有机硅在人造卫星涂料上的应用

前言：有机硅涂料是一类由硅原子和氧原子交替连结组成骨架，不同的有机基团再与硅原子连结的聚合物的统称，是以有机硅聚合物或其改性聚合物为主要成膜物质的涂料，具有优良的耐热、耐寒、耐电晕、耐辐射、憎水、耐沾污、耐化学腐蚀、电绝缘性和弹性等特殊性能，近年来在产品的改性及应用上得到了迅速发展。

1、人造卫星用涂料的性能要求---

人造卫星和飞船穿过大气和重入大气返回地面，由于飞行的高速度，与大气的摩擦使卫星与飞机的外表面产生＞1000℃的高温，驻点温度瞬间甚至达到5000℃以上。为了保护卫星与飞船内部的温度恒定，使仪器正常运行，以往采用消融涂料保护。

消融涂料是以物质在高温下消耗过程中发生物理和化学的吸热反应的原理而使卫星、飞船表面降温、隔热。消融涂料以有机硅材料为主，添加低密度有机消融材料、特别是在高温条件下能产生较多的气体，带走大量的热量的材料。

随着航天科技发展，低地的、与地球同步轨道的卫星越来越多，卫星飞行寿命要求愈来愈长，因而对卫星保护涂料的耐久性要求越来越高。上世纪八、九十年代研发的有机消融隔热的涂料已不能满足航天技术的发展了。在低地轨道和与地球同步轨道卫星所处条件，有机材料易于降解，主要是由于高能量UV辐射、地面原子氧、以及卫星飞行的高速度。

高能量UV线是指波长250nm以下的波段，一般通过大气层时易被臭氧所吸收，到达地面的极少。卫星常处于这些高能量UV线的辐照，一般碳基的有机材料极易被降解，使有机聚合物材料产生断链和交联反应，从而使涂膜导热性、机械性方面改变，发生脆变和强度降低。对涂层影响的其他因素包括原子氧的降解作用、高能粒子辐射、陨尘和碎片的冲击（因卫星高速飞行），均能加速碳基有机涂膜的损坏。

采用轻质高强度复合材料卫星的外壳基材，可以增强其对外界冲击的抵抗力。在复合材料的表面覆盖一层二氧化硅涂层，其受腐蚀的速率比有机聚合物要慢1～2个数量级，对原子氧的抵御力大大提高。当涂层被腐蚀或被太空陨尘和碎片划伤，二氧化硅层能产生自加热作用，使涂层的损坏得以修复，见下图。

图  借助原子氧自动加热机理图

可以看出，涂层受空间碎片冲击损坏，经原子氧作用自动加热修复成为新的保护涂层。设计一种有机/无机杂化纳米复合陶瓷合金涂料，由部分陶瓷（无机）和部分聚合物（有机）构成，是在有机聚合物基体内嵌入金属或硅-氧网络胶束的纳米相簇。利用溶胶-凝胶制备陶瓷合金的技术是使有机相和无机相在纳米范围内协同作用，发挥抵御原子氧降解、高能UV线辐射和空间碎片的冲击，以及由卫星高速度通过大气层摩擦引起的高温。

2、卫星用有机/无机纳米复合陶瓷合金涂料---2.1 纳米复合陶瓷合金涂料结构

纳米复合陶瓷合金由环脂基环氧和烷氧基硅杂化封端的低聚物和溶胶-凝胶前驱体四乙氧基硅烷（TEOS）的低聚物，通过溶胶-凝胶技术原位制成有机/无机纳米复合陶瓷合金。在陶瓷合金涂层中无机纳米相结构加强作用如下图所示。

图  纳米相在陶瓷涂层中加强作用的模型

图中可以看出，由硅或金属-氧网络胶束的纳米相均匀地分布在有机相中，形成有机/无机纳米杂化涂层，如同陶瓷合金一样，具有抵御原子氧的降解、高能UV线辐射、高能粒子冲击的作用，大大提高涂层的耐久性。

硅或金属-氧网络胶束纳米相是溶胶-凝胶前躯体和有机树脂经水解缩合生成。

图 原位形成硅/金属-氧网络胶束作为陶瓷合金涂层在纳米尺寸范围的加强

2.2 有机/无机纳米复合陶瓷合金的制法

陶瓷合金由有机树脂（低聚物）和溶胶-凝胶前躯体组成，分别合成杂化功能基封端的环脂基环氧化物（反应过程见下图）和TEOS的低聚物。

图 杂化封端功能基化的聚（二甲基硅氧烷-共-甲基氢硅氧烷）环脂基环氧化物

最后所得有机低聚物是由环脂基环氧和三乙氧基硅烷封端，后者是和溶胶-凝胶前躯体反应的功能基，而封端的环氧基是提供阳离子UV固化的前提。

溶胶-凝胶前躯体——四乙氧硅烷（TEOS）低聚物合成：

在单颈园底烧瓶中加入TEOS（100g）、乙醇（88g）和蒸馏水（8g），氢氯酸（0.5g）在机械混合时滴加。在真空下蒸除混合物中的溶剂后得到TEOS低聚物。1H NMR在3.9ppm显示强特征，已为反应工艺所证实。

有机/无机纳米复合陶瓷合金涂料的性能：

将有机低聚物和溶胶-凝胶前躯体TEOS低聚物以一定比例配合，在蒽和光敏剂存在下（分别为0.01％和3％质量），进行UV固化。涂层一旦固化，形成有机/无机纳米复合陶瓷合金涂膜，这种涂膜如暴露于原子氧时，就形成氧化硅保护层，结合硅-氧网络胶束纳米相，将防止原子氧、高能粒子和高能UV辐射的冲击破坏。由差光扫描量热仪（PDSC）测量总反应热进行了确证。

有机/无机纳米复合陶瓷合金涂料用于人造地球卫星的保护涂料，本文对其性能、可能具备的结构、制备技术路线、UV固化速率的影响因素进行了探讨，启示进一步开发该特种功能涂料有重要作用。由于人造地球卫星所用涂料是特殊涂料，属高科技，保密性相对较强。（较原文《有机硅树脂涂料最新进展》有删减，作者刘国杰）

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好像不是这样的吧

谢谢楼主分享