【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及红外辐射涂层材料，具体涉及一种碳/碳复合材料表面超轻质高红外发射率涂层及其制备方法和应用。
技术介绍
1、随着航天技术的飞速发展，对空间飞行器用热管控材料提出了更为苛刻的要求，需实现耐高温、高导热、高散热以及轻量化为一体的目标。碳纤维增强的碳基复合材料(c/c复合材料)因具有低密度、高比强、高导热和优异的高温性能而成为未来高功率新型空间飞行器的重要候选材料，同时为充分发挥c/c复合材料的热管控能力，通常需在其表面制备高发射率的散热涂层，以实现其在应用过程中“边导边散”的效果。
2、基于热物理性能相匹配的原则，发展出在c/c复合材料表面制备碳质涂层，在实现高发射率的同时仍保证涂层与基体之间具有良好的界面结合。纳米碳材料因其具有较大的比表面积可以为涂层带来更多的界面，这些界面充当反射位点，提高电磁波在涂层内部的反射，增加吸收率，从而提高发射率。例如：krivchenko等人用等离子刻蚀制备了一种石墨烯纳米结构，其在0.4～2μm近红外波段的发射率高于0.99；余高杰等人用cvd法制备石墨烯涂层，由于石墨烯片层尺寸较小，且骨架状孔隙结构相对较少，仅能将1～22μm波段发射率提升至0.790；而李伟等人使用商业化球形炭黑粉末，利用压缩空气喷涂技术结合化学气相渗透工艺在复合材料表面制备了具有适当孔隙结构的纳米炭黑涂层，发射率达0.95。但是，这些常用的纳米材料大多为实心结构，而在高性能航天器领域，轻量化是发展的永恒主题，因此，如何对纳米相碳质材料进行结构设计，在获得高发射率的同时进一步减重是本领域当前急需解决的问
技术实现思路
1、针对上述
技术介绍
中存在的不足，本专利技术以具有空腔结构的碳球为基础材料，利用压缩空气喷涂技术在c/c复合材料表面制备兼具高红外发射率与超轻质的纳米碳质涂层。该涂层由于空心碳球的堆叠形成适当的孔隙结构而具有高的红外发射率，空心碳球的空腔结构在具有大的比表面积的同时减小了涂层的面密度，取得了优异的减重效益，为进一步实现空间飞行器轻量化的目标提供了重要的解决思路。
2、本专利技术第一个目的是提供一种碳/碳复合材料表面超轻质高红外发射率的涂层浆料，所述涂层浆料包括如下重量份的组分：
3、空心碳球5～8份，十二烷基苯磺酸钠0.7～1.0份，去离子水16～23份，酚醛树脂0.8～1.0份，异丙醇6006～7010份。
4、优选的，所述空心碳球的外径是150～250nm，壁厚是5～10nm，空心碳球的球壁oa角为15～35°。
5、本专利技术第二个目的是提供一种碳/碳复合材料表面超轻质高红外发射率的涂层浆料的制备方法，包括以下步骤：
6、将十二烷基苯磺酸钠加入去离子水中，混合均匀，得到十二烷基苯磺酸钠溶液；
7、将酚醛树脂分散至异丙醇溶液中，获得酚醛树脂溶液；
8、将十二烷基苯磺酸钠溶液加入异丙醇中，混合均匀后，将空心碳球分多次加入，每次添加待混合均匀后进行下一次添加，得到分散均匀的混合溶液；
9、将酚醛树脂溶液加入到混合溶液中，混合均匀，即得到涂层浆料。
10、优选的，将空心碳球每次加入1份。
11、优选的，混合均匀过程中，采用超声进行，超声时长为2～5min。
12、本专利技术第三个目的是提供一种碳/碳复合材料表面超轻质高红外发射率的涂层的制备方法，采用碳/碳复合材料表面超轻质高红外发射率的涂层浆料，包括以下步骤：
13、将涂层浆料喷涂至碳/碳复合材料表面；
14、在喷涂好的涂层表面生长适量石墨烯，使涂层与碳/碳复合材料表面具有良好的结合强度；
15、即在碳/碳复合材料表面制得超轻质高红外发射率的涂层。
16、优选的，喷涂过程中，喷枪出料口与碳/碳复合材料表面呈45～60度角，距离为6～10cm。
17、优选的，所述在喷涂好的涂层表面生长适量石墨烯，包括：
18、采用化学气相沉积法，以甲烷为碳源，炉内压力为5～20kpa，沉积温度为1050～1150℃，时间为4～8h。
19、本专利技术第四个目的是提供一种碳/碳复合材料表面超轻质高红外发射率的涂层。
20、本专利技术第五个目的是提供一种涂层在碳/碳复合材料表面中的应用。
21、与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
22、本专利技术提供的一种碳/碳复合材料表面超轻质高红外发射率涂层及其制备方法和应用，选用具有空腔结构及大的比表面积的空心碳球为涂层的主要材料，借助压缩空气喷涂工艺，将其均匀的喷涂在复合材料表面，并构筑出适当的微纳米的孔隙结构，提高红外发射率的同时极大的降低涂层的面密度，减重效果明显。随后沉积生长适量的石墨烯以加固多孔的空心碳球涂层并与复合材料表面结合在一起，制备出高红外发射率、超轻质和具有良好界面结合的涂层。本专利技术的有益效果如下：
23、(1)选用空心碳球作为原材料，利用球与球之间的相互堆叠以构筑出丰富的具有微纳米尺寸的孔隙结构，同时空心碳球的高比表面积可以为红外射线的散射与吸收提供更多的界面和位点，大大提升红外发射率。
24、(2)空心碳球具有大的比表面积，球壁很薄，内部存在的空腔结构使其具有轻质的特点，见图4所示，100mg的碳纳米管、炭黑以及空心碳球的体积图，在同重量的情况下，空心碳球的体积较大，也就是单位面积的涂层可以达到最轻，可极大的降低制备得到的涂层的重量，取得了优异的减重效果，面密度仅为2×10-6g/m3，而利用炭黑球结合化学气相渗透法制备的涂层面密度为1×10-5g/m3。此外，空心碳球的粒径可以根据实际的应用情况进行调整，以满足不同应用环境的需求。
25、(3)对空心碳球的尺寸结构进行限定(外径为200±50nm，壁厚为5-10nm，球壁的oa角为15-35°)，实现轻量化目标的同时，oa角为15-35°可保证球壁缺陷少，具有较高的结晶度，使空心碳球具有高的结构稳定性，避免后续沉积石墨烯时结构坍塌。
26、(4)由空心碳球制备的涂层具有良好的抗热震性能，原因是其内部存在空腔结构，因应力产生的微裂纹扩展至空心结构处而终止，应力得到释放，阻止了微裂纹进一步扩展形成大裂纹，进而导致材料产生破坏而失效。
27、(5)涂层的原料与碳/碳复合材料同为碳质材料，具有相近的热膨胀系数，有效缓解因热物理性能不匹配所产生的热应力。随后在涂层表面沉积适量的石墨烯，增强了涂层与基体界面的结合力，使其拥有优异的抗热震性能；与沉积热解碳相比，生长石墨烯则进一步减重，最终实现高红外发射率涂层轻量化的目标。
28、(6)该涂层的制备方式简单，重复性强，可在不同尺寸规格的c/c复合材料表面制备，最高发射率在1～22μm波段为0.98，在经历80次热循环后无开裂现象产生。
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1.一种碳/碳复合材料表面超轻质高红外发射率的涂层浆料，其特征在于，所述涂层浆料包括如下重量份的组分：
2.根据权利要求1所述的碳/碳复合材料表面超轻质高红外发射率的涂层浆料，其特征在于，所述空心碳球的外径是150～250nm，壁厚是5～10nm，空心碳球的球壁OA角为15～35°。
3.一种权利要求1或2所述的碳/碳复合材料表面超轻质高红外发射率的涂层浆料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
4.根据权利要求3所述的碳/碳复合材料表面超轻质高红外发射率的涂层浆料的制备方法，其特征在于，将空心碳球每次加入1份。
5.根据权利要求3所述的碳/碳复合材料表面超轻质高红外发射率的涂层浆料的制备方法，其特征在于，混合均匀过程中，采用超声进行，超声时长为2～5min。
6.一种碳/碳复合材料表面超轻质高红外发射率的涂层的制备方法，其特征在于，采用权利要求1或2所述的碳/碳复合材料表面超轻质高红外发射率的涂层浆料，包括以下步骤：
7.根据权利要求6所述的碳/碳复合材料表面超轻质高红外发射率的涂层的制备方法，其特征在于，
8.根据权利要求6所述的碳/碳复合材料表面超轻质高红外发射率的涂层的制备方法，其特征在于，所述在喷涂好的涂层表面生长适量石墨烯，包括：
9.一种权利要求6～8任一项所述方法制得的碳/碳复合材料表面超轻质高红外发射率的涂层。
10.一种权利要求9所述的涂层在碳/碳复合材料表面中的应用。
...【技术特征摘要】
1.一种碳/碳复合材料表面超轻质高红外发射率的涂层浆料，其特征在于，所述涂层浆料包括如下重量份的组分：
2.根据权利要求1所述的碳/碳复合材料表面超轻质高红外发射率的涂层浆料，其特征在于，所述空心碳球的外径是150～250nm，壁厚是5～10nm，空心碳球的球壁oa角为15～35°。
3.一种权利要求1或2所述的碳/碳复合材料表面超轻质高红外发射率的涂层浆料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
4.根据权利要求3所述的碳/碳复合材料表面超轻质高红外发射率的涂层浆料的制备方法，其特征在于，将空心碳球每次加入1份。
5.根据权利要求3所述的碳/碳复合材料表面超轻质高红外发射率的涂层浆料的制备方法，其特征在于，混合均匀过程中，采用超声进行，超声时...
【专利技术属性】
技术研发人员：宋强，张若茜，沈庆凉，曹毅，梁杰，王晓霜，刘冰，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：
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