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高辐射耐热涂层的研制,阐述了一种具有高辐射和耐高温性能的涂层
2020年02月21日    阅读量:2359     新闻来源:中网信息    |  投稿

张建贤, 邹永军, 陈国敦, 徐 蕾, 卿凤翎 (中科院上海有机化学研究所, 200032)


0 引 言

火车在运行过程中, 车轮与铁轨相互摩擦, 产生的热量易使车轴系统的局部温度升高, 从而降低车轴系统材料的刚性和弹性, 尤其是火车大提速后, 更易造成列车运行的安全事故。所以, 铁路轴温的检测对于火车的安全运行至关重要。而铁路红外线轴温探测系统(如HBDS 型设备等) 的成功研制及应用, 大大降低了铁路运输事故的隐患中国建材网cnprofit.com。本文所研制的高辐射耐热涂层是一种具有高辐射率 的耐热保护涂料, 它具有良好的热辐射率( εn = 0.95 )和耐高温( 300℃ )的性能, 主要应用于铁路轴温的检测系统,以提高红外线轴温探测系统的红外热量的辅出度, 更好地探测车轴发热产生的红外线辐射信号。涂层的耐热指标: 耐温300 ℃ , 长期工作温度在- 45~ 200℃ 之间; 热辐射率: εn = 0.95。

 

1 实验部分

1. 1 涂层的制备

1. 1. 1 涂料制备

分别采用环氧树脂( X1)、有机氟树脂( X2)、常用有机硅树脂( X3) 及自制的有机硅树脂( X4) 作为涂层的粘接剂, 加入耐高温填料, 相应地配制成涂料X1、X2、X3及X4。

1. 1. 2 喷涂

以工业氮气为气源, 喷涂气压为3~ 4 kg /cm2, 将配制好的涂料X1、X2、X3和X4喷涂在底材为LY -12的铝合金试片上( 40mm x 40mm ) , 得到涂层X1、X2、X3和X4。

1. 1. 3 固化

将所得涂层在40~ 50℃ 烘烤3~ 4 h; 然后在80~ 100℃ 烘烤8 h。

1. 2 涂层的温度测试实验

由于红外线轴温探测系统大多置于野外环境, 自然环境温差变化大, 且考虑到火车运行时车轴系统产生的高温, 一般要求涂层的工作温度范围在- 45 ~200℃ 之间。本文采用2 种方案来测试涂层的耐温

范围。

1. 2. 1 耐温性能

将涂层试片( X1、X2、X3 及X4) 置于烘箱内, 依次分别在150 ℃ 、200 ℃ 、250 ℃ 、300℃ 保持2 h, 观察涂层的表面状态, 简单地测定涂层所能承受的温度, 实验结果见表1。

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涂层的耐温性能及其热辐射率( 353K )数据

1. 2. 2 耐温变性能

将涂层试片( X1、X2、X3 及X4 ) 在- 100 ~100 ℃ 进行冷热交变试验100 次, 平均温变速率20 ℃ /m in, 观察涂层的表面状态, 涂层无开裂、剥落。


1. 3 涂层热辐射性能的测试

涂层热辐射性能是衡量涂层的重要性能指标; 通常通过辐射计原理 来测量涂层的热辐射率( εn ) ,以衡量涂层表面热辐射性能。所谓辐射计原理, 即测出待测试件发射的辐射能, 与处于相同温度的黑体或已知发射率的标准试件发射的辐射能相比较而得出的发射率(适合于高温下发射率的测定)。


热辐射率( εn )的测量, 即用同一辐射接收器, 在相同条件下接收待测样品表面和黑体(标准表面)的热辐射之比。测量装置如图1所示, 图中1、2、3分别代表待测样品表面、恒温冷壁及探测器(热电堆)的吸收表面, 2、3表面发黑(接近黑体) , 冷表面2 与探测器冷端保持恒定温度T2, 而待测表面加热至T1, 由此组成封闭辐射换热系统。

热辐射率测量装置原理图

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试片的热辐射率( εn )的测定 : 热辐射测量装置由样品腔、黑体腔和感受腔组成。将预先准备好的涂层试片放入样品腔, 测试时样品腔和黑体腔分别对准感受腔, 然后分别读出热电堆的输出信号<s、<o, 按式εn= <s /<o计算得出试片的热辐射( εn )。上述配制的黑色涂层( X1、X2、X3及X4)的热辐射率( εn )值见表1。

 

2 结果与讨论

2. 1 不同高分子材料的耐高温性能

有机高分子材料本身的结构决定了其耐高温的能力。当温度高到一定程度时, 有机高分子便会分解, 但是不同的有机高分子材料的耐高温性能却大相径庭。一般环氧树脂不到200℃ 便会自动分解, 而有机硅树脂的分解温度为300 ℃ 左右。


有机硅树脂以( - S i- O- )为主链, 其耐热性强于一般聚合物中的( - C- C- ) 键, 若受高温氧化后形成交联度更高更加稳定的( - S i- O-Si- )键, 亦能在有机硅高聚物表面形成保护层以防止其主链的降解。


有机硅铝粉涂料之所以能在500℃ 以上长期耐热, 原因就是其高温氧化后形成(- S i- O- A l- )硅酸盐。所以, 目前市场上耐热涂料多以有机硅树脂为原料。有机氟涂料生产工艺较复杂。在具体的实验中,本文主要选择有机硅树脂为耐热涂层的胶粘剂。


2. 2 不同高分子材料的εn值

据文献记载 , 大多数不同结构的高分子材料其热辐射率在0.8~ 0.9 之间。在本文的实验中, 也作了这方面的数据测定 。将一些常用的树脂(如环氧树脂、有机硅树脂、有机氟树脂等)分别配成清漆, 喷涂在底材为LY- 12的铝合金试片上( 40mm x40 mm) , 涂层的厚度控制在100~ 200 um, 充分固化后测其热辐射率值(见表2)。


若仅考虑高分子材料的耐高温性能和热辐射性能, 有机硅树脂和有机氟树脂不失为一种好选择。

不同高分子材料的En ( 353 K)值

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2. 3 测试温度对εn的影响

发射率与温度的关系对金属和非金属来说是不一样的。传统理论认为, 金属的发射率较低, 并随温度上升而增加, 若表面形成氧化层, 则发射率可以十倍或更大倍数增加; 而非金属的发射率较高, 并随温度的增大而减小。


也有些学者[ 7] 认为, 任何物体的半球全发射率均将随温度的升高而下降。本文通过对不同树脂的清漆试片测试在327 K和353 K 时εn值的比较, 验证测试温度对涂层εn的影响。实验数据(见表3)表明, 同一涂层(清漆)在353 K 时的εn与327 K 时略有差异, 但考虑到热辐射率测试仪器本身的系统误差, 我们认为涂层在不同的测试温度下的εn并无明显变化。

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不同测试温度的En值


2. 4 颜填料对涂层εn的影响

作为耐热涂料的颜填料, 首先要有耐热性, 即高温受热时不变色、其结构不被破坏; 其次, 这些颜填料不影响作为涂层胶粘剂的树脂的稳定性, 亦不降低其热老化性能。本文研究了颜填料的颜色和含量对涂层εn的影响。


实验采用自制的有机硅树脂, 分别选用不同颜色的耐高温颜填料( ZnO、S iO2、C r2 O3、MnO2、炭黑、铝粉及铝粉浆等)配制而成涂层, 测试数据表明其εn值也不尽相同。实验结果表明(见表4) , 黑色涂层较其他颜色涂层有着更高的辐射率。同样, 涂层中颜填料的含量对其热辐射率εn有着显著的影响, 且影响程度各不相同。


铝粉浆含量对灰漆的热辐射率的影响如图2所示。从图中可以看出涂层的εn值随着铝粉浆的含量的增加而降低, 最终涂层的εn维持在0.30左右, 说明了颜填料的含量对调节涂层εn值的重要性。


不同颜色的颜填料对涂层En 的影响

铝粉浆含量与涂层热辐射率En的关系

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2. 5 涂层厚度对涂层εn的影响

在实验中, 制备了不同厚度的黑色涂层( X4) , 观察涂层的厚度对εn的影响。实验表明(见表5) , 涂层厚度达到40 um 以上, 涂层的εn值基本维持在0.95~ 0.96之间。

涂层( X4)厚度对涂层En的影响

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3 结 论

综上所述, 本文所提出的涂层不仅具有良好的耐温性能( - 100~ 300℃ ) , 且具有辐射率高, 制备工艺简单的特点。其在提高仪器的红外热源辅出度方面效果明显, 在铁路轴温测量仪器以及在热流计方面已得到应用。本文所阐述的运用红外线特性探测系统检测涂层耐温性有着广泛的应用前景, 亦可用于其他对耐高温、高辐射率有特殊要求的设备。


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