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高輻射耐熱涂層的研制,闡述了一種具有高輻射和耐高溫性能的涂層
2020年02月21日    閱讀量:486    新聞來源:中國建材網 cnprofit.com  |  投稿

張建賢, 鄒永軍, 陳國敦, 徐 蕾, 卿鳳翎 (中科院上海有機化學研究所, 200032)


0 引 言

火車在運行過程中, 車輪與鐵軌相互摩擦, 產生的熱量易使車軸系統的局部溫度升高, 從而降低車軸系統材料的剛性和彈性, 尤其是火車大提速后, 更易造成列車運行的安全事故。所以, 鐵路軸溫的檢測對于火車的安全運行至關重要。而鐵路紅外線軸溫探測系統(如HBDS 型設備等) 的成功研制及應用, 大大降低了鐵路運輸事故的隱患中國建材網cnprofit.com。本文所研制的高輻射耐熱涂層是一種具有高輻射率 的耐熱保護涂料, 它具有良好的熱輻射率( εn = 0.95 )和耐高溫( 300℃ )的性能, 主要應用于鐵路軸溫的檢測系統,以提高紅外線軸溫探測系統的紅外熱量的輔出度, 更好地探測車軸發熱產生的紅外線輻射信號。涂層的耐熱指標: 耐溫300 ℃ , 長期工作溫度在- 45~ 200℃ 之間; 熱輻射率: εn = 0.95。

 

1 實驗部分

1. 1 涂層的制備

1. 1. 1 涂料制備

分別采用環氧樹脂( X1)、有機氟樹脂( X2)、常用有機硅樹脂( X3) 及自制的有機硅樹脂( X4) 作為涂層的粘接劑, 加入耐高溫填料, 相應地配制成涂料X1、X2、X3及X4。

1. 1. 2 噴涂

以工業氮氣為氣源, 噴涂氣壓為3~ 4 kg /cm2, 將配制好的涂料X1、X2、X3和X4噴涂在底材為LY -12的鋁合金試片上( 40mm x 40mm ) , 得到涂層X1、X2、X3和X4。

1. 1. 3 固化

將所得涂層在40~ 50℃ 烘烤3~ 4 h; 然后在80~ 100℃ 烘烤8 h。

1. 2 涂層的溫度測試實驗

由于紅外線軸溫探測系統大多置于野外環境, 自然環境溫差變化大, 且考慮到火車運行時車軸系統產生的高溫, 一般要求涂層的工作溫度范圍在- 45 ~200℃ 之間。本文采用2 種方案來測試涂層的耐溫

范圍。

1. 2. 1 耐溫性能

將涂層試片( X1、X2、X3 及X4) 置于烘箱內, 依次分別在150 ℃ 、200 ℃ 、250 ℃ 、300℃ 保持2 h, 觀察涂層的表面狀態, 簡單地測定涂層所能承受的溫度, 實驗結果見表1。

高輻射耐熱涂層的研制,闡述了一種具有高輻射和耐高溫性能的涂層 中國建材網,cnprofit.com

涂層的耐溫性能及其熱輻射率( 353K )數據

1. 2. 2 耐溫變性能

將涂層試片( X1、X2、X3 及X4 ) 在- 100 ~100 ℃ 進行冷熱交變試驗100 次, 平均溫變速率20 ℃ /m in, 觀察涂層的表面狀態, 涂層無開裂、剝落。


1. 3 涂層熱輻射性能的測試

涂層熱輻射性能是衡量涂層的重要性能指標; 通常通過輻射計原理 來測量涂層的熱輻射率( εn ) ,以衡量涂層表面熱輻射性能。所謂輻射計原理, 即測出待測試件發射的輻射能, 與處于相同溫度的黑體或已知發射率的標準試件發射的輻射能相比較而得出的發射率(適合于高溫下發射率的測定)。


熱輻射率( εn )的測量, 即用同一輻射接收器, 在相同條件下接收待測樣品表面和黑體(標準表面)的熱輻射之比。測量裝置如圖1所示, 圖中1、2、3分別代表待測樣品表面、恒溫冷壁及探測器(熱電堆)的吸收表面, 2、3表面發黑(接近黑體) , 冷表面2 與探測器冷端保持恒定溫度T2, 而待測表面加熱至T1, 由此組成封閉輻射換熱系統。

熱輻射率測量裝置原理圖

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試片的熱輻射率( εn )的測定 : 熱輻射測量裝置由樣品腔、黑體腔和感受腔組成。將預先準備好的涂層試片放入樣品腔, 測試時樣品腔和黑體腔分別對準感受腔, 然后分別讀出熱電堆的輸出信號<s、<o, 按式εn= <s /<o計算得出試片的熱輻射( εn )。上述配制的黑色涂層( X1、X2、X3及X4)的熱輻射率( εn )值見表1。

 

2 結果與討論

2. 1 不同高分子材料的耐高溫性能

有機高分子材料本身的結構決定了其耐高溫的能力。當溫度高到一定程度時, 有機高分子便會分解, 但是不同的有機高分子材料的耐高溫性能卻大相徑庭。一般環氧樹脂不到200℃ 便會自動分解, 而有機硅樹脂的分解溫度為300 ℃ 左右。


有機硅樹脂以( - S i- O- )為主鏈, 其耐熱性強于一般聚合物中的( - C- C- ) 鍵, 若受高溫氧化后形成交聯度更高更加穩定的( - S i- O-Si- )鍵, 亦能在有機硅高聚物表面形成保護層以防止其主鏈的降解。


有機硅鋁粉涂料之所以能在500℃ 以上長期耐熱, 原因就是其高溫氧化后形成(- S i- O- A l- )硅酸鹽。所以, 目前市場上耐熱涂料多以有機硅樹脂為原料。有機氟涂料生產工藝較復雜。在具體的實驗中,本文主要選擇有機硅樹脂為耐熱涂層的膠粘劑。


2. 2 不同高分子材料的εn值

據文獻記載 , 大多數不同結構的高分子材料其熱輻射率在0.8~ 0.9 之間。在本文的實驗中, 也作了這方面的數據測定 。將一些常用的樹脂(如環氧樹脂、有機硅樹脂、有機氟樹脂等)分別配成清漆, 噴涂在底材為LY- 12的鋁合金試片上( 40mm x40 mm) , 涂層的厚度控制在100~ 200 um, 充分固化后測其熱輻射率值(見表2)。


若僅考慮高分子材料的耐高溫性能和熱輻射性能, 有機硅樹脂和有機氟樹脂不失為一種好選擇。

不同高分子材料的En ( 353 K)值

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2. 3 測試溫度對εn的影響

發射率與溫度的關系對金屬和非金屬來說是不一樣的。傳統理論認為, 金屬的發射率較低, 并隨溫度上升而增加, 若表面形成氧化層, 則發射率可以十倍或更大倍數增加; 而非金屬的發射率較高, 并隨溫度的增大而減小。


也有些學者[ 7] 認為, 任何物體的半球全發射率均將隨溫度的升高而下降。本文通過對不同樹脂的清漆試片測試在327 K和353 K 時εn值的比較, 驗證測試溫度對涂層εn的影響。實驗數據(見表3)表明, 同一涂層(清漆)在353 K 時的εn與327 K 時略有差異, 但考慮到熱輻射率測試儀器本身的系統誤差, 我們認為涂層在不同的測試溫度下的εn并無明顯變化。

高輻射耐熱涂層的研制,闡述了一種具有高輻射和耐高溫性能的涂層 中國建材網,cnprofit.com

不同測試溫度的En值


2. 4 顏填料對涂層εn的影響

作為耐熱涂料的顏填料, 首先要有耐熱性, 即高溫受熱時不變色、其結構不被破壞; 其次, 這些顏填料不影響作為涂層膠粘劑的樹脂的穩定性, 亦不降低其熱老化性能。本文研究了顏填料的顏色和含量對涂層εn的影響。


實驗采用自制的有機硅樹脂, 分別選用不同顏色的耐高溫顏填料( ZnO、S iO2、C r2 O3、MnO2、炭黑、鋁粉及鋁粉漿等)配制而成涂層, 測試數據表明其εn值也不盡相同。實驗結果表明(見表4) , 黑色涂層較其他顏色涂層有著更高的輻射率。同樣, 涂層中顏填料的含量對其熱輻射率εn有著顯著的影響, 且影響程度各不相同。


鋁粉漿含量對灰漆的熱輻射率的影響如圖2所示。從圖中可以看出涂層的εn值隨著鋁粉漿的含量的增加而降低, 最終涂層的εn維持在0.30左右, 說明了顏填料的含量對調節涂層εn值的重要性。


不同顏色的顏填料對涂層En 的影響

鋁粉漿含量與涂層熱輻射率En的關系

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2. 5 涂層厚度對涂層εn的影響

在實驗中, 制備了不同厚度的黑色涂層( X4) , 觀察涂層的厚度對εn的影響。實驗表明(見表5) , 涂層厚度達到40 um 以上, 涂層的εn值基本維持在0.95~ 0.96之間。

涂層( X4)厚度對涂層En的影響

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3 結 論

綜上所述, 本文所提出的涂層不僅具有良好的耐溫性能( - 100~ 300℃ ) , 且具有輻射率高, 制備工藝簡單的特點。其在提高儀器的紅外熱源輔出度方面效果明顯, 在鐵路軸溫測量儀器以及在熱流計方面已得到應用。本文所闡述的運用紅外線特性探測系統檢測涂層耐溫性有著廣泛的應用前景, 亦可用于其他對耐高溫、高輻射率有特殊要求的設備。


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