高导热碳/碳复合材料表面高发射率涂层的制备及性能

研究成果

目的：

高导热碳/碳（HTC-C/C）复合材料表面的红外发射率较低，导致其辐射散热能力较差，为进一步提高其热管控能力，需要在其表面涂覆高发射率涂层。本文通过使用压缩空气喷涂法在HTC-C/C复合材料表面制备了一种高发射率与强结合力涂层。

方法：

首先取十二烷基苯磺酸钠(SDBS)加入异丙醇(IPA)中混合均匀得到异丙醇分散液，随后将碳纳米管(CNTs）和纳米碳黑(CB)依次加入IPA分散液中超声分散30 min，再加入酚醛树脂(PF)，超声分散均匀。将HTC-C/C样品放于85℃加热板上预热五分钟，用以上充分分散好的涂料用空气压缩机喷涂到HTC-C/C复合材料的表面，得到多孔高发射率涂层。再通过化学气相沉积（CVD）法在涂层表面孔隙中沉积热解碳达到提高结合力的目的，最终得到微孔高发射率与强结合力涂层。将不同比例的CB与CNTs制备的涂层依次命名为CNTs/CB-PyC-1、CNTs/CB-PyC-2、CNTs/CB-PyC-3、CNTs/CB-PyC-4，研究了不同配比下的涂层发射率与结合力的变化规律，探究了热震和高温热处理对高发射率涂层组织和性能的影响。

结果：

①受不同尺度粗糙表面的影响，CNTs与CB构成的均匀网格锯齿状起伏结构可以有效提升发射率，随粗糙度的增加，发射率也逐渐升高。用简单的喷涂工艺即制备了不同形貌结构的CNTs/CB涂层。CB比例过多时，涂层孔隙较小，热解碳(PyC)沉积过程中会造成封孔现象，不利于PyC在涂层内部的沉积，涂层与基体间结合力较差，CNTs比例过多时，涂层表面比表面积减小，表面反射位点减少，导致发射率下降，当CNTs与CB质量分数达到最优比例时，发射率可达0.97以上，相较于未喷涂的高导热碳/碳（HTC-C/C）基体，发射率提高了40%以上。

②沉积PyC后，CNTs与CB表面都覆盖了相当量的PyC而彼此之间粘结在一起，复合涂层中构成连接更强的CNTs网格结构，使涂层具有更好的结合力，PyC沉积时间为15 min时，纳米划痕法测得结合力在25 N以上。经300℃↔-196℃ 60次热循环后，CNTs/CB-PyC复合涂层在发射率达0.94以上的同时仍可以保持不开裂，具有良好的抗热震性能。

③在氩气保护气氛下，经过1500℃以上热处理后，涂层中的纳米碳材料微观有序程度发生改变，导致涂层发射率呈现波长依赖性，短波长范围内发射率有所提高，长波长范围内发射率有所下降，但是由于各个波段的协同作用，全测试波段（1-22 μm）发射率波动较小。

结论：

基于热物理性能相匹配的原则，发展出在HTC-C/C复合材料表面制备碳质涂层的方法。选用低成本工业炭黑和多壁碳纳米管作为涂层主要原料，采用空气喷涂的方法可实现对高红外发射率涂层的大规模工业化低成本制备，工艺简单，成本较低，涂层在保证高发射率的同时具有强结合力和良好的热稳定性。涂层中的纳米碳材料在热处理后全测试波段（1-22 μm）发射率波动较小，可很好的应用在太空高温无氧环境中。

引用：薛正航, 张守阳, 张若茜, 等. 高导热碳/碳复合材料表面高发射率涂层的制备及性能[J]. 复合材料学报, 2025, 42(6): 3366-3376.