本發(fā)明涉及一種鋁表面電沉積制備低吸收率與高半球發(fā)射率氧化膜的方法，具體涉及一種鋁合金表面制備低比值太陽(yáng)吸收率/半球發(fā)射率復(fù)合氧化膜的脈沖超聲電沉積制備方法，包括鋁合金的陽(yáng)極氧化與孔內(nèi)脈沖超聲電沉積。
背景技術(shù)：
隨著空間航天器技術(shù)的發(fā)展，溫度控制已經(jīng)越來(lái)越重要。由于陽(yáng)光直射一面和另一面極為寒冷的空間，空間航天器在軌道上經(jīng)歷極端溫度循環(huán)。這將使航天器表面溫度變化很大，溫度在-200℃到+200℃之間變化，在缺乏大氣的情況下，航天器和外部環(huán)境之間的熱量交換僅限于輻射。特別是航天器外表面輻射與空間的耦合作用，空間的溫度非常低。所以航天器的溫控系統(tǒng)必須仔細(xì)設(shè)計(jì)確保飛船和飛船的部件以最大的效率工作。其中航天器溫控系統(tǒng)的平衡溫度是由太陽(yáng)吸收率(αs)和表面半球發(fā)射率(εH)控制，通過(guò)控制αs和εH從而達(dá)到控制飛船的溫度。熱控涂層通過(guò)提供合適的光學(xué)性能應(yīng)用于航天器組件中扮演一個(gè)重要的角色。熱控涂層具有低的太陽(yáng)吸收率和高發(fā)射率被廣泛使用的航天器表面。
熱控涂層主要包含有機(jī)熱控涂層和無(wú)機(jī)熱控涂層。有機(jī)熱控涂層具有耐高低溫交替變化和柔韌性好等優(yōu)點(diǎn)。其中有機(jī)硅涂層的耐真空紫外輻照能力以及抗原子氧侵蝕能力最強(qiáng)，是空間飛行器表面較理想的熱控涂層。而有機(jī)涂層多采用噴涂方式，使得與基體的結(jié)合力差、易老化、表面不均勻以及大大加重航天器的重量等問(wèn)題。無(wú)機(jī)熱控涂層具有對(duì)環(huán)境污染小，資源豐富，耐老化等優(yōu)點(diǎn)，無(wú)機(jī)涂層因硬度高、耐磨、光學(xué)透過(guò)率高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、元素的擴(kuò)散系數(shù)低、能起到很好的阻擋層的作用，引起廣泛重視。隨著長(zhǎng)壽命和高可靠性航天器的發(fā)展，鋁合金的應(yīng)用得到重視。通過(guò)在鋁合金表面陽(yáng)極氧化中電沉積氧化物粒子，具有與基體粘結(jié)強(qiáng)度高，在空間環(huán)境中經(jīng)久耐用等特點(diǎn)，而且與常規(guī)的氧化鋁孔內(nèi)電沉積金屬粒子方法相比較，該方法通過(guò)SiO2溶膠法脈沖超聲電沉積的二氧化硅粒子不僅具有良好的熱控性能，脈沖超聲波能加速溶膠在孔內(nèi)的擴(kuò)散傳質(zhì)過(guò)程與沉積速度，改善沉積層的表面形貌和綜合性能，無(wú)需封孔后處理，因此，該方法電沉積二氧化硅粒子制備熱控涂層方法具有工藝與性能優(yōu)勢(shì)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種鋁表面電沉積制備低吸收率與高半球發(fā)射率氧化膜的方法，具體為一種鋁合金陽(yáng)極氧化膜表面脈沖超聲電沉積二氧化硅制備熱控涂層的方法。采用該方法可在鋁合金表面得到二氧化硅熱控涂層，該工藝操作簡(jiǎn)單，得到的涂層的結(jié)合力較好，涂層的太陽(yáng)吸收率在0.10-0.20之間，半球發(fā)射率在0.80-0.95之間，是性能優(yōu)良的低太陽(yáng)吸收率和高半球發(fā)射率的熱控涂層。
本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)以上目的：
鋁表面電沉積制備低吸收率與高半球發(fā)射率氧化膜的方法，包括以下步驟：
(1)對(duì)鋁合金進(jìn)行陽(yáng)極氧化處理：所述鋁合金為6063鋁合金，在電解液中進(jìn)行氧化，其中，氧化工藝為：電流密度為0.5-2.5A/dm2，氧化槽液的溫度為2-26℃，氧化時(shí)間為10-120min；
(2)超聲脈沖電沉積制備熱控涂層：將經(jīng)步驟(1)預(yù)處理后的鋁合金浸入電解液中進(jìn)行超聲脈沖電沉積制備二氧化硅，電沉積的工藝為：電壓為3-5V，電沉積時(shí)間300-1200s。
進(jìn)一步地，所述步驟(1)中對(duì)鋁合金進(jìn)行陽(yáng)極氧化處理的電解液為H2SO4，質(zhì)量濃度為16-18％。
進(jìn)一步地，所述步驟(2)中超聲脈沖電沉積制備二氧化硅的電解液的組分為：正硅酸乙酯0.1-0.3L，無(wú)水乙醇0.4-0.6L，表面活性劑0.2-5g，硝酸鉀5-10g，蒸餾水0.5-1L，H2SO4調(diào)節(jié)pH到2-5。
進(jìn)一步地，所述表面活性劑為十六烷基三甲基溴化胺或者十二烷基苯磺酸鈉。
進(jìn)一步地，所述超聲脈沖電沉積的電源頻率為500-2000Hz，占空比為40-80％，攪拌超聲波頻率為10kHz-40kHz，功率為50W-350W。
進(jìn)一步地，對(duì)鋁合金進(jìn)行陽(yáng)極氧化處理前需要進(jìn)行預(yù)處理，所述的預(yù)處理包括以下步驟：將鋁合金材料放在60g/L的NaOH溶液中溫度為50℃中堿蝕3min。將堿蝕后的試樣用水沖洗干凈放入濃度為45％的HNO3中除灰5min，將除灰后的材料用超純水沖洗后進(jìn)行氧化。鋁合金材料包括2系、6系、7系鋁合金。
本發(fā)明采用上述技術(shù)解決方案所能達(dá)到的有益效果是：
熱控涂層不僅具有優(yōu)良的低太陽(yáng)吸收率和高半球發(fā)射率，太陽(yáng)吸收率在0.10-0.20之間，半球發(fā)射率在0.80-0.95之間。而且與有機(jī)涂層易于老化相比，本技術(shù)制備的氧化鋁復(fù)合涂層具有優(yōu)良的耐老化性能，同時(shí)不需要進(jìn)行封孔處理，人工加速老化300h連續(xù)照射后，氧化膜色差為1級(jí)。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1
(1)首先將6063鋁合金材料放入60g/L的NaOH溶液中，溫度為50℃中堿蝕3min。將堿蝕后的試樣用水沖洗干凈放入濃度為45％的HNO3中除灰5min，將除灰后的材料用超純水沖洗后進(jìn)行氧化。
(2)然后將前處理后的試樣放入到濃度為16％的硫酸中進(jìn)行氧化，鋁合金材料作為陽(yáng)極，鉛板作為陰極，氧化工藝為：電流密度為0.5A/dm2，氧化槽液的溫度為26℃，氧化時(shí)間為120min。
(3)最后將封孔后的鋁合金材料用超純水沖洗，然后進(jìn)行電沉積二氧化硅，電沉積溶液的工藝為：正硅酸乙酯為0.1L，無(wú)水乙醇0.6L，表面活性劑6g，硝酸鉀10g，蒸餾水1L，H2SO4調(diào)節(jié)pH到5。電壓為5V，脈沖頻率為1000Hz，占空比為40％，電沉積時(shí)間1200s。采用超聲加速電沉積溶液的攪拌，超聲波頻率為20kHz，功率為150W。
采用本實(shí)施方式在鋁合金表面獲得的熱控涂層均勻、結(jié)合力較好，熱控涂層的太陽(yáng)吸收率為0.13，半球發(fā)射率可達(dá)到0.91。
實(shí)施例2
(1)首先將6061鋁合金材料放入60g/L的NaOH溶液中，溫度為50℃中堿蝕3min。將堿蝕后的試樣用水沖洗干凈放入濃度為45％的HNO3中除灰5min，將除灰后的材料用超純水沖洗后進(jìn)行氧化。
(2)然后將前處理后的試樣放入到濃度為17％的硫酸中進(jìn)行氧化，鋁合金材料作為陽(yáng)極，鉛板作為陰極，氧化工藝為：電流密度為2.5A/dm2，氧化槽液的溫度為2℃，氧化時(shí)間為10min。
(3)最后將封孔后的鋁合金材料用超純水沖洗，并進(jìn)行電沉積二氧化硅，電沉積溶液的工藝為：正硅酸乙酯為0.3L，無(wú)水乙醇0.4L，表面活性劑2g，硝酸鉀5g，蒸餾水0.5L，H2SO4調(diào)節(jié)pH到2。電壓為3.5V，脈沖頻率為2000Hz，占空比為60％，電沉積時(shí)間300s。采用超聲加速電沉積溶液的攪拌，超聲波頻率為30kHz，功率為100W。
采用本實(shí)施方式在鋁合金表面獲得的熱控涂層均勻、結(jié)合力較好，熱控涂層的太陽(yáng)吸收率為0.16，半球發(fā)射率可達(dá)到0.85。
實(shí)施例3
(1)首先將2024鋁合金材料放入60g/L的NaOH溶液中，溫度為50℃中堿蝕3min。將堿蝕后的試樣用水沖洗干凈放入濃度為45％的HNO3中除灰5min，將除灰后的材料用超純水沖洗后進(jìn)行氧化。
(2)然后將前處理后的試樣放入到濃度為18％的硫酸中進(jìn)行氧化，鋁合金材料作為陽(yáng)極，鉛板作為陰極，氧化工藝為：電流密度為1.0A/dm2，氧化槽液的溫度為14℃，氧化時(shí)間為60min。
(3)最后將處理后的鋁合金材料用超純水沖洗，并進(jìn)行電沉積二氧化硅，電沉積溶液的工藝為：正硅酸乙酯為0.2L，無(wú)水乙醇0.5L，表面活性劑4g，硝酸鉀8g，蒸餾水0.7L，H2SO4調(diào)節(jié)pH到3。電壓為4V，脈沖頻率為1500Hz，占空比為50％，電沉積時(shí)間600s。采用超聲加速電沉積溶液的攪拌，超聲波頻率為20kHz，功率為400W。
采用本實(shí)施方式在鋁合金表面獲得的熱控涂層均勻、結(jié)合力較好，熱控涂層的太陽(yáng)吸收率為0.12，半球發(fā)射率可達(dá)到0.90。
實(shí)施例4
(1)首先將2024鋁合金材料放入60g/L的NaOH溶液中，溫度為50℃中堿蝕3min。將堿蝕后的試樣用水沖洗干凈放入濃度為45％的HNO3中除灰5min，將除灰后的材料用超純水沖洗后進(jìn)行氧化。
(2)然后將前處理后的試樣放入到濃度為16％的硫酸中進(jìn)行氧化，鋁合金材料作為陽(yáng)極，鉛板作為陰極，氧化工藝為：電流密度為1.0/dm2，氧化槽液的溫度為13℃，氧化時(shí)間為60min。
(3)最后將處理后的鋁合金材料用超純水沖洗，并進(jìn)行電沉積二氧化硅，電沉積溶液的工藝為：正硅酸乙酯為0.3L，無(wú)水乙醇0.6L，表面活性劑6g，硝酸鉀10g，蒸餾水1L，H2SO4調(diào)節(jié)pH到5，電壓為5V。脈沖頻率為1500Hz，占空比為50％，電沉積時(shí)間1200s。采用超聲加速電沉積溶液的攪拌，超聲波頻率為40kHz，功率為150W。
采用本實(shí)施方式在鋁合金表面獲得的熱控涂層均勻、結(jié)合力較好，熱控涂層的太陽(yáng)吸收率為0.18，半球發(fā)射率可達(dá)到0.93。
實(shí)施例5
(1)首先將7075鋁合金材料放入60g/L的NaOH溶液中，溫度為50℃中堿蝕3min。將堿蝕后的試樣用水沖洗干凈放入濃度為45％的HNO3中除灰5min，將除灰后的材料用超純水沖洗后進(jìn)行氧化。
(2)然后將前處理后的試樣放入到濃度為17％的硫酸中進(jìn)行氧化，鋁合金材料作為陽(yáng)極，鉛板作為陰極，氧化工藝為：電流密度為1A/dm2，氧化槽液的溫度為14℃，氧化時(shí)間為40min。
(3)最后將處理后的鋁合金材料用超純水沖洗、吹干后進(jìn)行電沉積二氧化硅，電沉積溶液的工藝為：正硅酸乙酯為0.1L，無(wú)水乙醇0.4，表面活性劑2g，硝酸鉀8g，蒸餾水0.5L，H2SO4調(diào)節(jié)pH到2。電壓為3V，脈沖頻率為1500Hz，占空比為70％，電沉積時(shí)間為300s。采用超聲加速電沉積溶液的攪拌，頻率為20kHz，功率為300W。
采用本實(shí)施方式在鋁合金表面獲得的熱控涂層均勻、結(jié)合力較好，熱控涂層的太陽(yáng)吸收率為0.14，半球發(fā)射率可達(dá)到0.87。
實(shí)施例6
(1)首先將7075鋁合金材料放入60g/L的NaOH溶液中，溫度為50℃中堿蝕3min。將堿蝕后的試樣用水沖洗干凈放入濃度為45％的HNO3中除灰5min，將除灰后的材料用超純水沖洗后進(jìn)行氧化。
(2)然后將前處理后的試樣放入到濃度為18％的硫酸中進(jìn)行氧化，鋁合金材料作為陽(yáng)極，鉛板作為陰極，氧化工藝為：電流密度為0.5A/dm2，氧化槽液的溫度為2℃，氧化時(shí)間為10min。
(3)最后將處理后的鋁合金材料用超純水沖洗，并進(jìn)行電沉積二氧化硅，電沉積溶液的工藝為：正硅酸乙酯為0.1L，無(wú)水乙醇0.4L，表面活性劑4g，硝酸鉀8g，蒸餾水0.8L，H2SO4調(diào)節(jié)pH到3。電壓為4V，脈沖頻率為1000Hz，占空比為50％，電沉積時(shí)間600s。采用超聲加速電沉積溶液的攪拌，超聲波頻率為30kHz，功率為200W。
采用本實(shí)施方式在鋁合金表面獲得的熱控涂層均勻、結(jié)合力較好，熱控涂層的太陽(yáng)吸收率為0.10，半球發(fā)射率可達(dá)到0.90。
綜上所述，本方法所制得的涂層為白色，在鋁合金陽(yáng)極氧化膜表面電沉積所得，結(jié)合力良好，并且太陽(yáng)吸收率在0.10-0.20之間，半球發(fā)射率在0.80-0.95之間，是性能優(yōu)良的低太陽(yáng)吸收率和高半球發(fā)射率的熱控涂層。
以上所述的僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明創(chuàng)造構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。