仿生多层级结构的抗冲击复合涂层及其制备方法与应用技术

本发明专利技术属于抗冲击涂料相关技术领域，其公开了一种仿生多层级结构的抗冲击复合涂层及其制备方法与应用，所述抗冲击复合涂层为仿生结构，其包括交替设置的柔性聚合物层及刚性陶瓷纳米颗粒层；所述柔性聚合物层的层数为n+1，所述刚性陶瓷纳米颗粒层的层数为n，n为大于1的正整数。本发明专利技术针对目前防护涂层材料硬度、韧性和抗冲击性能很难兼顾的问题而提出的，从而制备得到高陶瓷粒子含量、高硬度、抗冲击、抗穿刺涂层，该涂层拥有明显优于传统聚氨酯、聚脲等有机涂层和碳纤维复合材料的抗冲击性能和硬度，并且质量和体积与之相当，可广泛应用于高尖端武器装备表面的防御等。于高尖端武器装备表面的防御等。于高尖端武器装备表面的防御等。

【技术实现步骤摘要】
仿生多层级结构的抗冲击复合涂层及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于抗冲击涂料相关
，更具体地，涉及一种仿生多层级结构的抗冲击复合涂层及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]抗冲击涂层能够有效地抵御冲击载荷和吸收冲击能量，保护基材免受外界冲击、碰撞、挤压和穿刺等不利因素的侵害，在各个工程领域广泛应用，范围辐射日常生活和军事科技等方面。在日常生活中，抗冲击涂层主要用于建筑和汽车等领域，例如玻璃窗和建筑外表面，提高其抵御风压和抗冲击的能力，同时用于汽车车身和侧面护板等部件，减轻事故对车辆结构的破坏。而在军事科技领域，抗冲击涂层更是一项不可或缺的关键技术，广泛应用于各类武器装备表面，如坦克、船舶和飞机等，以减轻其受外界武器攻击所带来的损害，确保武器装备的安全性和可靠性。此外，它还被广泛用于风力发电机叶片、航空发动机叶片和船舶螺旋桨等高速运转部件，能够有效地减缓来自环境中沙石等因素的持续冲撞，降低提前失效破裂的风险，从而减少维护成本的开支。总之，抗冲击涂层的出色性能和广泛应用为工程创新和可持续发展作出了积极的贡献。
[0003]抗冲击涂层通常由多种材料组成，如聚合物和增强剂等，以实现优异的性能和效果。聚合物具有良好的粘附性和柔韧性，能够有效地吸收和分散外界冲击能量；而增强剂包括纤维材料和颗粒材料等，被添加到聚合物中增强涂层的强度和硬度。如CN 114015333 A公开了一种改性石墨烯增强的抗冲击聚脲涂层及其制备方法，该方法将改性石墨烯作为增强剂添加到聚脲基体中，使涂层具备较高的冲击强度以及韧性。近来，研究人员发现通过多层结构设计能够实现裂纹偏转、界面断裂等多种能量吸收机制，有效地提升抗冲击性能。例如，CN 112980301 A公布了一种超强防爆抗冲击复合涂层及其制备方法，该专利技术通过由柔性异氰酸酯和刚性异氰酸酯交替喷涂形成多层涂层，大幅提升材料的断裂韧性和抗冲击能量。CN 209069111U公开了一种聚氨酯防弹板，该技术通过碳化硅层和聚氨酯层重复排列形成，具有密度小、抗瞬时形变能力好的优点。
[0004]这些创新型的组成和结构实现良好的抗冲击能力，但是依然存在着涂层硬度过低的问题，特别是在高速冲击(如子弹射击等)和多次冲击的过程中，十分容易造成涂层失效。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种仿生多层级结构的抗冲击复合涂层及其制备方法与应用，其针对目前防护涂层材料硬度、韧性和抗冲击性能很难兼顾的问题而提出的，从而制备得到高陶瓷粒子含量、高硬度、抗冲击、抗穿刺涂层，该涂层拥有明显优于传统聚氨酯等有机涂层和碳纤维复合材料的抗冲击性能和硬度，并且质量和体积与之相当，可广泛应用于高尖端武器装备表面的防御等。
[0006]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种仿生多层级结构的抗冲击复合涂层，所述抗冲击复合涂层为仿生结构，其包括交替设置的柔性聚合物层及刚性陶瓷
纳米颗粒层；所述柔性聚合物层的层数为n+1，所述刚性陶瓷纳米颗粒层的层数为n，n为大于1的正整数。
[0007]进一步地，所述柔性聚合物层的厚度小于所述刚性陶瓷纳米颗粒层的厚度。
[0008]进一步地，所述柔性聚合物层的厚度及所述刚性陶瓷纳米颗粒层的厚度均为1μm～200μm；n为5～20。
[0009]本专利技术还提供了一种如上所述的仿生多层级结构的抗冲击复合涂层的制备方法，该方法包括以下步骤：所述抗冲击复合涂层是由柔性聚合物浆料和刚性陶瓷纳米颗粒浆料交替喷涂或者旋涂形成的。
[0010]进一步地，所述柔性聚合物浆料是水性聚氨酯、溶剂型聚氨酯或者聚脲。
[0011]进一步地，所述柔性聚合物浆料是40wt％～60wt％水性聚氨酯或者柔性聚脲浆料。
[0012]进一步地，刚性陶瓷纳米颗粒浆料中纳米粒子的尺寸为10nm～500nm。
[0013]进一步地，刚性陶瓷纳米颗粒浆料中纳米陶瓷颗粒的种类为氧化铝、碳化硅、二氧化硅、氧化铁、碳酸钙、磷酸钙、氮化硅、氮化钛、氮化铝、氧化锆、二氧化钛、碳化钨中的一种或者多种。
[0014]进一步地，刚性陶瓷纳米颗粒浆料中纳米陶瓷颗粒含量为60vol％～90vol％。
[0015]本专利技术还提供了一种如上所述的仿生多层级结构的抗冲击复合涂层在建筑、汽车、船舶、飞机、风力发电机中的应用。
[0016]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，本专利技术提供的仿生多层级结构的抗冲击复合涂层及其制备方法与应用主要具有以下有益效果：
[0017]1.所述抗冲击复合涂层包括多个交替设置的柔性聚合物层及刚性陶瓷纳米颗粒层，且其是仿生结构，具有优异的抗冲击特性，同时具备远高于柔性聚合物弹性体的硬度。其中，所述抗冲击复合涂层在在冲击的过程中拥有多尺度能量吸收机制，例如分子尺度氢键的断裂、纳米尺度粒子的运动碰撞和非晶化、微米尺度的裂纹偏转、宏观尺度的层间界面滑移或者脱落，大幅的提升了抗冲击性能。
[0018]2.所述抗冲击复合涂层的陶瓷颗粒含量较高，高陶瓷颗粒所带来的高硬度，大幅度提高了其抗穿刺能力，能够承受多次高速冲击，适用于各种尖端武器装备表面。
附图说明
[0019]图1是本专利技术提供的仿生多层级结构的抗冲击复合涂层的结构示意图；
[0020]图2是图1中的仿生多层级结构的抗冲击复合涂层沿A
‑
A方向的剖视图；
[0021]图3是图1中的仿生多层级结构的抗冲击复合涂层的微观结构示意图；
[0022]图4中的(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)分别是图1中的仿生多层级结构的抗冲击复合涂层在抗冲击过程中的塑性变形、剪切变形及裂纹、裂纹扩展及偏移、界面脱落、纳米粒子滑移及胶黏剂拉伸变形、挤压变形界面滑移等能量吸收方式。
[0023]在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1
‑
刚性陶瓷纳米颗粒层，2
‑
柔性聚合物层。
具体实施方式
[0024]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0025]请参阅图1、图2、图3，本专利技术提供了一种仿生多层级结构的抗冲击复合涂层，所述抗冲击复合涂层为仿生结构，其包括交替设置的柔性聚合物层2及刚性陶瓷纳米颗粒层1。所述柔性聚合物层2的层数为n+1，所述刚性陶瓷纳米颗粒层1的层数为n，n为大于1的正整数。
[0026]本实施方式中，所述柔性聚合物层2具有良好的柔韧性，能够有效的吸收外界冲击能量；且所选用柔性聚合物的粘附性非常好，容易与要保护的基材结合；刚性陶瓷纳米颗粒层1是刚性氧化铝纳米颗粒层，其是由氧化铝颗粒堆积形成，颗粒与颗粒之间通过高分子粘合剂结合，大幅的增强了涂层的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种仿生多层级结构的抗冲击复合涂层，其特征在于：所述抗冲击复合涂层为仿生结构，其包括交替设置的柔性聚合物层及刚性陶瓷纳米颗粒层；所述柔性聚合物层的层数为n+1，所述刚性陶瓷纳米颗粒层的层数为n，n为大于1的正整数。2.如权利要求1所述的仿生多层级结构的抗冲击复合涂层，其特征在于：所述柔性聚合物层的厚度小于所述刚性陶瓷纳米颗粒层的厚度。3.如权利要求1所述的仿生多层级结构的抗冲击复合涂层，其特征在于：所述柔性聚合物层的厚度及所述刚性陶瓷纳米颗粒层的厚度均为1μm～200μm；n为5～20。4.一种权利要求1
‑
3任一项所述的仿生多层级结构的抗冲击复合涂层的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：所述抗冲击复合涂层是由柔性聚合物浆料和刚性陶瓷纳米颗粒浆料交替喷涂或者旋涂形成的。5.如权利要求4所述的仿生多层级结构的抗冲击复合涂层的制备方法，其特征在于：所述柔性聚合物浆料是水性聚氨酯...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄威，钟佳明，周华民，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：