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塗層複合材料綜述
 
1.複合材料簡介
 
複合材料是指由兩種或者兩種以上的具有不同物理、化學性質的材料,以微觀或宏觀等不同的結構尺度與層次,經過複雜的空間組合而形成的一個材料系統。從人類發展初期的稻草增強粘土,到已經使用百年的鋼筋混凝土,再到目前廣泛應用的玻璃鋼制品,複合材料已經深入到凯时k66国际平台开户 生活的各個細節。隨著科技的發展,對材料的要求越來越高、越來越多,越來越嚴,單一的材料已經不能滿足産品性能的要求,于是越來越多的複合材料被開發出來。複合材料的發展,大大的拓寬了材料的種類和應用,爲材料科學的發展注入了新的活力。
 
複合材料的分類:按照基體材料分類,可以分爲金屬基複合材料,聚合物基複合材料,陶瓷基複合材料,碳基複合材料、水泥基複合材料等;按照增強材料的形態,可以分爲纖維狀分散相複合材料,顆粒狀分散相複合材料和片狀分散相複合材料;按照材料作用,可以分爲結構複合材料和功能複合材料。
 
本文主要針對複合材料中的塗層複合材料進行探討。
 
2.塗層複合材料介紹
 
塗層複合材料是通過在基體材料表面制作塗層,通過塗層賦予基體種種特性的材料;w可以爲金屬(如鋁合金,銅材料等),也可以爲聚合物材料(如PI薄膜,PA注塑件等)。該材料屬于片狀分散複合材料,即塗層與基體爲可見的兩層片狀,界面上通過化學鍵或範德華力粘結在一起。塗層複合材料屬于功能複合材料,具體的功能主要依據塗層的特性。目前主要的功能塗層有:電磁功能塗層(防腐、電氣絕緣、電磁波屏蔽、隱身、導電、電磁波吸收),熱功能塗層(防火、阻燃、保溫、耐熱、示溫),光學功能塗層(發光、熒光、太陽光選擇吸收、循環反射),機械功能塗層(可粘貼,玻璃防破損、可剝離、彈性、潤滑、防滑、消音防振、耐碎落等),界面功能塗層(防結露、防貼紙、防冰雪凍結等),生物功能塗層(防黴、船體防汙等)等。塗層厚度依據具體功能要求而定,可以從1um-10mm。塗布方式有:浸漬、手工刷塗,噴塗(靜電噴塗和高壓噴塗),刮刀刮塗等。
 
3.塗層複合材料特性介紹
 
3.1電磁功能塗層
 
防腐塗層是根據電化學腐蝕原理,在基體(金屬、水泥或木材等)表面塗布一層保護作用的塗層。該塗層除了需具備一般油漆的技術性(如幹性、粘度、細度、沖擊、附著力和柔韌性等)之外,還需具備防腐專業的特殊要求。塗層的防腐功能在于塗層的屏蔽作用、電阻效應、濕附著力、化學鈍化及陰極保護作用等。一般的防腐塗層分爲三層,分別爲底層,中間層和表層。底層通過添加抗鏽劑(富鋅材料),抗滲劑防止生鏽的形成和發展,中間層和表層賦予基材外觀特性。塗層厚度200um左右。
 
電氣絕緣塗層
 
電氣絕緣塗層主要应用在电线和电气设备,起绝缘和;ぷ饔,分为涂覆表面型和填充绝缘空隙型。涂覆表面层主要使用涂料类材料,以聚氨酯体系,环氧体系,PI为主。以PI为主料的绝缘涂层绝缘等级能达到F级和H级。填充绝缘型则使用绝缘材料对材料进行填充,E级或以下要求,用聚酯薄膜涂布后缠绕成型,F级或以上,用PI薄膜或PI涂布有机硅压敏胶缠绕。
 
電磁波屏蔽塗層和導電塗層
 
電磁波和靜電幹擾會導致電視畫面混亂,收音機産生雜音、計算機運算失誤,甚至導致機器人殺人的重大事故;強電磁波發射源的電磁輻射,對環境和操作人員亦會造成巨大傷害,因此需要進行適當的電磁屏蔽和靜電屏蔽。通過電磁波屏蔽材料,反射電磁波,能有效避免電磁波的幹擾。電子和電器設備在過去一般使用金屬外殼進行屏蔽,但是現在隨著塑料材料的大量使用,電磁幹擾問題日益突出。往材料內部填充導電成分和在材料表面貼覆導電塗層,是避免電磁波幹擾的主要解決方案。而材料內部填充導電成分後,往往會對材料的機械性能造成影響,因此,在材料表面貼覆導電塗層是最有效的方法,F有導電塗層的做法分爲:直接塗布導電塗料和貼合導電膠帶兩種。前者是將混有導電粉末(如金屬粉末,金屬氧化物,石墨碳及表面鍍覆金屬或碳的各種有機或無機粉末)的塗料塗覆在材料表面。導電膠帶主要以金屬箔背導電膠,以及使用導電粒子改性膠水制成膠帶。如3M的導電膠帶(5000、6000、7000系列)。導電膠帶由于易施工,穩定,逐漸開始在電子行業推廣應用,但是膠帶的粘結強度和穩定性還需要再提高。
 
電磁波吸收塗層
 
電磁波吸收塗層材料是通过吸收电磁波辐射能量使电磁波衰减而达到防止电磁干扰的材料。高层建筑物反射的电磁波会使电视广播的接收信号受到干扰,产生所谓的重象;在船舶行驶到大型桥梁附近时,船上雷达也会产生重象,影响船舶在夜间或浓雾时的航行安全;飞机飞行时机上雷达会产生同样的问题。为防止高层建筑物、桥梁、船舶、飞机等反射电磁波,可在其上涂覆电磁波吸收涂料。现有工艺为使用电磁波吸收涂料进行喷涂。电磁吸收材料为铁系(铁粉,铁氧体,多晶铁纤维等)、碳系(石墨、乙炔炭黑、碳纤维管,碳纳米管等)、陶瓷系、等离子体以及手性吸波材料等。吸波涂层需配合EMI涂层,才能达到理想的效果。
 
隱身塗層
 
隐身技术主要运用于军事领域,是指在一定侦测环境中,控制和降低目标的可识别特征信号,使其在一定范围内难以被发现、识别和被攻击。现阶段主要针对雷达和红外探测技术,其中针对雷达的隐身技术从二战到现在,经过60多年的发展,已趋于成熟,针对红外探测是技术和激光探测技术将是未来的发展方向。和電磁波吸收塗層类似,隱身塗層的成型工艺主要为涂覆型和结构型,为达到较好的吸波效果,往往在一个产品中,两者兼而有之。针对可见光的隐身技术,迷彩是简单的方式,二战时灯具隐身技术,而目前,薄荧光板、发光聚合物板和闪烁蒙皮已经能使飞机隐形了。
 
磁性塗層
 
廣泛用于錄音帶、錄像帶、計算機軟磁盤、各種信用卡、火車票和定期乘車券上,此外,還有電子照相劃線用漆料和印刷電路、集成電路用塗料。前者是用環氧樹脂配合光導電性氧化鋅而制成預塗底漆;後者是采用電泳塗裝技術與感光性樹脂技術的印刷電路板用紫外線固化電泳光刻膠。
 
3.2熱功能塗層
 
耐熱塗層
 
用于工業設備的管道、反應器、工業和家庭用焚燒爐,火爐蓋板、煙囪內壁、熱交換器、渦輪增壓器、汽車和摩托車等的排氣系統。主要使用塗覆成型,原料分有機類和無機類兩種,有機類有矽樹脂系、氟系和聚酞亞胺系;無機類有堿性金屬鹽系,酸式鹽系、矽溶膠系和金屬醇鹽系。
 
阻燃防火塗層
 
阻燃防火塗料屬于特種功能材料。將性能優良的防火塗料塗覆于基材表面,常態下發揮裝飾、防腐,防繡、延長使用壽命等作用;火災發生時,通過功能化作用控制基體溫升,延緩建築垮塌時間,爲人員、財産疏散和消防滅火贏得時間。更重要的,防火阻燃材料能阻止火焰的傳播,控制火勢的發展,對基體結構起到有效的保護作用。
 
示溫塗層
 
示溫塗料這是一種在特定溫度下會發生顔色變化的塗料。示溫塗料分爲顔色變化可逆性和不可逆性兩大類 ?赡嫘允緶貕T料采用無機變色顔料,利用晶型轉變原理變色,在一定的溫度範圍內可以使用多次。而不可逆性示溫塗料采用CO、Ni、Fe、Cu、Cr、Mn、Pb等的鹽類作顔料,這類不可逆性示溫塗料適用于記錄化學反應器等裝置不能測定的溫度,以及不能用眼來觀察控制溫度變化的部位。廣泛運用于難以測量表面溫度的地方,如化學工業的氣化爐,石油工業的裂解爐,航空、航天工業發動機中等。
 
保溫塗層
 
保溫塗層通过在产品表面喷涂保温材料而形成保温层,现有使用PVC和PU发泡材料喷涂在材料表面而制作保温层的工艺。
 
3.3光學功能塗層
 
發光塗層
 
發光塗層是利用光学功能涂料在材料表面制作的涂层,采用荧光物质作颜料,荧光物质受到短波长辐射、电子束等照射时可将辐射能转变为可见光能。该涂料大致可分为夜光涂料和荧光涂料。
 
太陽光選擇吸收塗層
 
太陽光選擇吸收塗層主要是用于吸收太阳能集热器,这类涂料能形成0.3一2.5nm波长光的吸收率大、红外(波长在3.0nm以上)辐射率小的涂膜。这类涂料是将具有半导体性质的颜料,如CuO,Co2O4,PbS,NiS等分散在丙烯酸类树脂(高透明性树脂)清漆中而制成,并将其涂覆在铝、铜、镍、不锈钢等红外光反射率大的金属表面,或是镀有这些金属的塑料表面,从而形成一层薄薄的涂膜。当膜厚增大时,光的选择性吸收率接近于一般的黑色涂料。
 
循環反射塗層
 
循環反射塗層是一类利用微玻璃珠的循环反射(光波经折射和反射后重新折向光源方向)性质的制作而成,它可用作道路标志和标牌涂饰,用以反射汽车头灯的光,以保证夜间或雨天的交通行车安全,也可涂覆于防护墙、电线杆、路缘石等混凝土面和栏杆、桥墩、广告牌等金属表面。
 
3.4機械功能塗層
 
可粘結塗層
 
可粘結塗層赋予材料粘结性能,使材料的实际使用性大大增强。典型的是涂覆上压敏胶或者热熔胶,使产品能按照要求贴合到所需材料上。
 
防破損塗層
 
主要塗布在玻璃等易碎材料的表面,形成有彈性的膜,使玻璃在破碎時,碎屑不至于飛濺傷人。
 
可剝離塗層
 
用于貨品在運輸途中暫時防止受到損傷、生鏽、變色的塗料,它形成的塗層在貨品轉到使用者手中後可以剝離下來,多用于不鏽鋼制品和各種電鍍制品的塗裝。
 
彈性塗層
 
多用于建築物的混凝土外牆上,以防止龜裂和防水滲透,如防水塗層是由合成高分子聚合物、高分子聚合物與瀝青、高分子聚合物與水泥爲主要成膜物質,加入各種助劑、改性材料、填充材料等加工制成的溶劑型、水乳型或粉末型的塗料,經塗覆而成。該塗料塗刷在建築物的屋頂、地下室、衛生間、浴室和外牆等需要進行防水處理的基層表面上,可在常溫條件下形成連續的、整體的、具有一定厚度的塗料防水層防腐塗料除具備一般油漆的技術性如幹性、粘度、細度、沖擊、附著力、柔韌性等還要具備防腐專業的特殊要求。
 
潤滑塗層
 
潤滑塗層按其用途可分为两类:(1)对于要求短时间内有高润滑性供金属冷塑性加工用的涂层;(2)涂布于要求长期稳定润滑性的金属或塑料滑动件表面,兼有防腐蚀;ぷ饔。前者用作不锈钢丝冷拉和不锈钢管拉拔时的润滑涂膜,后者用于高性能小型精密机械,如照相机等。此外,还用于低成本的轻质塑料制品。
 
防滑塗層
 
防滑塗層具有很高的摩擦力,可用于道路、桥面、船甲板,大楼走廊和室内地板等简易滑跌处,还可以涂覆于螺钉,螺栓,绳索等表面,以防止松弛或滑动
 
消音減震塗層
 
消音防振塗層用于各種機械,以達到抑制、防止和緩沖機械運動産生的振動,吸收、衰減和隔絕機械運動産生的噪音,其作用原理是將振動的能量轉化成熱能等其它形式的能量,從而起到消聲防振的效果。它除了消音防振外,還有防鏽、絕熱、防止結露、抗磨損、抗化學品腐蝕等多種功能。
 
3.5界面功能塗層
 
防結露塗層
 
防結露塗層用建筑物的天花板、地下室、机械等表面温度可能与气温相差较大而易于凝结水珠的部位。绝热涂层和消音防振涂层较厚时也有很好的防结露作用 ?盏骰屠淦璞赋R蚰崴鹇辽⑷绕母础⒔崧恫⒉胍,可涂布亲水性薄膜来防止结露。
 
防貼紙塗層
 
在城市街道两旁墙壁,电线杆等处经常张贴许多广告和宣传海报,有损于市容的整洁,在这些地方做上防貼紙塗層(主要是地表面能的聚合物)能使广告难于张贴,即使暂时贴上也很容易自然脱落。
 
防冰凍雨雪塗層
 
防冰雪凍結塗層用于預防飛機因結冰而墜毀,船舶上部積雪過重會翻沈,電氣機車車體和導電弓結冰會引起行車故障等意外事故。這類塗料有聚酯系塗料、改性苯乙烯一丁二烯共聚樹脂塗料、有機聚矽氧烷與聚碳酸酯共聚物塗料、氟樹脂系塗料、有機聚矽氧烷與特殊金屬化合物組成的複合材料以及化學反應性矽橡膠等。
 
3.6生物功能塗層
 
防黴塗層
 
防黴塗層主要是为了保持清洁和美观,楼房壁橱、厨房、浴室、地下室、食品加工厂,烟厂都需制作防黴塗層。在收录机、音箱等音响设备内繁殖霉菌会影响音质,电气、电子设备、通讯设备也会因发霉绝缘不良而发生故障。建筑物外部也会滋生霉菌,因而也需涂防黴塗層。防霉涂料是在乙烯基树脂、丙烯酸树脂等漆料中加人百分之几的防霉剂(杀菌剂)制成的,有溶剂可溶性乳胶型、水溶性等多种产品。防霉剂的种类很多,有偏硼酸钡等无机盐类,季铁盐系,苯并咪哇系、苯并唾哇系等。
 
防汙塗層
 
防汙塗層是防止在船底和海洋工程结构上附着藤壶、贻贝、海鞘等海生动物和石药、绿紫菜、昆布等海藻植物而制作的涂层,其作用都是在涂膜表面逐渐溶解释出少量防污剂,防止这些海洋生物附着。传统的防污剂除氧化亚铜外,还有三苯基锡和三丁基锡聚合物。近年来发现有机锡系防污剂有危害海洋生态环境的问题,所以现在有机锡系防污剂只使用在渔网防污等有限的范围,并逐渐推广有机硅系和氟树脂系防污剂。
 
4.塗層複合材料加工方式
 
手工刷塗/輥塗
 
適用于異型件表面,成本低操作方便。對于成分較穩定的塗層原料可以使用。
 
缺點:1.操作環境較差;2.産品均勻性較差;3.效率較低
 
高壓噴塗/靜電噴塗
 
目前主要的成型方式,複合牢度高,操作便利,自動化程度高
 
缺點:設備投入較大,對于軟質不導電材料難以成型。
 
刮刀刮塗
 
適用于膜狀平整表面,塗布厚度均勻
 
缺點:對于過厚産品或者異形件,無法成型。
 
5.塗層複合材料發展趨勢
 
多功能協同
 
功能塗層的效果往往是協同的,一個電磁屏蔽塗層往往也帶有一定的電磁吸收效果,而爲了確保塗層的穩定性和使用效果,往往需要在電磁屏蔽塗層外再添加一個保護塗層,而這個保護塗層需能很好的透過電磁波,而被吸收。因此,後續一個塗層具有多種功能,是後續的發展趨勢。
 
輕薄化
 
由于塗層是附著在材料表面的一層材料,因此需要在滿足顧客要求的條件下,盡量可能的減少塗層的厚度和重量。尤其是應用在航空,航天領域,輕量化能節約極大成本。
 
集成化
 
將功能塗層集成在單元塊上,然後單元塊按照需要在産品表面組裝,或者直接貼附載材料表面,使用方便,迅捷。目前在EMI/EMC上已經廣泛使用,隨著研究的深入,越來越多的産品將會被研發出來。

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