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涂層復合材料綜述
1.復合材料簡介
復合材料是指由兩種或者兩種以上的具有不同物理、化學性質的材料，以微觀或宏觀等不同的結構尺度與層次，經過復雜的空間組合而形成的一個材料系統(tǒng)。從人類發(fā)展初期的稻草增強粘土，到已經使用百年的鋼筋混凝土，再到目前廣泛應用的玻璃鋼制品，復合材料已經深入到我們生活的各個細節(jié)。隨著科技的發(fā)展，對材料的要求越來越高、越來越多，越來越嚴，單一的材料已經不能滿足產品性能的要求，于是越來越多的復合材料被開發(fā)出來。復合材料的發(fā)展，大大的拓寬了材料的種類和應用，為材料科學的發(fā)展注入了新的活力。
復合材料的分類：按照基體材料分類，可以分為金屬基復合材料，聚合物基復合材料，陶瓷基復合材料，碳基復合材料、水泥基復合材料等；按照增強材料的形態(tài)，可以分為纖維狀分散相復合材料，顆粒狀分散相復合材料和片狀分散相復合材料；按照材料作用，可以分為結構復合材料和功能復合材料。
本文主要針對復合材料中的涂層復合材料進行探討。
2.涂層復合材料介紹
涂層復合材料是通過在基體材料表面制作涂層，通過涂層賦予基體種種特性的材料?；w可以為金屬（如鋁合金，銅材料等），也可以為聚合物材料（如PI薄膜，PA注塑件等）。該材料屬于片狀分散復合材料，即涂層與基體為可見的兩層片狀，界面上通過化學鍵或范德華力粘結在一起。涂層復合材料屬于功能復合材料，具體的功能主要依據涂層的特性。目前主要的功能涂層有：電磁功能涂層（防腐、電氣絕緣、電磁波屏蔽、隱身、導電、電磁波吸收），熱功能涂層（防火、阻燃、保溫、耐熱、示溫），光學功能涂層（發(fā)光、熒光、太陽光選擇吸收、循環(huán)反射），機械功能涂層（可粘貼，玻璃防破損、可剝離、彈性、潤滑、防滑、消音防振、耐碎落等），界面功能涂層（防結露、防貼紙、防冰雪凍結等），生物功能涂層（防霉、船體防污等）等。涂層厚度依據具體功能要求而定，可以從1um-10mm。涂布方式有：浸漬、手工刷涂，噴涂（靜電噴涂和高壓噴涂），刮刀刮涂等。
3.涂層復合材料特性介紹
3.1電磁功能涂層
防腐涂層是根據電化學腐蝕原理，在基體（金屬、水泥或木材等）表面涂布一層保護作用的涂層。該涂層除了需具備一般油漆的技術性（如干性、粘度、細度、沖擊、附著力和柔韌性等）之外，還需具備防腐專業(yè)的特殊要求。涂層的防腐功能在于涂層的屏蔽作用、電阻效應、濕附著力、化學鈍化及陰極保護作用等。一般的防腐涂層分為三層，分別為底層，中間層和表層。底層通過添加抗銹劑（富鋅材料），抗?jié)B劑防止生銹的形成和發(fā)展，中間層和表層賦予基材外觀特性。涂層厚度200um左右。
電氣絕緣涂層
電氣絕緣涂層主要應用在電線和電氣設備，起絕緣和保護作用，分為涂覆表面型和填充絕緣空隙型。涂覆表面層主要使用涂料類材料，以聚氨酯體系，環(huán)氧體系，PI為主。以PI為主料的絕緣涂層絕緣等級能達到F級和H級。填充絕緣型則使用絕緣材料對材料進行填充，E級或以下要求，用聚酯薄膜涂布后纏繞成型，F(xiàn)級或以上，用PI薄膜或PI涂布有機硅壓敏膠纏繞。
電磁波屏蔽涂層和導電涂層
電磁波和靜電干擾會導致電視畫面混亂，收音機產生雜音、計算機運算失誤，甚至導致機器人殺人的重大事故；強電磁波發(fā)射源的電磁輻射，對環(huán)境和操作人員亦會造成巨大傷害，因此需要進行適當的電磁屏蔽和靜電屏蔽。通過電磁波屏蔽材料，反射電磁波，能有效避免電磁波的干擾。電子和電器設備在過去一般使用金屬外殼進行屏蔽，但是現(xiàn)在隨著塑料材料的大量使用，電磁干擾問題日益突出。往材料內部填充導電成分和在材料表面貼覆導電涂層，是避免電磁波干擾的主要解決方案。而材料內部填充導電成分后，往往會對材料的機械性能造成影響，因此，在材料表面貼覆導電涂層是最有效的方法?，F(xiàn)有導電涂層的做法分為：直接涂布導電涂料和貼合導電膠帶兩種。前者是將混有導電粉末（如金屬粉末，金屬氧化物，石墨碳及表面鍍覆金屬或碳的各種有機或無機粉末）的涂料涂覆在材料表面。導電膠帶主要以金屬箔背導電膠，以及使用導電粒子改性膠水制成膠帶。如3M的導電膠帶（5000、6000、7000系列）。導電膠帶由于易施工，穩(wěn)定，逐漸開始在電子行業(yè)推廣應用，但是膠帶的粘結強度和穩(wěn)定性還需要再提高。
電磁波吸收涂層
電磁波吸收涂層材料是通過吸收電磁波輻射能量使電磁波衰減而達到防止電磁干擾的材料。高層建筑物反射的電磁波會使電視廣播的接收信號受到干擾，產生所謂的重象；在船舶行駛到大型橋梁附近時，船上雷達也會產生重象，影響船舶在夜間或濃霧時的航行安全；飛機飛行時機上雷達會產生同樣的問題。為防止高層建筑物、橋梁、船舶、飛機等反射電磁波，可在其上涂覆電磁波吸收涂料?，F(xiàn)有工藝為使用電磁波吸收涂料進行噴涂。電磁吸收材料為鐵系（鐵粉，鐵氧體，多晶鐵纖維等）、碳系（石墨、乙炔炭黑、碳纖維管，碳納米管等）、陶瓷系、等離子體以及手性吸波材料等。吸波涂層需配合EMI涂層，才能達到理想的效果。
隱身涂層
隱身技術主要運用于軍事領域，是指在一定偵測環(huán)境中，控制和降低目標的可識別特征信號，使其在一定范圍內難以被發(fā)現(xiàn)、識別和被攻擊?，F(xiàn)階段主要針對雷達和紅外探測技術，其中針對雷達的隱身技術從二戰(zhàn)到現(xiàn)在，經過60多年的發(fā)展，已趨于成熟，針對紅外探測是技術和激光探測技術將是未來的發(fā)展方向。和電磁波吸收涂層類似，隱身涂層的成型工藝主要為涂覆型和結構型，為達到較好的吸波效果，往往在一個產品中，兩者兼而有之。針對可見光的隱身技術，迷彩是簡單的方式，二戰(zhàn)時燈具隱身技術，而目前，薄熒光板、發(fā)光聚合物板和閃爍蒙皮已經能使飛機隱形了。
磁性涂層
廣泛用于錄音帶、錄像帶、計算機軟磁盤、各種信用卡、火車票和定期乘車券上，此外，還有電子照相劃線用漆料和印刷電路、集成電路用涂料。前者是用環(huán)氧樹脂配合光導電性氧化鋅而制成預涂底漆；后者是采用電泳涂裝技術與感光性樹脂技術的印刷電路板用紫外線固化電泳光刻膠。
3.2熱功能涂層
耐熱涂層
用于工業(yè)設備的管道、反應器、工業(yè)和家庭用焚燒爐，火爐蓋板、煙囪內壁、熱交換器、渦輪增壓器、汽車和摩托車等的排氣系統(tǒng)。主要使用涂覆成型，原料分有機類和無機類兩種，有機類有硅樹脂系、氟系和聚酞亞胺系；無機類有堿性金屬鹽系，酸式鹽系、硅溶膠系和金屬醇鹽系。
阻燃防火涂層
阻燃防火涂料屬于特種功能材料。將性能優(yōu)良的防火涂料涂覆于基材表面，常態(tài)下發(fā)揮裝飾、防腐，防繡、延長使用壽命等作用；火災發(fā)生時，通過功能化作用控制基體溫升，延緩建筑垮塌時間，為人員、財產疏散和消防滅火贏得時間。更重要的，防火阻燃材料能阻止火焰的傳播，控制火勢的發(fā)展，對基體結構起到有效的保護作用。
示溫涂層
示溫涂料這是一種在特定溫度下會發(fā)生顏色變化的涂料。示溫涂料分為顏色變化可逆性和不可逆性兩大類?？赡嫘允緶赝苛喜捎脽o機變色顏料，利用晶型轉變原理變色，在一定的溫度范圍內可以使用多次。而不可逆性示溫涂料采用CO、Ni、Fe、Cu、Cr、Mn、Pb等的鹽類作顏料，這類不可逆性示溫涂料適用于記錄化學反應器等裝置不能測定的溫度，以及不能用眼來觀察控制溫度變化的部位。廣泛運用于難以測量表面溫度的地方，如化學工業(yè)的氣化爐，石油工業(yè)的裂解爐，航空、航天工業(yè)發(fā)動機中等。
保溫涂層
保溫涂層通過在產品表面噴涂保溫材料而形成保溫層，現(xiàn)有使用PVC和PU發(fā)泡材料噴涂在材料表面而制作保溫層的工藝。
3.3光學功能涂層
發(fā)光涂層
發(fā)光涂層是利用光學功能涂料在材料表面制作的涂層，采用熒光物質作顏料，熒光物質受到短波長輻射、電子束等照射時可將輻射能轉變?yōu)榭梢姽饽?。該涂料大致可分為夜光涂料和熒光涂料?/div>
太陽光選擇吸收涂層
太陽光選擇吸收涂層主要是用于吸收太陽能集熱器，這類涂料能形成0.3一2.5nm波長光的吸收率大、紅外（波長在3.0nm以上）輻射率小的涂膜。這類涂料是將具有半導體性質的顏料，如CuO，Co2O4，PbS，NiS等分散在丙烯酸類樹脂（高透明性樹脂）清漆中而制成，并將其涂覆在鋁、銅、鎳、不銹鋼等紅外光反射率大的金屬表面，或是鍍有這些金屬的塑料表面，從而形成一層薄薄的涂膜。當膜厚增大時，光的選擇性吸收率接近于一般的黑色涂料。
循環(huán)反射涂層
循環(huán)反射涂層是一類利用微玻璃珠的循環(huán)反射（光波經折射和反射后重新折向光源方向）性質的制作而成，它可用作道路標志和標牌涂飾，用以反射汽車頭燈的光，以保證夜間或雨天的交通行車安全，也可涂覆于防護墻、電線桿、路緣石等混凝土面和欄桿、橋墩、廣告牌等金屬表面。
3.4機械功能涂層
可粘結涂層
可粘結涂層賦予材料粘結性能，使材料的實際使用性大大增強。典型的是涂覆上壓敏膠或者熱熔膠，使產品能按照要求貼合到所需材料上。
防破損涂層
主要涂布在玻璃等易碎材料的表面，形成有彈性的膜，使玻璃在破碎時，碎屑不至于飛濺傷人。
可剝離涂層
用于貨品在運輸途中暫時防止受到損傷、生銹、變色的涂料，它形成的涂層在貨品轉到使用者手中后可以剝離下來，多用于不銹鋼制品和各種電鍍制品的涂裝。
彈性涂層
多用于建筑物的混凝土外墻上，以防止龜裂和防水滲透，如防水涂層是由合成高分子聚合物、高分子聚合物與瀝青、高分子聚合物與水泥為主要成膜物質，加入各種助劑、改性材料、填充材料等加工制成的溶劑型、水乳型或粉末型的涂料，經涂覆而成。該涂料涂刷在建筑物的屋頂、地下室、衛(wèi)生間、浴室和外墻等需要進行防水處理的基層表面上，可在常溫條件下形成連續(xù)的、整體的、具有一定厚度的涂料防水層防腐涂料除具備一般油漆的技術性如干性、粘度、細度、沖擊、附著力、柔韌性等還要具備防腐專業(yè)的特殊要求。
潤滑涂層
潤滑涂層按其用途可分為兩類：（1）對于要求短時間內有高潤滑性供金屬冷塑性加工用的涂層；（2）涂布于要求長期穩(wěn)定潤滑性的金屬或塑料滑動件表面，兼有防腐蝕保護作用。前者用作不銹鋼絲冷拉和不銹鋼管拉拔時的潤滑涂膜，后者用于高性能小型精密機械，如照相機等。此外，還用于低成本的輕質塑料制品。
防滑涂層
防滑涂層具有很高的摩擦力，可用于道路、橋面、船甲板，大樓走廊和室內地板等簡易滑跌處，還可以涂覆于螺釘，螺栓，繩索等表面，以防止松弛或滑動
消音減震涂層
消音防振涂層用于各種機械，以達到抑制、防止和緩沖機械運動產生的振動，吸收、衰減和隔絕機械運動產生的噪音，其作用原理是將振動的能量轉化成熱能等其它形式的能量，從而起到消聲防振的效果。它除了消音防振外，還有防銹、絕熱、防止結露、抗磨損、抗化學品腐蝕等多種功能。
3.5界面功能涂層
防結露涂層
防結露涂層用建筑物的天花板、地下室、機械等表面溫度可能與氣溫相差較大而易于凝結水珠的部位。絕熱涂層和消音防振涂層較厚時也有很好的防結露作用?？照{機和冷氣設備常因凝結水而引起鋁散熱片的腐蝕、結露并產生噪音，可涂布親水性薄膜來防止結露。
防貼紙涂層
在城市街道兩旁墻壁，電線桿等處經常張貼許多廣告和宣傳海報，有損于市容的整潔，在這些地方做上防貼紙涂層（主要是地表面能的聚合物）能使廣告難于張貼，即使暫時貼上也很容易自然脫落。
防冰凍雨雪涂層
防冰雪凍結涂層用于預防飛機因結冰而墜毀，船舶上部積雪過重會翻沉，電氣機車車體和導電弓結冰會引起行車故障等意外事故。這類涂料有聚酯系涂料、改性苯乙烯一丁二烯共聚樹脂涂料、有機聚硅氧烷與聚碳酸酯共聚物涂料、氟樹脂系涂料、有機聚硅氧烷與特殊金屬化合物組成的復合材料以及化學反應性硅橡膠等。
3.6生物功能涂層
防霉涂層
防霉涂層主要是為了保持清潔和美觀，樓房壁櫥、廚房、浴室、地下室、食品加工廠，煙廠都需制作防霉涂層。在收錄機、音箱等音響設備內繁殖霉菌會影響音質，電氣、電子設備、通訊設備也會因發(fā)霉絕緣不良而發(fā)生故障。建筑物外部也會滋生霉菌，因而也需涂防霉涂層。防霉涂料是在乙烯基樹脂、丙烯酸樹脂等漆料中加人百分之幾的防霉劑（殺菌劑）制成的，有溶劑可溶性乳膠型、水溶性等多種產品。防霉劑的種類很多，有偏硼酸鋇等無機鹽類，季鐵鹽系，苯并咪哇系、苯并唾哇系等。
防污涂層
防污涂層是防止在船底和海洋工程結構上附著藤壺、貽貝、海鞘等海生動物和石藥、綠紫菜、昆布等海藻植物而制作的涂層，其作用都是在涂膜表面逐漸溶解釋出少量防污劑，防止這些海洋生物附著。傳統(tǒng)的防污劑除氧化亞銅外，還有三苯基錫和三丁基錫聚合物。近年來發(fā)現(xiàn)有機錫系防污劑有危害海洋生態(tài)環(huán)境的問題，所以現(xiàn)在有機錫系防污劑只使用在漁網防污等有限的范圍，并逐漸推廣有機硅系和氟樹脂系防污劑。
4.涂層復合材料加工方式
手工刷涂/輥涂
適用于異型件表面，成本低操作方便。對于成分較穩(wěn)定的涂層原料可以使用。
缺點：1.操作環(huán)境較差；2.產品均勻性較差；3.效率較低
高壓噴涂/靜電噴涂
目前主要的成型方式，復合牢度高，操作便利，自動化程度高
缺點：設備投入較大，對于軟質不導電材料難以成型。
刮刀刮涂
適用于膜狀平整表面，涂布厚度均勻
缺點：對于過厚產品或者異形件，無法成型。
5.涂層復合材料發(fā)展趨勢
多功能協(xié)同
功能涂層的效果往往是協(xié)同的，一個電磁屏蔽涂層往往也帶有一定的電磁吸收效果，而為了確保涂層的穩(wěn)定性和使用效果，往往需要在電磁屏蔽涂層外再添加一個保護涂層，而這個保護涂層需能很好的透過電磁波，而被吸收。因此，后續(xù)一個涂層具有多種功能，是后續(xù)的發(fā)展趨勢。
輕薄化
由于涂層是附著在材料表面的一層材料，因此需要在滿足顧客要求的條件下，盡量可能的減少涂層的厚度和重量。尤其是應用在航空，航天領域，輕量化能節(jié)約極大成本。
集成化
將功能涂層集成在單元塊上，然后單元塊按照需要在產品表面組裝，或者直接貼附載材料表面，使用方便，迅捷。目前在EMI/EMC上已經廣泛使用，隨著研究的深入，越來越多的產品將會被研發(fā)出來。
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