一種鈦合金ta2表面高太陽吸收率低發(fā)射率膜層的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種鈦合金TA2表面陶瓷膜層的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]工業(yè)上常用的工業(yè)純鈦是TA2，因其耐蝕性能和綜合力學(xué)性能適中，強(qiáng)度不高，塑性好，易于加工成型，沖壓、焊接，可切削加工，性能良好；在大氣、海水、濕氯氣及氧化性、中性、弱還原性介質(zhì)中具有良好的腐蝕性，抗氧化性優(yōu)于大多數(shù)奧氏體不銹鋼，因此鈦合金TA2在工業(yè)以及航天上應(yīng)用比較廣泛。
[0003]能源危機(jī)讓人們注意到太陽能這一清潔能源，但太陽輻射照到地球后的輻射能量密度較低，這就給大規(guī)模利用太陽能帶來極大的障礙，所以有必要在將太陽能利用之前，通過一些方法來提高它的能量密度。具有高吸收率低發(fā)射率這一光學(xué)性質(zhì)的涂層對太陽能吸收率高，而自身的發(fā)射率卻很低，能夠把能量密度較低的太陽能轉(zhuǎn)換成高能量密度的熱能，把太陽能聚集在一起。而且高吸收率低發(fā)射率膜層在紅外隱身方面也有廣泛的應(yīng)用。因此，制備性能優(yōu)良的高太陽能吸收率低發(fā)射率的選擇性吸收涂層對太陽能利用技術(shù)以及紅外隱身有重要意義。
[0004]國內(nèi)外采用陶瓷材料作為選擇性吸收涂層的基體材料，并且研究關(guān)于金屬-陶瓷復(fù)合材料用于選擇性吸收涂層，金屬主要有Mo、Cr、N1、Cu、Co、Au、Pt、W等，陶瓷主要有A1203、S1jP MgO等。研究發(fā)現(xiàn)涂層中有多層折射系數(shù)不同的吸收層可以提高太陽輻射吸收率。因此設(shè)計(jì)多層以上的吸收層，特別是三層以上的吸收層，可以大大地提高涂層的吸收率。比如，基礎(chǔ)層是金屬陶瓷復(fù)合材料，中間層是Ni/N1+金屬，而最外層(減反射層)是A14N3/A1203?，F(xiàn)階段研究的有噴射熱解法制備CoO選擇性吸收涂層。還有采用真空鍍膜工藝制備的黑鋁太陽能選擇性吸收涂層。也有用磁控濺射法制備高吸收低發(fā)射膜層。有人制備了一種AlNxOy選擇性吸收涂層，但僅能在真空環(huán)境中使用。但是多層結(jié)構(gòu)的涂層不僅制備工藝復(fù)雜，成本高，不利于工業(yè)化生產(chǎn)；而且膜層的增加將會導(dǎo)致隨溫度的升高熱發(fā)射比會急劇上升。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是要解決現(xiàn)有鈦合金TA2表面的涂層存在太陽能吸收率低，自身發(fā)射率高，膜層與基體的結(jié)合力不高的問題，而提供一種鈦合金TA2表面高太陽吸收率低發(fā)射率膜層的制備方法。
[0006]—種鈦合金TA2表面高太陽吸收率低發(fā)射率膜層的制備方法，是按以下步驟完成的:
[0007]—、鈦合金TA2前處理:依次使用240目水磨砂紙和1000目的水磨砂紙對鈦合金TA2進(jìn)行打磨處理，得到去除毛刺和氧化層的鈦合金TA2 ;將去除毛刺和氧化層的鈦合金TA2浸入到HF和順03的混合溶液中3s?10s，得到表面光滑的鈦合金TA2 ;使用NaOH溶液去除表面光滑的鈦合金TA2表面的油，再使用蒸餾水清洗，最后使用電吹風(fēng)吹干，得到處理后的鈦合金TA2 ；
[0008]步驟一所述的NaOH溶液由NaOH和蒸餾水混合而成，且所述的NaOH的質(zhì)量與蒸餾水的體積比為(8g?15g):1L ；
[0009]步驟一中所述的HF和圓03的混合溶液由質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%氫氟酸和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65%的硝酸混合而成；所述的HF和圓03的混合溶液中質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%氫氟酸與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65%的硝酸的體積比為1:1;
[0010]二、微弧氧化:將處理后的鈦合金TA2置于不銹鋼中的電解液中，處理后的鈦合金TA2與電源的正極相連接，作為陽極，不銹鋼電解槽與電源的負(fù)極相連接，作為陰極；采用脈沖微弧氧化電源供電，在升壓時(shí)間為5s?15s、恒電壓為300V?500V、電源頻率為50Hz?2000Hz、占空比為10%?45%、電解液的溫度為20°C?40°C和電解液的pH值為11?13的條件下反應(yīng)Is?10s，得到鈦合金TA2表面高太陽吸收率低發(fā)射率膜層；
[0011]步驟二中所述的電解液由主成膜劑和輔助成膜劑組成，溶劑為水；所述的主成膜劑的濃度為3g/L?10g/L ;輔助成膜劑的濃度為10g/L?20g/L。
[0012]本發(fā)明的原理:
[0013]太陽能光譜能量主要集中在300nm?2500nm的范圍，而可見光的波長范圍為400nm?800nm，當(dāng)太陽光照射到膜層表面上時(shí)，入射光進(jìn)入孔結(jié)構(gòu)，而孔徑在500nm左右，能夠束縛住大部分入射光，使反射光強(qiáng)大幅度減少，另外微弧氧化在TA2表面生成的金屬氧化物也能夠吸收太陽光譜，所以有高的吸收率；光滑表面的金屬的輻射率很低，通過控制膜層的厚度，在表面多孔的情況下使膜層盡可能的薄有利于紅外發(fā)射率的降低，膜層厚度小于I μ m，所以得到的發(fā)射率低。
[0014]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn):
[0015]—、本發(fā)明使用微弧氧化技術(shù)在鈦合金TA2上原位生長多孔的陶瓷膜層，由于是原位生長的特點(diǎn)，故膜層與基體的結(jié)合能力很強(qiáng)，克服膜層粘附不牢這一缺點(diǎn)；
[0016]二、本發(fā)明使用的微弧氧化技術(shù)工藝簡單，成本低，容易實(shí)現(xiàn)，對制備高太陽能吸收率低發(fā)射率膜層有很重要的意義；
[0017]三、本發(fā)明采用微弧氧化技術(shù)制備涂層，涂層中元素主要來自于基體和溶液中的離子，且微弧氧化過程在電解液中完成，所以就可以通過調(diào)節(jié)溶液中的溶質(zhì)來調(diào)節(jié)膜層的元素及相組成，制備功能優(yōu)異的膜層；
[0018]四、本發(fā)明制備的鈦合金TA2表面高太陽吸收率低發(fā)射率膜層的厚度為0.3 μπι?I μ m，膜層的粗糙度為0.2 μ m?0.25 μ m，太陽吸收率為0.82?0.9，發(fā)射率為0.08?0.13 ；
[0019]五、本發(fā)明制備的鈦合金TA2表面高太陽吸收率低發(fā)射率膜層在溫度為500°C條件下，保溫3min，再放入到水中冷卻，反復(fù)進(jìn)行熱震實(shí)驗(yàn)70次，涂層不脫落，表明本發(fā)明所制得的鈦合金TA2表面高太陽吸收率低發(fā)射率膜層具有優(yōu)良的結(jié)合力和熱穩(wěn)定性。
[0020]本發(fā)明可獲得一種鈦合金TA2表面高太陽吸收率低發(fā)射率膜層的制備方法。
【附圖說明】
[0021]圖1為實(shí)施例一制備的鈦合金TA2表面高太陽吸收率低發(fā)射率膜層的SEM圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]【具體實(shí)施方式】一:本實(shí)施方式是一種鈦合金TA2表面高太陽吸收率低發(fā)射率膜層的制備方法是按以下步驟完成的:
[0023]一、鈦合金TA2前處理:依次使用240目水磨砂紙和1000目的水磨砂紙對鈦合金TA2進(jìn)行打磨處理，得到去除毛刺和氧化層的鈦合金TA2 ;將去除毛刺和氧化層的鈦合金TA2浸入到HF和順03的混合溶液中3s?10s，得到表面光滑的鈦合金TA2 ;使用NaOH溶液去除表面光滑的鈦合金TA2表面的油，再使用蒸餾水清洗，最后使用電吹風(fēng)吹干，得到處理后的鈦合金TA2 ；
[0024]步驟一所述的NaOH溶液由NaOH和蒸餾水混合而成，且所述的NaOH的質(zhì)量與蒸餾水的體積比為(8g?15g):1L ；
[0025]步驟一中所述的HF和圓03的混合溶液由質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%氫氟酸和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65%的硝酸混合而成；所述的HF和圓03的混合溶液中質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%氫氟酸與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65%的硝酸的體積比為1:1;
[0026]二、微弧氧化:將處理后的鈦合金TA2置于不銹鋼中的電解液中，處理后的鈦合金TA2與電源的正極相連接，作為陽極，不銹鋼電解槽與電源的負(fù)極相連接，作為陰極；采用脈沖微弧氧化電源供電，在升壓時(shí)間為5s?15s、恒電壓為300V?500V、電源頻率為50Hz?2000Hz、占空比為10%?45%、電解液的溫度為20°C?40°C和電解液的pH值為11?13的條件下反應(yīng)Is?10s，得到鈦合金TA2表面高太陽吸收率低發(fā)射率膜層；
[0027]步驟二中所述的電解液由主成膜劑和輔助成膜劑組成，溶劑為水；所述的主成膜劑的濃度為3g/L?10g/L ;輔助成膜劑的濃度為10g/L?20g/L。
[0028]本實(shí)施方式的優(yōu)點(diǎn):
[0029]—、本實(shí)施方式使用微弧氧化技術(shù)在鈦合金TA2上原位生長多孔的陶瓷膜層，由于是原位生長的特點(diǎn)，故膜層與基體的結(jié)合能力很強(qiáng)，克服膜層粘附不牢這一缺點(diǎn)；
[0030]二、本實(shí)施方式使用的微弧氧化技術(shù)工藝簡單，成本低，容易實(shí)現(xiàn)，對制備高太陽能吸收率低發(fā)射率膜層有很重要的意義；
[0031]三、本實(shí)施方式采用微弧氧化技術(shù)制備涂層，涂層中元素主要來自于基體和溶液中的離子，且微弧氧化過程在電解液中完成，所以就可以通過調(diào)節(jié)溶液中的溶質(zhì)來調(diào)節(jié)膜層的元素及相組成，制備功能優(yōu)異的膜層；
[0032]四、本實(shí)施方式制備的鈦合金TA2表面高太陽吸收率低發(fā)射率膜層的厚度為0.3 μ m?I μ m，膜層的粗糙度為0.2 μ m?0.25 μ m，太陽吸收率為0.82?0.9，發(fā)射率為0.08 ?0.13 ;
[0033]五、本實(shí)施方式制備的鈦合金TA2表面高太陽吸收率低發(fā)射率膜層在溫度為500°C條件下，保溫3min，再放入到水中冷卻，反復(fù)進(jìn)行熱震實(shí)驗(yàn)70次，涂層不脫落，表明本發(fā)明所制得的鈦合金TA2表面高太陽吸收率低發(fā)射率膜層具有優(yōu)良的結(jié)合力和熱穩(wěn)定性。
[0034]本實(shí)施方式可獲得一種鈦合金TA2表面高太陽吸收率低發(fā)射率膜層的制備方法。
[0035]【具體實(shí)施方式】二:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一不同點(diǎn)是:步驟二中所述的主成膜劑為鋁酸鈉。其他步驟與【具體實(shí)施方式】一相同。
[0036]【具體實(shí)施方式】三:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一或二之一不同點(diǎn)是:步驟二中輔助成膜劑為磷酸三鈉、次亞磷酸鈉、六偏磷酸鈉和多聚磷酸中的一種或其中幾種的混合液。其他步驟與【具體實(shí)施方式】一或二相同。
[0037]【具體實(shí)施方式】四:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至三之一不同點(diǎn)是:步驟二中將處理后的鈦合金TA2置于不銹鋼中的電解液中，處理后的鈦合金TA2與電源的正極相連接，作為陽極，不銹鋼電解槽與電源的負(fù)極相連接，作為陰極；采用脈沖微弧氧化電源供電，在升壓時(shí)間為5s?10s、恒電壓為300V?400V、電源頻率為50Hz?100Hz、占空比為10%?30%、電解液的溫度為20°C?25°C和電解液的pH值為11?12的條件下反應(yīng)Is?5s，得到鈦合金TA2表面高太陽吸收率低發(fā)射率膜層。其他步驟與【具體實(shí)施方式】一至三相同。
[0038]【具體實(shí)施方式】五:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至四之一不同點(diǎn)是:步驟二中將處理后的鈦合金TA2置于不銹鋼中的電解液中，處理后的鈦合金TA2與電源的正極相連接，作為陽極，不銹鋼電解槽與電源的負(fù)極相連接，作為陰極；采用脈沖微弧氧化電源供電，在升壓時(shí)間為1s?15s、恒電壓為400V?500V、電源頻率為100Hz?2000Hz、占空比為10%?30%、電解液的溫度為25°