明显改变，其反射率值只是在46.8%～49.7%小范围内略有波动，可表现出良好的长时效功能特性。

图3 环氧改性有机硅/Sm2O3复合涂层在250℃下经不同时间热处理后的SEM照片。(a)未处理；(b)60h；(c)100h

涂层在250℃下经不同时间热处理后的力学性能测试结果如表4所示，可见经20h热处理后涂层的硬度、附着力和耐冲击强度分别从2H、1级和50 kg×cm转变为4H、2级和40kg×cm，继续增加热处理时间，力学性能保持不变。其中硬度的增加，附着力和耐冲击强度的降低同样是由于涂层经热处理后交联固化更加彻底所致。

图4 环氧改性有机硅/Sm2O3复合涂层在250℃下经不同时间热处理后的近红外反射光谱

表3 环氧改性有机硅/Sm2O3复合涂层在250℃下经不同时间热处理后对1.06mm近红外光的反射率

由上述可知，环氧改性有机硅/Sm2O3复合涂层在250℃下经过100h的长时间热处理后，其近红外吸收性能保持完好，力学性能仍然可处于较高水平，可见该涂层在250℃下具有良好的长时效稳定性，可在该温度下长时间使用。

3 结论

以Sm2O3为颜料，环氧改性有机硅为粘合剂所制备的环氧改性有机硅/Sm2O3复合涂层具备良好的近红外吸收性能和耐温性能。所制备涂层最高可耐受温度可达到300℃，该温度下热处理5 h后，涂层微结构保持不变，1.06mm近红外光反射率可低至47.7%，涂层的硬度、附着力和耐冲击强度等力学性能分别可达到4H、2级和40kg×cm。所制备涂层在250℃下可长时间使用，该温度下热处理100h后，涂层微结构仍然保持不变，1.06mm近红外光反射率可低至49.7%，涂层的硬度、附着力和耐冲击强度等力学性能可分别保持在4H、2级和40kg×cm。上述结果表明环氧改性有机硅/Sm2O3复合涂层有望成为一种新型的同时具备良好力学性能和耐温性能的1.06mm近红外吸收涂层材料。

表4 环氧改性有机硅/Sm2O3复合涂层在250℃下经不同时间热处理后的力学性能

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Preparation and Property Characterization of Heat-resistant 1.06 µm Near-infrared Absorption Composite Coatings

ZHANG Weigang1，HUANG Ping1，XUE Lianhai1，CHEN Yuping1，XU Guoyue2

(1.,,239000,;2.,,211106,)

Epoxy-modified silicone/Sm2O3composite coatings were prepared by using Sm2O3powders and epoxy-modified silicone as pigments and adhesives, respectively. The effect of heat treatment temperature and heat treatment time on the microstructure, near-infrared absorption properties, and mechanical properties of the as-prepared coatings were systematically studied. The results indicate that the maximum withstand temperature of epoxy-modified silicone/Sm2O3composite coatings can reach 300℃. After heat treatment at 300℃ with 5h, the microstructure of the coatings remain unchanged, the near-infrared reflectivity at 1.06µm can be as low as 47.7%, and the hardness, adhesion strength, and impact strength of the coatings can reach 4H, 2 grade, and 40 kg×cm, respectively. The prepared coatings can be used long-term at 250℃, after heat treatment at 250℃ with 100h, the microstructure of the coatings remain unchanged, the near-infrared reflectivity at 1.06mm can be as low as 49.7%, the hardness, adhesion strength, and impact strength of the coatings can be maintained at 4H, 2 grade, and 40kg×cm, respectively.

composite coatings，epoxy-modified silicone，Sm2O3， near-infrared absorption，heat resistance

TN213

A

1001-8891(2016)09-0788-05

2016-01-22；

2016-05-07.

张伟钢（1982-），男，博士，主要从事红外隐身材料方面的研究。

国家自然科学基金（51173079）；安徽省高校自然科学研究重点项目（KJ2016A535）；安徽省教学质量工程项目（20101035，2013tszy034）；滁州学院科研项目（2015PY02）；滁州学院科研启动基金项目（2015qd15）。