涂层复合材料综述

 

1.复合材料简介

 

复合材料是指由两种或者两种以上的具有不同物理、化学性质的材料，以微观或宏观等不同的结构尺度与层次，经过复杂的空间组合而形成的一个材料系统。从人类发展初期的稻草增强粘土，到已经使用百年的钢筋混凝土，再到目前广泛应用的玻璃钢制品，复合材料已经深入到我们生活的各个细节。随着科技的发展，对材料的要求越来越高、越来越多，越来越严，单一的材料已经不能满足产品性能的要求，于是越来越多的复合材料被开发出来。复合材料的发展，大大的拓宽了材料的种类和应用，为材料科学的发展注入了新的活力。

 

复合材料的分类：按照基体材料分类，可以分为金属基复合材料，聚合物基复合材料，陶瓷基复合材料，碳基复合材料、水泥基复合材料等；按照增强材料的形态，可以分为纤维状分散相复合材料，颗粒状分散相复合材料和片状分散相复合材料；按照材料作用，可以分为结构复合材料和功能复合材料。

 

本文主要针对复合材料中的涂层复合材料进行探讨。

 

2.涂层复合材料介绍

 

涂层复合材料是通过在基体材料表面制作涂层，通过涂层赋予基体种种特性的材料。基体可以为金属（如铝合金，铜材料等），也可以为聚合物材料（如PI薄膜，PA注塑件等）。该材料属于片状分散复合材料，即涂层与基体为可见的两层片状，界面上通过化学键或范德华力粘结在一起。涂层复合材料属于功能复合材料，具体的功能主要依据涂层的特性。目前主要的功能涂层有：电磁功能涂层（防腐、电气绝缘、电磁波屏蔽、隐身、导电、电磁波吸收），热功能涂层（防火、阻燃、保温、耐热、示温），光学功能涂层（发光、荧光、太阳光选择吸收、循环反射），机械功能涂层（可粘贴，玻璃防破损、可剥离、弹性、润滑、防滑、消音防振、耐碎落等），界面功能涂层（防结露、防贴纸、防冰雪冻结等），生物功能涂层（防霉、船体防污等）等。涂层厚度依据具体功能要求而定，可以从1um-10mm。涂布方式有：浸渍、手工刷涂，喷涂（静电喷涂和高压喷涂），刮刀刮涂等。

 

3.涂层复合材料特性介绍

 

3.1电磁功能涂层

 

防腐涂层是根据电化学腐蚀原理，在基体（金属、水泥或木材等）表面涂布一层保护作用的涂层。该涂层除了需具备一般油漆的技术性（如干性、粘度、细度、冲击、附着力和柔韧性等）之外，还需具备防腐专业的特殊要求。涂层的防腐功能在于涂层的屏蔽作用、电阻效应、湿附着力、化学钝化及阴极保护作用等。一般的防腐涂层分为三层，分别为底层，中间层和表层。底层通过添加抗锈剂（富锌材料），抗渗剂防止生锈的形成和发展，中间层和表层赋予基材外观特性。涂层厚度200um左右。

 

电气绝缘涂层

 

电气绝缘涂层主要应用在电线和电气设备，起绝缘和保护作用，分为涂覆表面型和填充绝缘空隙型。涂覆表面层主要使用涂料类材料，以聚氨酯体系，环氧体系，PI为主。以PI为主料的绝缘涂层绝缘等级能达到F级和H级。填充绝缘型则使用绝缘材料对材料进行填充，E级或以下要求，用聚酯薄膜涂布后缠绕成型，F级或以上，用PI薄膜或PI涂布有机硅压敏胶缠绕。

 

电磁波屏蔽涂层和导电涂层

 

电磁波和静电干扰会导致电视画面混乱，收音机产生杂音、计算机运算失误，甚至导致机器人杀人的重大事故；强电磁波发射源的电磁辐射，对环境和操作人员亦会造成巨大伤害，因此需要进行适当的电磁屏蔽和静电屏蔽。通过电磁波屏蔽材料，反射电磁波，能有效避免电磁波的干扰。电子和电器设备在过去一般使用金属外壳进行屏蔽，但是现在随着塑料材料的大量使用，电磁干扰问题日益突出。往材料内部填充导电成分和在材料表面贴覆导电涂层，是避免电磁波干扰的主要解决方案。而材料内部填充导电成分后，往往会对材料的机械性能造成影响，因此，在材料表面贴覆导电涂层是最有效的方法。现有导电涂层的做法分为：直接涂布导电涂料和贴合导电胶带两种。前者是将混有导电粉末（如金属粉末，金属氧化物，石墨碳及表面镀覆金属或碳的各种有机或无机粉末）的涂料涂覆在材料表面。导电胶带主要以金属箔背导电胶，以及使用导电粒子改性胶水制成胶带。如3M的导电胶带（5000、6000、7000系列）。导电胶带由于易施工，稳定，逐渐开始在电子行业推广应用，但是胶带的粘结强度和稳定性还需要再提高。

 

电磁波吸收涂层

 

电磁波吸收涂层材料是通过吸收电磁波辐射能量使电磁波衰减而达到防止电磁干扰的材料。高层建筑物反射的电磁波会使电视广播的接收信号受到干扰，产生所谓的重象；在船舶行驶到大型桥梁附近时，船上雷达也会产生重象，影响船舶在夜间或浓雾时的航行安全；飞机飞行时机上雷达会产生同样的问题。为防止高层建筑物、桥梁、船舶、飞机等反射电磁波，可在其上涂覆电磁波吸收涂料。现有工艺为使用电磁波吸收涂料进行喷涂。电磁吸收材料为铁系（铁粉，铁氧体，多晶铁纤维等）、碳系（石墨、乙炔炭黑、碳纤维管，碳纳米管等）、陶瓷系、等离子体以及手性吸波材料等。吸波涂层需配合EMI涂层，才能达到理想的效果。

 

隐身涂层

 

隐身技术主要运用于军事领域，是指在一定侦测环境中，控制和降低目标的可识别特征信号，使其在一定范围内难以被发现、识别和被攻击。现阶段主要针对雷达和红外探测技术，其中针对雷达的隐身技术从二战到现在，经过60多年的发展，已趋于成熟，针对红外探测是技术和激光探测技术将是未来的发展方向。和电磁波吸收涂层类似，隐身涂层的成型工艺主要为涂覆型和结构型，为达到较好的吸波效果，往往在一个产品中，两者兼而有之。针对可见光的隐身技术，迷彩是简单的方式，二战时灯具隐身技术，而目前，薄荧光板、发光聚合物板和闪烁蒙皮已经能使飞机隐形了。

 

磁性涂层

 

广泛用于录音带、录像带、计算机软磁盘、各种信用卡、火车票和定期乘车券上，此外，还有电子照相划线用漆料和印刷电路、集成电路用涂料。前者是用环氧树脂配合光导电性氧化锌而制成预涂底漆；后者是采用电泳涂装技术与感光性树脂技术的印刷电路板用紫外线固化电泳光刻胶。

 

3.2热功能涂层

 

耐热涂层

 

用于工业设备的管道、反应器、工业和家庭用焚烧炉，火炉盖板、烟囱内壁、热交换器、涡轮增压器、汽车和摩托车等的排气系统。主要使用涂覆成型，原料分有机类和无机类两种，有机类有硅树脂系、氟系和聚酞亚胺系；无机类有碱性金属盐系，酸式盐系、硅溶胶系和金属醇盐系。

 

阻燃防火涂层

 

阻燃防火涂料属于特种功能材料。将性能优良的防火涂料涂覆于基材表面，常态下发挥装饰、防腐，防绣、延长使用寿命等作用；火灾发生时，通过功能化作用控制基体温升，延缓建筑垮塌时间，为人员、财产疏散和消防灭火赢得时间。更重要的，防火阻燃材料能阻止火焰的传播，控制火势的发展，对基体结构起到有效的保护作用。

 

示温涂层

 

示温涂料这是一种在特定温度下会发生颜色变化的涂料。示温涂料分为颜色变化可逆性和不可逆性两大类。可逆性示温涂料采用无机变色颜料，利用晶型转变原理变色，在一定的温度范围内可以使用多次。而不可逆性示温涂料采用CO、Ni、Fe、Cu、Cr、Mn、Pb等的盐类作颜料，这类不可逆性示温涂料适用于记录化学反应器等装置不能测定的温度，以及不能用眼来观察控制温度变化的部位。广泛运用于难以测量表面温度的地方，如化学工业的气化炉，石油工业的裂解炉，航空、航天工业发动机中等。

 

保温涂层

 

保温涂层通过在产品表面喷涂保温材料而形成保温层，现有使用PVC和PU发泡材料喷涂在材料表面而制作保温层的工艺。

 

3.3光学功能涂层

 

发光涂层

 

发光涂层是利用光学功能涂料在材料表面制作的涂层，采用荧光物质作颜料，荧光物质受到短波长辐射、电子束等照射时可将辐射能转变为可见光能。该涂料大致可分为夜光涂料和荧光涂料。

 

太阳光选择吸收涂层

 

太阳光选择吸收涂层主要是用于吸收太阳能集热器，这类涂料能形成0.3一2.5nm波长光的吸收率大、红外（波长在3.0nm以上）辐射率小的涂膜。这类涂料是将具有半导体性质的颜料，如CuO，Co2O4，PbS，NiS等分散在丙烯酸类树脂（高透明性树脂）清漆中而制成，并将其涂覆在铝、铜、镍、不锈钢等红外光反射率大的金属表面，或是镀有这些金属的塑料表面，从而形成一层薄薄的涂膜。当膜厚增大时，光的选择性吸收率接近于一般的黑色涂料。

 

循环反射涂层

 

循环反射涂层是一类利用微玻璃珠的循环反射（光波经折射和反射后重新折向光源方向）性质的制作而成，它可用作道路标志和标牌涂饰，用以反射汽车头灯的光，以保证夜间或雨天的交通行车安全，也可涂覆于防护墙、电线杆、路缘石等混凝土面和栏杆、桥墩、广告牌等金属表面。

 

3.4机械功能涂层

 

可粘结涂层

 

可粘结涂层赋予材料粘结性能，使材料的实际使用性大大增强。典型的是涂覆上压敏胶或者热熔胶，使产品能按照要求贴合到所需材料上。

 

防破损涂层

 

主要涂布在玻璃等易碎材料的表面，形成有弹性的膜，使玻璃在破碎时，碎屑不至于飞溅伤人。

 

可剥离涂层

 

用于货品在运输途中暂时防止受到损伤、生锈、变色的涂料，它形成的涂层在货品转到使用者手中后可以剥离下来，多用于不锈钢制品和各种电镀制品的涂装。

 

弹性涂层

 

多用于建筑物的混凝土外墙上，以防止龟裂和防水渗透，如防水涂层是由合成高分子聚合物、高分子聚合物与沥青、高分子聚合物与水泥为主要成膜物质，加入各种助剂、改性材料、填充材料等加工制成的溶剂型、水乳型或粉末型的涂料，经涂覆而成。该涂料涂刷在建筑物的屋顶、地下室、卫生间、浴室和外墙等需要进行防水处理的基层表面上，可在常温条件下形成连续的、整体的、具有一定厚度的涂料防水层防腐涂料除具备一般油漆的技术性如干性、粘度、细度、冲击、附着力、柔韧性等还要具备防腐专业的特殊要求。

 

润滑涂层

 

润滑涂层按其用途可分为两类：（1）对于要求短时间内有高润滑性供金属冷塑性加工用的涂层；（2）涂布于要求长期稳定润滑性的金属或塑料滑动件表面，兼有防腐蚀保护作用。前者用作不锈钢丝冷拉和不锈钢管拉拔时的润滑涂膜，后者用于高性能小型精密机械，如照相机等。此外，还用于低成本的轻质塑料制品。

 

防滑涂层

 

防滑涂层具有很高的摩擦力，可用于道路、桥面、船甲板，大楼走廊和室内地板等简易滑跌处，还可以涂覆于螺钉，螺栓，绳索等表面，以防止松弛或滑动

 

消音减震涂层

 

消音防振涂层用于各种机械，以达到抑制、防止和缓冲机械运动产生的振动，吸收、衰减和隔绝机械运动产生的噪音，其作用原理是将振动的能量转化成热能等其它形式的能量，从而起到消声防振的效果。它除了消音防振外，还有防锈、绝热、防止结露、抗磨损、抗化学品腐蚀等多种功能。

 

3.5界面功能涂层

 

防结露涂层

 

防结露涂层用建筑物的天花板、地下室、机械等表面温度可能与气温相差较大而易于凝结水珠的部位。绝热涂层和消音防振涂层较厚时也有很好的防结露作用。空调机和冷气设备常因凝结水而引起铝散热片的腐蚀、结露并产生噪音，可涂布亲水性薄膜来防止结露。

 

防贴纸涂层

 

在城市街道两旁墙壁，电线杆等处经常张贴许多广告和宣传海报，有损于市容的整洁，在这些地方做上防贴纸涂层（主要是地表面能的聚合物）能使广告难于张贴，即使暂时贴上也很容易自然脱落。

 

防冰冻雨雪涂层

 

防冰雪冻结涂层用于预防飞机因结冰而坠毁，船舶上部积雪过重会翻沉，电气机车车体和导电弓结冰会引起行车故障等意外事故。这类涂料有聚酯系涂料、改性苯乙烯一丁二烯共聚树脂涂料、有机聚硅氧烷与聚碳酸酯共聚物涂料、氟树脂系涂料、有机聚硅氧烷与特殊金属化合物组成的复合材料以及化学反应性硅橡胶等。

 

3.6生物功能涂层

 

防霉涂层

 

防霉涂层主要是为了保持清洁和美观，楼房壁橱、厨房、浴室、地下室、食品加工厂，烟厂都需制作防霉涂层。在收录机、音箱等音响设备内繁殖霉菌会影响音质，电气、电子设备、通讯设备也会因发霉绝缘不良而发生故障。建筑物外部也会滋生霉菌，因而也需涂防霉涂层。防霉涂料是在乙烯基树脂、丙烯酸树脂等漆料中加人百分之几的防霉剂（杀菌剂）制成的，有溶剂可溶性乳胶型、水溶性等多种产品。防霉剂的种类很多，有偏硼酸钡等无机盐类，季铁盐系，苯并咪哇系、苯并唾哇系等。

 

防污涂层

 

防污涂层是防止在船底和海洋工程结构上附着藤壶、贻贝、海鞘等海生动物和石药、绿紫菜、昆布等海藻植物而制作的涂层，其作用都是在涂膜表面逐渐溶解释出少量防污剂，防止这些海洋生物附着。传统的防污剂除氧化亚铜外，还有三苯基锡和三丁基锡聚合物。近年来发现有机锡系防污剂有危害海洋生态环境的问题，所以现在有机锡系防污剂只使用在渔网防污等有限的范围，并逐渐推广有机硅系和氟树脂系防污剂。

 

4.涂层复合材料加工方式

 

手工刷涂/辊涂

 

适用于异型件表面，成本低操作方便。对于成分较稳定的涂层原料可以使用。

 

缺点：1.操作环境较差；2.产品均匀性较差；3.效率较低

 

高压喷涂/静电喷涂

 

目前主要的成型方式，复合牢度高，操作便利，自动化程度高

 

缺点：设备投入较大，对于软质不导电材料难以成型。

 

刮刀刮涂

 

适用于膜状平整表面，涂布厚度均匀

 

缺点：对于过厚产品或者异形件，无法成型。

 

5.涂层复合材料发展趋势

 

多功能协同

 

功能涂层的效果往往是协同的，一个电磁屏蔽涂层往往也带有一定的电磁吸收效果，而为了确保涂层的稳定性和使用效果，往往需要在电磁屏蔽涂层外再添加一个保护涂层，而这个保护涂层需能很好的透过电磁波，而被吸收。因此，后续一个涂层具有多种功能，是后续的发展趋势。

 

轻薄化

 

由于涂层是附着在材料表面的一层材料，因此需要在满足顾客要求的条件下，尽量可能的减少涂层的厚度和重量。尤其是应用在航空，航天领域，轻量化能节约极大成本。

 

集成化

 

将功能涂层集成在单元块上，然后单元块按照需要在产品表面组装，或者直接贴附载材料表面，使用方便，迅捷。目前在EMI/EMC上已经广泛使用，随着研究的深入，越来越多的产品将会被研发出来。