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防滑涂料成就“海上移动的陆地”

2020-01-09 李俊

12月17日,我国第一艘国产航空母舰“山东号”在海南三亚某军港交付海军。我国实现独立自主建造航母,是强大综合国力、科技工业实力的体现,背后则是广大参研参试人员的不懈奋斗。这其中,少不了化工人的智慧与汗水,更少不了化工材料的保驾护航。

防滑涂料成就“海上移动的陆地”

行驶在海上大风大浪中的航母,如何确保承载的舰载飞机、车辆、设备稳定,人员如履平地是研发人员考虑的关键课题之一。飞行甲板表面、飞机升降机、机库甲板、露天通道以及露天甲板等,不同的部位需要敷设不同的防滑涂层,满足特定的环境需要。

航母防滑漆的开发利用已有多年历史。最早的舰船用防滑油漆,一般采用摩擦型防滑涂层。这种涂层采用金刚砂、炉渣、氧化铝等粗质集料来增大甲板上的摩擦力。1985年,美国研制了一种胶含量仅7%的酚醛混合聚合物防滑漆,加入了填料和防打滑颗粒,其柔韧性和耐磨性极高,涂于航空母舰甲板表层能经受数千架次飞机高速着舰时的巨大冲击及摩擦。另外,日本曾使用一种高填充橡胶粉作硬性环氧树脂的防滑填充剂,以减小防打滑漆的擦伤性;德国曾用乙烯共聚物制作空心球作防滑剂,以增强防打滑漆的附着性。

20世纪80年代,我国开始研究改性环氧甲板表层漆,由于这种防滑漆的基料本身性质限制,经不起日晒雨淋,存在易碎裂、易脱落、耐冲击性差等弊端。20世纪90年代,我国开始研究改性或高性能聚氨酯甲板表层漆。这种防滑漆具有极好的弹性和韧性,优良的耐介质、耐大气老化和耐磨性,防打滑性好,摩擦系数大,涂层与底材以及涂层之间的附着力好,能适应重载冲击和环境温差引起的热胀冷缩。

另外,在航母的舰载机着舰区上,经常有阻拦索来回摆动,且阻拦索在被舰载机勾住后松开复位的过程中,全程都要和甲板上的防滑涂层作较长时间的摩擦。如果着舰区的防滑涂层集料太硬,时间长了会影响阻拦索的寿命以及安全使用。因此,这块区域防滑涂层要用质地相对软一些的标准铝合金做集料,从而防止阻拦索受到过多的磨损。
 


防腐涂料修炼“金刚不坏之身”

一年之前,正处于建造中的“山东号”航母照片在网络上流传,舰身特别是水线附近位置的锈迹,引发了网友的关注——“航母也会生锈?”

事实上,海洋是地球上最大、最严酷的腐蚀环境。海上温差大、高湿、高盐雾等气候条件大大加速了材料老化、腐蚀的进程,海水、泥沙、油气、海洋生物等也都是形形色色的腐蚀介质。作为常年在海中行驶的航母,身处这样高腐蚀性的环境中,无论是不锈钢、铝合金还是铜都得生锈,特别是位于水线的部分,生锈情况更为严重。目前,无论是我国的“辽宁号”“山东号”航母,还是美国的核动力航母,都无法完全避免舰体生锈的问题,特别是接触到海水的部分。

解决这个问题,除了舰体采用特殊金属材料提高防腐性能外,表面的防腐涂层也起到重要的防护作用。这种表面防护技术可以有效防止或延缓舰体腐蚀,目前已推广应用或处于研究阶段的防腐材料及技术包括高速电弧喷涂防腐技术、纳米电刷镀防腐技术、等离子喷涂防腐技术、非晶态合金化学镀层防腐技术、纳米固体薄膜减摩防腐技术、纳米防腐涂料及涂装技术等。

今年刚刚获得国家科学技术发明二等奖提名的“高性能海洋涂层材料设计制备新技术及其应用”项目,通过树脂的分子设计合成,形成一系列高性能涂层材料及其制备新技术。其中,中涂与面涂合二为一的长效防腐涂层材料及其制备新技术,通过设计硅氧烷与环氧树脂改进,进一步通过水解——缩聚进行交联固化反应生成有机=无机杂化树脂涂层,可将中涂与面涂合二为一,不仅大大缩短了施工周期,而且避免了传统防腐材料中涂层-涂层之间相互作用弱而导致防腐性能差的问题,研制出系列长效防腐涂层材料,大大提高了体系的防腐性能。该项目成功地应用在包括“辽宁号”、“山东号”航空母舰在内的各种舰船、海洋设施、飞机、气象仪器等。

耐高温涂料打造战机“坚强后盾”

在航母上,当舰载机起飞时,无论是弹射起飞还是滑跃起飞,在舰载机的尾部都会立起一块倾斜的长方形甲板,这就是“偏流板”或“燃气导流板”,也可以叫做挡焰板。

别看偏流板的身材不大,作用可不小。它由耐高温材料和冷却系统构成,其内部还是空心的,要敷设水冷管道来及时降温,布置在战斗机起飞的后方。当舰载机起飞时,发动机会喷射出强大的尾喷气流,要是达到加力状态,更是会喷出长长的火焰,往往会达到千度级热流。偏流板要经受得住烈焰的考验,保护航母的甲板、仪器与人员的安全。同时,航母上一批批战机频繁起飞,偏流板要长期、反复使用,偏流板要有“耐力”,其防护涂层的材料与工艺,是现代航母的核心技术之一。

有消息称,“辽宁号”航母的甲板上就喷涂了耐高温的碳化硅(SiC)涂层。SiC俗称金刚砂,又称碳硅石,是一种典型的共价键的化合物,自然界几乎不存在。1890年Eword和G.Acheso在碳中加硅作为催化剂想合成金刚石时,制备了SiC。碳化硅有α-SiC和β-SiC两种,通常α-SiC为六方或菱面体,而β-SiC为立方体。α-SiC为高温型,β-SiC为低温型,在2100℃以上时β-SiC会转变为α-SiC。SiC氧化后可以在表面形成一层SiO2薄膜,其在高温1500~1600℃以下时抗氧化性能好。此外SiC还具有其他优异的物理化学性能,如高熔点、高硬度、耐腐蚀等。因此,在航空航天、兵器装备等领域具有广阔的应用前景。但SiC本身不能作为结构材料使用,通常采用制备涂层的方法,以利用其耐磨性以及抗烧蚀性。

近年来,在高新技术领域发展起来的超细碳化硅粉体制备的方法,主要分为固相法、液相法和气相法三种。固相法原料便宜、质量稳定、易实现工业化生产,主要分为碳热还原法、Si与C直接反应法(包括高温自蔓延合成法和机械合金化法);液相法可制得高纯度的纳米级微粉,主要分为溶胶—凝胶法、聚合物热分解法和溶剂热法;气相法所得粉末纯度高,颗粒团聚少,组分易于控制,但成本高、产量低,不易实现大批量生产,主要分为气相反应沉积法(CVD)、等离子体法、激光诱导气相法等。

我国科研团队为研发新的航母偏流板涂层材料,开展了数不清的试验,最终用了不到3年的时间,优选出最适应防护、维修需求的材料。由于采用了高质高效的自动化热喷涂工艺,只需1人即可迅速完成损耗区的维修,能保证远征大洋的航母不为偏流板维修问题所困扰。目前,我国在取得第一代航母偏流板多功能防护涂层的研发、生产经验基础上,研发出第二代涂层材料,其防滑、防腐、耐热、抗冲击等性能更强。


来源:中国化工报