航空透明件導電膜用納米耐磨保護涂層研究

2014-10-14 哈恩華 北京航空材料研究院

  采用磁控濺射法在涂覆有底涂層的有機玻璃上制備氧化銦錫薄膜,并將光固化納米復合涂層涂覆薄膜表面,測試了納米復合涂層的分散性和體積收縮率以及導電膜系的耐高低溫性能、硬度和耐磨性等性能。結果表明,經過硅烷偶聯劑處理的納米二氧化硅粒子在涂層中具有很好的分散性;納米復合涂層的體積收縮率比未添加納米粒子的基體樣品降低52%;導電膜的表面涂覆該涂層后當納米含量SiO2為5%( 質量分數) 時,其硬度可達到3H,耐磨性提高了67%。

  飛機有機玻璃座艙透明件作為重要的功能件,在其內表面鍍制透明導電膜,從而起到電磁屏蔽的作用。目前透明導電膜主要有金屬膜系、透明導電氧化物膜系、高分子膜系、復合膜系等。而在有機玻璃等柔性襯底上使用的透明導電膜研究較多的為透明導電氧化物薄膜氧化銦錫( ITO) 、氧化鋅鋁( ZAO) 和氧化鈦鋅( TZO) 等,本研究透明導電氧化薄膜是采用磁控濺射方法鍍制的ITO 膜。為保證ITO 膜在高溫高濕、溫差變化以及化學介質等環境中穩定存在,并且具有較高的耐磨和耐刮傷性,有機玻璃透明件鍍制ITO 膜后還需涂覆保護涂層,而作為保護涂層,真空技術網(http://bjjyhsfdc.com/)認為需要和底涂層、導電膜共同作用才能實現整體膜系的功能化要求。因此,本文以紫外光固化樹脂為有機相,采用溶膠- 凝膠法制備出納米SiO2為無機相,研制出與有機玻璃飛機透明件導電膜匹配的耐磨保護涂層。

1、實驗部分

  1.1、實驗原料

  ITO 靶,純度≥99. 9%;正硅酸乙酯( TEOS) ,分析純;無水乙醇,分析純;鹽酸,分析純;脂肪族聚氨酯丙烯酸酯;三羥甲基丙烷三丙烯酸酯( TMPTA) ;Darocur1173,化學純;硅烷偶聯劑甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷( MEMO) ,化學純。

  1.2、導電膜的鍍制

  將帶有底涂層的有機玻璃試樣放入具有圓柱靶材的真空室,抽真空,采用磁控濺射方式進行ITO 膜沉積,濺射室內陰極直流電源輸入功率為3 kK,Ar流量為250 mL /min ( 標準狀態) ,O2流量為30mL /min,工作真空度為2. 0 × 10 -1 Pa,鍍制時間為8min。試樣鍍制完畢后采用流涂的方法進行涂覆。

  1.3、二氧化硅硅溶膠的制備

  將一定量的TEOS、無水乙醇加入到裝有滴液漏斗的三口燒瓶中,在50℃并攪拌的條件下滴加用酸化過的無水乙醇與去離子水的混合液,滴完后繼續反應12 h。加入一定量的硅烷偶聯劑甲基丙烯酰氧基丙基三甲基硅烷( MEMO) ,在50℃溫度下繼續攪拌反應6 h 將得到改性SiO2溶膠,然后在50℃的真空條件下干燥,除去小分子乙醇和水。溶膠-凝膠法制備納米SiO2溶膠用硅烷偶聯劑MEMO 改性示意圖如圖1 所示。

納米SiO2粒子的表面改性示意圖

圖1 納米SiO2粒子的表面改性示意圖

  1.4、光固化納米復合涂層的制備

  采用光固化的脂肪族聚氨酯丙烯酸酯( PUA)為主料,三羥甲基丙烷三丙烯酸酯( TMPTA) 為活性稀釋劑,MEMO 為偶聯劑,TEOS 為無機前軀體,Darocur1173 為光引發劑的體系,通過溶膠-凝膠法制備光固化納米復合涂層。有機相經UV 固化得到有機交聯網絡,通過與硅烷偶聯劑MEMO 同TEOS 水解所形成的無機網絡溶膠相結合,最終形成無機網絡與有機網絡通過共價鍵連接的雜化材料( 如下式) 。

無機網絡與有機網絡通過共價鍵連接的雜化材料

  用分光光度計UV-Vis-NIR5000 測試納米復合涂層的透光率;用Hitachi H-800 型電子透射電鏡( TEM) 觀察納米SiO2分散情況;涂層的附著力按照ASTM D3359-02 標準測試;霧度按標準GB2410 進行測試;涂層硬度按照GB /T6739 測試;耐磨性采用一定量的石英砂磨料在試樣表面( 100 mm × 100mm) 按規定沖程作相對運動造成表面損傷,用實驗前后試樣的霧度變化表示。

2、結論

  (1) 經過分光光度計測試納米SiO2含量為10%光固化耐磨涂層的透光率達到90% 以上,透射電鏡觀察結果表明納米SiO2分散均勻,說明光固化納米復合體系穩定,相容性好。

  (2) 有機玻璃試樣鍍制導電膜并涂覆光固化納米耐磨涂層后,其硬度由H 提高到3H,當納米SiO2含量為5%時,納米復合涂層的體積收縮率比未添加納米粒子的基體樣品降低52%,光固化涂層經高低溫沖擊后與導電膜的附著力為5B,耐磨性能比未涂覆光固化納米耐磨涂層的鍍制導電膜的有機玻璃最高提高了67%。