一种耐冲蚀防覆冰复合涂层及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开一种耐冲蚀防覆冰复合涂层及其制备方法与应用，耐冲蚀防覆冰复合涂层包括：金属膜层，位于基材表面；金属氮化物膜层，位于所述金属膜层之上；硅氧玻璃膜层，位于所述金属氮化物膜层之上；以及疏水层，位于所述金属氮化物膜层之上。本发明专利技术复合涂层具有优良的耐冲蚀性能，在冲击和磨损环境下工作寿命长，同时具备突出的疏水性能，在低温工作环境下可达到明显的防覆冰效果。

【技术实现步骤摘要】
一种耐冲蚀防覆冰复合涂层及其制备方法与应用
本专利技术涉及采用物理气相沉积法进行表面改性的领域，特别是在金属基材表面制备耐冲蚀防覆冰复合涂层的方法、所得到的复合涂层、复合涂层的应用。
技术介绍
当飞机以小于某一临界马赫的亚音速在结冰气象条件下飞行时，某些部件的迎风表面会因大气中的水滴撞击、积聚而结冰。例如飞机风速管可以实时监测飞机的多项飞行数据，但是飞行器在高空中面临十分复杂的工作环境，很多飞行事故都是由于在低温环境下结冰导致风速管失灵，无法准确判断飞行参数，给国家和人民带来巨大的经济损失和安全威胁。近年来，防覆冰领域成为热门的前沿研究领域。目前防覆冰的研究热点在于材料表面的防覆冰性能研究，疏水材料是一种具有自清洁效果的材料，表面具有较大接触角和较小的滚动角，水滴难以停留在疏水表面。采用疏水涂层的风速管可以有效防覆冰，使水滴易于脱落，减小风速管表面结冰速度和结冰量，延长风速管的使用寿命。但是，飞机在高速飞行的过程中，受到频繁强烈的冲击，会严重影响风速管表面膜层的质量，从而影响膜层的寿命。CN107061193A公开了一种多层结构复合的防冰除冰系统及其组装方法，由双稳态复合材料层及通过耐热胶贴覆于双稳态复合材料层上、下表面的防水层和电热合金层构成；双稳态复合结构层由至少一层环氧树脂层和铺设在环氧树脂层内部的碳纤维构成，防水层包括金属基底和超疏水结构层。该专利技术通过将防水层、双稳态复合材料层和电热合金层结合成一个整体，从而形成一个多层结构复合功能的、高效的防冰除冰系统，具有防水、防覆冰特性，在通电后可产生电热并发生形变，起到快速除冰、排水的效果，并在短时间内可有效预防二次覆冰的发生，可根据不同应用领域而做出相应调整，如飞机螺旋桨、风力发电机和汽车部件等。该复合结构通过耐热胶贴进行结合，虽然可在一定程度上起到防覆冰效果，但是耐侵蚀性有待提高。CN105032731A公开了一种超疏水涂层与加热涂层复合的节能防除冰涂层制备方法，其是在超疏水涂层基础上增加了新型的加热涂层，将超疏水涂层防冰技术和热防冰技术结合，其中超疏水涂层是将商用气相二氧化硅用氟硅烷改性，再与树脂按适当比例混合，同时加入导热颗粒。其制备方法为在基材上喷涂隔热涂层，在隔热涂层上喷涂具有导热性能的防水保护涂层，然后再喷涂疏水涂料。同样，该专利技术虽然可以起到加热和疏水除冰的作用，但是其各层间的结合强度有待提高，在飞行器高速飞行频繁强烈的冲击下，涂层寿命受到很大的威胁。因此，需要开发一种耐冲蚀且防覆冰效果较好的用于飞行器零部件的复合膜层，以提高飞行器零部件工作过程中的可靠性。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种耐冲蚀防覆冰复合涂层及其制备方法与应用，以克服现有技术中涂层防覆冰效果差以及抗冲蚀性能差的缺陷。为了达到上述目的，本专利技术提供了一种耐冲蚀防覆冰复合涂层，该复合涂层包括：金属膜层，位于基材表面；金属氮化物膜层，位于所述金属膜层之上；硅氧玻璃膜层，具有多孔结构，位于所述金属氮化物膜层之上；以及疏水层，位于所述硅氧玻璃膜层之上。本专利技术所述的耐冲蚀防覆冰复合涂层，其中，所述金属膜层优选为Cr或Ti金属膜层，所述金属氮化物膜层优选为Cr或Ti金属氮化物膜层。本专利技术所述的耐冲蚀防覆冰复合涂层，其中，所述硅氧玻璃膜层为微纳米级具有多孔结构的硅氧玻璃膜层，所述硅氧玻璃膜层的材质优选自氧化硅、氧化钠和氧化硼中的一种或几种。本专利技术所述的耐冲蚀防覆冰复合涂层，其中，以所述硅氧玻璃膜层的总质量为基准，所述硅氧玻璃膜层的材质优选为62wt％～75wt％的氧化硅、7wt％～12wt％的氧化钠和13wt％～31wt％的氧化硼。本专利技术所述的耐冲蚀防覆冰复合涂层，其中，所述疏水层优选为含氟聚合物类、有机硅类、氟硅聚合物类和高级脂肪酸类有机涂层中的一种或几种。本专利技术所述的耐冲蚀防覆冰复合涂层，其中，所述金属膜层的厚度优选为100～500nm，所述金属氮化物膜层的厚度优选为500～1000nm，所述硅氧玻璃膜层的厚度优选为2000～6000nm，所述疏水层的厚度优选为1000～2000nm。为了达到上述目的，本专利技术还提供了一种耐冲蚀防覆冰复合涂层的制备方法，该制备方法包括如下步骤：S1，采用磁过滤阴极真空弧源在基材表面沉积金属膜层；S2，采用磁过滤阴极真空弧源在通入氮气的条件下，在金属膜层上沉积金属氮化物膜层；S3，采用真空射频磁控溅射技术，以硼硅酸盐玻璃为靶材进行溅射，在金属氮化物膜层上沉积硅氧玻璃膜层；以及S4，对硅氧玻璃膜层进行修饰，得到疏水层。本专利技术所述的耐冲蚀防覆冰复合涂层的制备方法，其中优选的是，S3中还包括对硅氧玻璃膜层热处理以进行调幅分解的步骤，以及对条幅分解后的玻璃膜层进行酸洗刻蚀的步骤。本专利技术所述的耐冲蚀防覆冰复合涂层的制备方法，其中，S1中所述金属膜层优选为Cr或Ti金属膜层，S2中所述金属氮化物膜层优选为Cr或Ti金属氮化物膜层。本专利技术所述的耐冲蚀防覆冰复合涂层的制备方法，其中，S1中采用磁过滤阴极真空弧源沉积的工艺条件优选为：阴极弧流控制在70～90A，沉积负偏压控制在100～800V，占空比维持为70～90％，沉积时间为0.5～1小时。本专利技术所述的耐冲蚀防覆冰复合涂层的制备方法，其中，S2中采用磁过滤阴极真空弧源沉积的工艺条件优选为：氮气流量控制为50～70sccm，真空室的真空度维持在1.3×10-2～1.6×10-2Pa，沉积负偏压控制在100～300V，占空比维持为70～90％，沉积时间为1～2小时。本专利技术所述的耐冲蚀防覆冰复合涂层的制备方法，其中，S3中采用真空射频磁控溅射技术进行溅射的工艺条件优选为：采用的硼硅酸盐玻璃靶材成分为62wt％～75wt％的氧化硅、7wt％～12wt％的氧化钠和13wt％～31wt％的氧化硼，射频电源的功率为300～350W，沉积时间为100～600min。本专利技术所述的耐冲蚀防覆冰复合涂层的制备方法，其中，所述热处理以进行调幅分解的工艺条件优选为：热处理温度550～700℃，热处理时间为1～24h，升温速度为3～5℃/min；所述酸洗刻蚀为将条幅分解后的基材放入浓度为0.1～2wt％的氢氟酸溶液中，加热至60～90℃，超声处理10～30min。本专利技术所述的耐冲蚀防覆冰复合涂层的制备方法，其中，S4中对硅氧玻璃膜层进行修饰的方法优选为：将沉积了硅氧玻璃膜层的基材浸泡于硅烷偶联剂的溶液中0.5～2h，然后在80～120℃加热10～30min，得到疏水层；所述硅烷偶联剂为有机硅氧烷类偶联剂。本专利技术所述的耐冲蚀防覆冰复合涂层的制备方法，其中，S4中对硅氧玻璃膜层进行修饰的方法优选为：将对硅氧玻璃膜层进行酸洗刻蚀后的基材浸泡于硅烷偶联剂的溶液中0.5～2h，然后在80～120℃加热10～30min，得到疏水层；所述硅烷偶联剂为有机硅氧烷类偶联剂。为了达到上述目的，本专利技术尚提供了一种飞机部件，该飞机部件上涂有上述的耐冲蚀防覆冰复合涂层。本专利技术的有益效果：本专利技术采用磁过滤阴极真空弧放电技术、真空射频磁控溅射技术和玻璃分相刻蚀技术制备的复合涂层可在提高金属材料表面疏水性能的同时提高材料耐冲蚀性能，在高速和低温环境下使用寿命长，具有经济价值和安全价值。附图说明图1为本专利技术复合涂层的示意图。图2为本专利技术一实施例的复合涂层的制备方本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种耐冲蚀防覆冰复合涂层，其特征在于，该复合涂层包括：金属膜层，位于基材表面；金属氮化物膜层，位于所述金属膜层之上；硅氧玻璃膜层，具有多孔结构，位于所述金属氮化物膜层之上；以及疏水层，位于所述硅氧玻璃膜层之上。

【技术特征摘要】
1.一种耐冲蚀防覆冰复合涂层，其特征在于，该复合涂层包括：金属膜层，位于基材表面；金属氮化物膜层，位于所述金属膜层之上；硅氧玻璃膜层，具有多孔结构，位于所述金属氮化物膜层之上；以及疏水层，位于所述硅氧玻璃膜层之上。2.根据权利要求1所述的耐冲蚀防覆冰复合涂层，其特征在于，所述金属膜层为Cr或Ti金属膜层，所述金属氮化物膜层为Cr或Ti金属氮化物膜层。3.根据权利要求1所述的耐冲蚀防覆冰复合涂层，其特征在于，所述硅氧玻璃膜层材质选自氧化硅、氧化钠和氧化硼中的一种或几种。4.根据权利要求3所述的耐冲蚀防覆冰复合涂层，其特征在于，以所述硅氧玻璃膜层的总质量为基准，所述硅氧玻璃膜层的材质为62wt％～75wt％的氧化硅、7wt％～12wt％的氧化钠和13wt％～31wt％的氧化硼。5.根据权利要求1所述的耐冲蚀防覆冰复合涂层，其特征在于，所述疏水层为含氟聚合物类、有机硅类、氟硅聚合物类和高级脂肪酸类有机涂层中的一种或几种。6.根据权利要求1所述的耐冲蚀防覆冰复合涂层，其特征在于，所述金属膜层的厚度为100～500nm，所述金属氮化物膜层的厚度为500～1000nm，所述硅氧玻璃膜层的厚度为2000～6000nm，所述疏水层的厚度为1000～2000nm。7.一种耐冲蚀防覆冰复合涂层的制备方法，其特征在于，该制备方法包括如下步骤：S1，采用磁过滤阴极真空弧源在基材表面沉积金属膜层；S2，采用磁过滤阴极真空弧源在通入氮气的条件下，在金属膜层上沉积金属氮化物膜层；S3，采用真空射频磁控溅射技术，以硼硅酸盐玻璃为靶材进行溅射，在金属氮化物膜层上沉积硅氧玻璃膜层；以及S4，对硅氧玻璃膜层进行修饰，得到疏水层。8.根据权利要求7所述的耐冲蚀防覆冰复合涂层的制备方法，其特征在于，S3中还包括对硅氧玻璃膜层热处理以进行调幅分解的步骤，以及对条幅分解后的玻璃膜层进行酸洗刻蚀的步骤。9.根据权利要求7所述的耐冲蚀防覆冰复合涂层的制备方法，其特征在于，S1中所述金属膜层为Cr或Ti金属膜层，S2中所述金属氮化物膜层为Cr或Ti金属氮化物膜层。10.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：王冉，邱维维，张昕，
申请(专利权)人：北京机械工业自动化研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11