[发明专利]一种耐原子氧涂层用溶液组合物和含有该涂层的材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种耐原子氧涂层用溶液组合物和含有该涂层的材料及其制备方法，本发明属于航空航天技术领域。

背景技术

在低轨道空间环境下，原子氧的侵蚀对航天飞行器造成严重威胁，特别是对航天飞行器中所采用的有机材料损害最为严重，如最为常用的Kapton聚酰亚胺薄膜，其在低轨道环境下的寿命只有6个月左右。因此，必须对飞行器进行耐原子氧的防护。目前，对于聚酰亚胺薄膜最为常用的方法包括本体改性和施加外涂层防护。本体改性主要是通过在合成阶段引入含磷或含硅结构。如专利CN103102487A报道了采用结构中含磷的二胺单体通过原位反应制得耐原子氧聚酰亚胺。美国空军实验室则开发了结构中含POSS单元的耐原子氧聚酰亚胺以取代Kapton薄膜。但本体改性最大的问题是不能避免原子氧侵蚀造成的啃噬钻孔现象，无法形成长期有效的保护。另外，含杂原子单元的引入会影响聚酰亚胺的成膜性并最终影响薄膜力学和光学性能。

因此，一直以来，施加外涂层是国内外采用最多也最为成熟的方案。其中物理溅射和化学沉积的方法是研究时间最长，使用最多的外涂层制备手段。如专利CN 101724823报道了在Kapton基底上通过溅射制备SiO₂/PTFE复合涂层的方法，该方法可以提高涂层韧性，利于其用于柔性基底的保护。专利CN 1629225A则报道了以正硅酸乙酯、硅烷偶联剂、无机填料为主要原料，通过溶胶凝胶的机理制备耐原子氧涂层的方法。文献(H.Brandhorst,T.Isaacs-Smith,B.Wells,"coatings as replacements for solar cell cover glasses",4th International Energy Conversion Engineering Conference and Exhibit(IECEC),26-29June2006,San Diego,California,AIAA 2006-4138)报道了采用牌号为DC93-500的道康宁有机硅树脂制备耐原子氧涂层。但是，溅射方法对设备要求高，不适用于大面积施工，对于复杂几何尺寸的样件显得无能为力，且涂层与基材之间为物理结合，附着力低。而溶胶凝胶的方法由于在转化成为氧化硅过程中的体积变化较大，容易产生裂纹、孔洞等缺陷，对基材的保护作用会大大折扣。有机硅树脂涂层耐原子氧的机理是通过原子氧和涂层表面反应形成氧化硅层，进而阻止原子氧的侵蚀。但有机硅树脂通常与基材尤其是有机物基材结合力较弱，可靠性差。另外由于有机物的挥发会造成表面雾化，影响透明件的透明性。

近年来，通过液相的全氢聚硅氮烷[-(SiH₂-NH)_n-](以下简称：PHPS)转化法制备氧化硅涂层成为各国研究的热点。PHPS是一种主链为Si-N结构，侧基全为H的含硅聚合物。由于其结构中Si-H、N-H活泼，易与水、氧气反应，在较为温和的条件下即可转化为高硬度透明的氧化硅材料，同时其结构中的N-H易于与极性基底结合，附着力高。因此，PHPS被用作涂层材料得到广泛的关注，并已在半导体、光学显示、建筑、金属防护等领域取得一定应用。

胡龙飞等人(Thin Solid Film,2011,520:1063-1068)采用PHPS在Kapton薄膜上制备形成耐原子氧涂层，达到了很好的耐原子氧效果。但该方法采用在水中浸泡的工艺，不适用于大面积施工。同时，该方法中PHPS向氧化硅的转化程度较低，含有大量的氮元素，氮含量达10％以上，涂层的硬度、附着力都会受到不利的影响。更严重的是残余的氮元素和原子氧反应会生成氨气(如下式所示)，可能对飞行器造成腐蚀。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种耐原子氧涂层用溶液组合物，该组合物以PHPS为主体，配合适当的溶剂、催化剂、填料和任选的添加剂。

本发明的另一目的是提供一种采用以上组合物在基底上制备耐原子氧氧化硅涂层的方法，该方法包括上述溶液组合物的配制、涂覆步骤和固化步骤。

本发明的再一个目的是提供一种由上述方法获得的具有优异的耐原子氧性能的材料。

本发明通过如下技术方案实现：

一种耐原子氧涂层用溶液组合物，其特征在于，所述组合物包括PHPS、填料、催化剂、溶剂和任选地添加剂，其质量百分比如下：

其中，所述填料选自气相法二氧化硅、纳米氧化铝、纳米氧化硼和纳米氧化钛等氧化物填料中的一种或多种。

根据本发明，质量百分比如下：