一种铝合金表面高太阳光反射率白色热控涂层的制备方法

摘要

本发明公开了一种铝合金表面高太阳光反射率白色热控涂层的制备方法，微弧氧化制备过程所用微弧氧化电解液采用浓度为2~50 g/L的硅酸钠、磷酸三钠、铝酸钠中的一种或多种的混合物作为成膜剂，浓度为2~30 g/L的氟锆酸钾作为着色剂，浓度为1~15 g/L的硫酸钠、乙酸钠、次亚磷酸钠中的一种或多种的混合物作为稳定剂，草酸、肉桂酸、柠檬酸、乳酸中的一种或多种的混合物作为PH值调节剂，使电解液的PH值维持在3~6之间，以去离子水作为溶剂，所有物质的用量均以加入去离子水的体积为计算基准；脉冲电源的频率为50~2000 Hz，占空比为5~45%，电流密度为1~12 A/dm2，反应时间为20~180 min。本发明制备的铝合金白色微弧氧化陶瓷涂层具有较高的太阳光反射率。

说明书

技术领域

本发明属于金属表面处理技术领域，涉及一种铝合金表面高太阳光反射率白色热控涂层的制备方法。

背景技术

铝合金具有密度小、比强度高和易加工成型等优点，已成为当前轻量化制造的主要材料之一。在对减量要求十分严格的航天领域，铝合金广泛应用于各种结构件。铝合金用于航天产品时通常要在其表面涂覆具有特定光学/热学性能的热控涂层，以达到调节和控制航天器与外界的热交换，维持航天器正常工作温度范围的目的，其中以具有高太阳光反射率的白色热控涂层应用最为普遍。

目前，在铝合金表面制备白色热控涂层最常用的方法就是在其表面涂覆一层白漆。通常这种白漆是采用ZnO、TiO₂、Y₂O₃或ZrO₂等为白色颜料，以聚氨脂或环氧树脂等为粘结剂，并以有机溶剂为载体。然而在太空极端温度、高辐射及原子氧等环境中，这种白漆中的粘结剂会加速老化而变色，从而导致涂层的光反射率显著降低。

无机白色陶瓷由于其化学性能稳定而成了取代上述白漆的首选材料。目前，利用热喷涂的方法可以在铝合金表面沉积一层白色的氧化铝或氧化锆陶瓷，但是这种涂层与底材之间的结合力往往较差，在太空冷热交替的环境中会因为涂层与底材热膨胀系数的差异而导致涂层容易脱落。利用普通阳极氧化的方法也可以在铝合金表面制备一层白色陶瓷涂层（X. H. Wu, W. Qin, B. Cui, Z. H. Jiang, W. Q. Lu, W. D. He. White anodized thermal control coating on LY12 aluminum alloy. Journal of Materials Processing Technology, 2008, 200: 405-409），然而所得涂层的光反射率只有70-80%，而且由于涂层较薄，通常不到10 μm，在太空冷热交替的环境中容易出现龟裂问题。

微弧氧化是在普通阳极氧化的基础上发展起来的一种表面处理技术。利用微弧氧化技术能够在铝合金表面生成厚度较大、与基体结合较好并且具有较高硬度的陶瓷氧化膜。该技术由于具有工艺简单、处理效率高以及对环境污染小等优势，目前已经开始应用于铝合金的表面着色，并且引起了各国研究者的普遍关注。

然而根据现有的技术，铝合金微弧氧化陶瓷涂层的颜色通常为灰白色，而对于硬铝合金，由于合金中含有铜元素，其涂层则通常为灰褐色，从而导致光反射率低的问题。Shrestha等在硬铝合金表面微弧氧化制备出了白色氧化铝陶瓷涂层 （S. Shrestha, C. Borrero del Pino, U. Malayoglu. Inorganic White Thermal-Control Coatings for Extreme Space Environments. Journal of Spacecraft and Rockets, 2016, DOI: 10.2514/1.A33508），但是所得涂层为浅白色，在波长为350 -750 nm的范围内，其光反射率只有50-60%。因此，目前仍没有一种有效的在铝合金特别是硬铝合金表面制备具有高太阳光反射率白色陶瓷涂层的微弧氧化方法。

发明内容

本发明提供了一种铝合金表面高太阳光反射率白色热控涂层的微弧氧化制备方法，旨在解决现有技术所存在的铝合金微弧氧化陶瓷涂层光反射率低的问题。

本发明所述方法适用于各种型号的铝合金，也适用于各种复杂形状的铝合金零部件。本发明制备的铝合金白色微弧氧化陶瓷涂层具有较高的太阳光反射率（以BaSO₄为参照，在波长为380~760>

一种铝合金表面高太阳光反射率白色热控涂层的制备方法，具体步骤为：

1）样品前处理：将铝合金表面打磨、清洗并吹干待用；

2）微弧氧化制备过程：以铝合金作为阳极，不锈钢为阴极，将前处理过的铝合金浸泡在电解液中，开启搅拌和循环水冷却系统，并采用脉冲电源对铝合金进行微弧氧化处理，试验过程中电解液一直处于充分搅拌状态，处理完后取出铝合金并用水冲洗、吹干即可；

其特征在于：所述微弧氧化电解液采用浓度为2~50 g/L的硅酸钠（Na₂SiO₃·9H₂O）、磷酸三钠（Na₃PO₄·12H₂O）、铝酸钠（NaAlO₂）中的一种或多种的混合物作为成膜剂，浓度为2~30>2ZrF₆）作为着色剂，浓度为1~15>2SO₄）、乙酸钠（CH₃COONa·3H₂O）、次亚磷酸钠（NaH₂PO₂·H₂O）中的一种或多种的混合物作为稳定剂，草酸（C₂H₂O₄·2H₂O）、肉桂酸（C₉H₈O₂）、柠檬酸（C₆H₈O₇·H₂O）、乳酸（C₃H₆O₃）中的一种或多种的混合物作为PH值调节剂，使电解液的PH值维持在3~6之间，以去离子水作为溶剂，所有物质的用量均以加入去离子水的体积为计算基准；

所述微弧氧化过程采用脉冲电源，其频率为50~2000 Hz，占空比为5~45%，电流密度为1~12 A/dm²，反应时间为20~180>

本发明采用PerkinElmer Lambda 950分光光度计测量白色陶瓷涂层的光反射率，具体测量方法为：以BaSO₄为参照，将其光反射率标定为100%，将白色涂层刮下，然后在波长为200~2500>

(1)

其中，ρ_s为总太阳光反射率；ρ_λi为波长λ_i范围内的光谱反射比；Δλ_i的计算公式为>i+1－λ_i)；E_s(λ_i)为波长λ_i范围内的太阳光谱辐照强度，单位为W/m²·μm；n为200~2500>

与现有技术相比，本发明的优势是：

(1) 本发明制备的铝合金白色微弧氧化陶瓷涂层的均匀性好、白度高，在可见光区，其太阳光反射率为97%左右；在近红外区，其反射率达到了99%；在紫外区，其反射率也在87%左右；

(2) 本发明所述的铝合金白色微弧氧化陶瓷涂层的成膜速率高，在1小时内其厚度可达到120~160 μm；

(3)本发明的适用范围广，既适用于各种型号的铝合金，也适用于各种复杂形状的铝合金零部件。

附图说明

图1为2A12铝合金长方形片在（a）常规电解液和（b）锆酸盐电解液中微弧氧化处理后的宏观光学照片对比。

图2为2A12铝合金长方形片在锆酸盐电解液中微弧氧化制备的白色陶瓷涂层的表面形貌图。

图3为2A12铝合金长方形片在锆酸盐电解液中微弧氧化制备的白色陶瓷涂层的截面形貌图。

图4为2A12铝合金圆柱环在（a）常规电解液和（b）锆酸盐电解液中微弧氧化处理后的宏观光学照片对比。

图5为6061铝合金长方形块在（a）常规电解液和（b）锆酸盐电解液中微弧氧化处理后的宏观光学照片对比。

图6为ZAlSi7Mg铝合金长方形块在（a）常规电解液和（b）锆酸盐电解液中微弧氧化处理后的宏观光学照片对比。

图7为实施例1~4中制备的铝合金白色陶瓷涂层的光反射率曲线对比图。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明的技术方案及适用范围作进一步的具体说明。所用试剂均为分析纯。

实施例1

基于一种铝合金表面高太阳光反射率白色热控涂层的制备方法，其具体工艺条件和操作步骤如下：

(1) 试验材料的准备：试验采用2A12铝合金长方形片为底材，其成分为：4.8% Cu，1.6% Mg，0.5% Fe，0.5% Si，0.3% Mn，0.25% Zn，0.1% Ni，0.05% Ti 和余量Al，样品尺寸为：70 mm×25 mm×3 mm；

(2) 样品的前处理：用砂纸将铝合金样品表面打磨抛光，用洗衣粉或洗洁剂清洗表面油污，再用自来水冲洗干净，最后用去离子水冲洗一遍并吹干备用；

(3) 常规电解液的配制：在1 L去离子水中加入10 g硅酸钠和1 g氢氧化钾，并充分搅拌至溶解；

(4) 锆酸盐电解液的配制：在1 L去离子水中分别加入3 g磷酸三钠作为成膜剂；28 g氟锆酸钾作为着色剂；4 g硫酸钠，4 g乙酸钠和4 g次亚磷酸钠作为稳定剂；充分溶解后再加入肉桂酸，使溶液的PH值在3.2左右；

(5) 微弧氧化处理过程：分别在常规电解液和锆酸盐电解液中采用相同的工艺参数制备两种样品。试验采用脉冲电源以及恒流模式，频率为50 Hz，占空比为25 %，电流密度为1 A/dm²，处理时间为180>

图1为2A12铝合金长方形片在常规电解液和锆酸盐电解液中微弧氧化处理后的宏观光学照片对比。从图中可以看出，2A12铝合金长方形片在常规电解液中制备的微弧氧化涂层为灰褐色，而在锆酸盐电解液中利用本发明所述的方法在其表面制备出了均匀的、白度较高的白色陶瓷涂层。图2和图3分别是铝合金表面白色微弧氧化陶瓷涂层的表面形貌图和截面形貌图。从图中可以看出，白色陶瓷涂层具有疏松多孔的结构，其厚度为130~140 μm。

实施例2

基于一种铝合金表面高太阳光反射率白色热控涂层的制备方法，其具体工艺条件和操作步骤如下：

(1) 试验材料的准备：试验采用2A12铝合金圆柱环为底材，其成分同实施例1，圆柱环的外半径为24 mm，内半径为21 mm，高为13 mm；

(2) 样品的前处理：同实施例1；

(3) 常规电解液的配制：同实施例1；

(4) 锆酸盐电解液的配制：在1 L去离子水中分别加入18 g硅酸钠，18 g磷酸三钠和12 g铝酸钠作为成膜剂；3 g氟锆酸钾作为着色剂；2 g次亚磷酸钠作为稳定剂；充分溶解后再加入乳酸，使溶液的PH值在5.8左右；

(5) 微弧氧化处理过程：分别在常规电解液和锆酸盐电解液中采用相同的工艺参数制备两种样品。试验采用脉冲电源以及恒流模式，频率为300 Hz，占空比为5 %，电流密度为8 A/dm²，处理时间为60>

图4为2A12铝合金圆柱环在常规电解液和锆酸盐电解液中微弧氧化处理后的宏观光学照片对比。从图中可以看出，2A12铝合金圆柱环在常规电解液中制备的微弧氧化涂层为灰褐色，而在锆酸盐电解液中利用本发明所述的方法在这种形状较复杂的铝合金表面也制备出了均匀的、白度较高的白色陶瓷涂层。

实施例3

基于一种铝合金表面高太阳光反射率白色热控涂层的制备方法，其具体工艺条件和操作步骤如下：

(1) 试验材料的准备：试验采用6061铝合金长方形块为底材，其成分为：1.1% Mg，0.7% Fe，0.6% Si，0.25% Zn，0.2% Cu，0.15% Mn，0.15% Ti，0.1% Cr和余量Al，样品尺寸为：50 mm×30 mm×5 mm；

(2) 样品的前处理：同实施例1；

(3) 常规电解液的配制：同实施例1；

(4) 锆酸盐电解液的配制：在1 L去离子水中分别加入15 g硅酸钠和15 g磷酸三钠作为成膜剂；10 g氟锆酸钾作为着色剂；8 g硫酸钠作为稳定剂；充分搅拌溶解后再加入柠檬酸，使溶液的PH值在3.8左右；

(5) 微弧氧化处理过程：分别在常规电解液和锆酸盐电解液中采用相同的工艺参数制备两种样品。试验采用脉冲电源以及恒流模式，频率为1000 Hz，占空比为45 %，电流密度为10 A/dm²，处理时间为40>

图5为6061铝合金长方形块在常规电解液和锆酸盐电解液中微弧氧化处理后的宏观光学照片对比。从图中可以看出，6061铝合金在常规电解液中制备的微弧氧化涂层为灰白色，而在锆酸盐电解液中利用本发明所述的方法在这种铝合金表面制备出了均匀的、白度较高的白色陶瓷涂层。

实施例4

基于一种铝合金表面高太阳光反射率白色热控涂层的制备方法，其具体工艺条件和操作步骤如下：

(1) 试验材料的准备：试验采用ZAlSi7Mg型铸造铝合金长方形块为底材，其成分为：7.2% Si，0.3% Mg和余量Al，样块有大小两种，其中大样块尺寸为：40 mm×18 mm×7 mm，小样块尺寸为：25 mm×18 mm×7 mm；

(2) 样品的前处理：同实施例1；

(3) 常规电解液的配制：同实施例1；

(4) 锆酸盐电解液的配制：在1 L去离子水中分别加入10 g铝酸钠和10 g磷酸三钠作为成膜剂；18 g氟锆酸钾作为着色剂；4 g乙酸钠和4 g次亚磷酸钠作为稳定剂；充分搅拌溶解后再加入相同体积比的草酸和柠檬酸的混合物，使溶液的PH值在4.4左右；

(5) 微弧氧化处理过程：不同尺寸的样块表面都分别在常规电解液和锆酸盐电解液中采用相同的工艺参数制备两种膜层。试验采用脉冲电源以及恒流模式，频率为2000 Hz，占空比为15 %，大样块的电流密度为6 A/dm²，处理时间为100>2，处理时间为20>

图6为ZAlSi7Mg铝合金长方形块在常规电解液和锆酸盐电解液中微弧氧化处理后的宏观光学照片对比。从图中可以看出，ZAlSi7Mg铝合金在常规电解液中制备的微弧氧化涂层为灰白色，并且由于合金自身物相不均匀而导致涂层表面有许多斑点，而在锆酸盐电解液中利用本发明所述的方法在这种铝合金表面制备出了均匀的、白度较高的白色陶瓷涂层。

图7为实施例1~4中制备的铝合金白色陶瓷涂层的光反射率曲线对比图。可以看出，用本发明所述的方法在不同型号及不同形状的铝合金表面制备的白色陶瓷涂层都具有较高的，并且十分相近的太阳光反射率。在波长为380~760 nm的可见光区，其反射率为96.8~97.5%；在波长为760~2500 nm的近红外区，其反射率达到了98.1~99.6%；在波长为200~380 nm的紫外区，其反射率为85.6~87.8%。