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舰船新型涂料的研究进展


                                 舰船新型涂料的研究进展

                                        张文毓

                          (洛阳船舶材料研究所,河南洛阳471003)

    摘要:介绍了新型船舶涂料的种类。综述了船舶用防污涂料、船体防锈涂料和舰用特种功能涂料包括吸波涂料、纳米隐身涂料和其它新型涂料(防滑涂层、潜艇特征信号控制涂层、新型光触谋涂料、新型室温可逆变色涂料、新型热防护涂料、热障涂层和溶胶一凝胶涂层等)的性能和研究状况。指出了其发展趋势。

    关键词:纳米涂料;船舶涂料;防污;防锈;防滑

    中图分类号:TG178;TQ630.79 文献标识码:B

    文章编号:1004一227X (2006 )12 -0006一04

    1 前言

    海洋中微生物、植物和动物附着在舰船上并对之产生不利影响的现象称为污损。污损不仅增加船舶的自重,减少船舶的载重,同时将大大增大船体的阻力,造成船舶航速降低和燃油消耗量增大。防止海洋生物污损的最有效的方法就是采用防污涂料。本文综述了船舶涂料、船用吸波涂料以及纳米隐身涂料等新型涂料的现状和应用情况。研究表明,在不久的将来一系列环保型涂料和先进的电化学方法将在舰船和海洋结构上得到应用和推广。吸波涂料因具有施工简便、对目标的外形适应性强和武器系统的机动火力性能影响小等特点,倍受各国重视。纳米隐身涂料是纳米技术与隐身涂料的结合,是一种优良的电磁波吸收材料,它不仅能吸收雷达波,而且能很好地吸收可见光和红外线。因此,具有广阔的应用价值和前景rat。舰船涂料作为舰船主要防护手段之一,遍及舰船各个角落。舰船虽小,但其涂料品种齐全,几乎涉及大部分工业涂料品种,是涂料工业水平的缩影

和具体表现。

    2 新型船舶涂料的种类

    涂料是将各种材料(包括有机树脂为基础的涂料、无机成膜物涂料、金属、陶瓷等)采用适当的表面处理技术和涂装方法在底材表面形成具有保护、装饰和特殊功能的材料。其中,最突出的特点是它的功能性,而针对国防军工等高新技术产业的需求而发展起来的涂料种类有船舶用防污涂料、船体防锈涂料、舰用特种功能涂料、吸波涂料、纳米隐身涂料、防滑涂料、阻尼涂料、重防腐蚀涂料、防火涂料、新型光触媒涂料等。

    2.1 舰船用防污涂料

    在使用各类船舶去探索未知世界和开发利用海洋资源的历史进程中,就一直面临着严重腐蚀环境和防除海洋附着生物的问题。在众多防污方法中,采用船舶防污涂料和防锈涂料是船舶防污防锈方法中最方便和最实际的手段。目前防污涂料发展的主要方向有:(1)不含有机锡的自抛光防污涂料;(2)无锡的磨蚀型防污涂料;(3)无毒防污涂料(低表面能涂料、生物防污涂料等);(4)导电防污涂料。其中以不含有机锡的低毒或无毒防污涂料为主要研究和开发目标,以无锡自抛光或磨蚀性防污涂料产品的开发最快。无锡自抛光防污涂料具有长效防污和降阻节能的特点,同时符合环境保护要求,无论在经济上还是在军事上均具有重要的现实意义。

    低表面能防污涂料俗称“不粘”涂料。它利用涂料表面具有低表面能的物理性能使海生物难于附着,或者即使海生物附着了但其粘接力也很小,在船舶低速航行时,受到海水剪切力的作用而很容易被清除。现有的低表面能防污涂料主要以有机硅、有机氟树脂为基体树脂(有机硅、有机氟的表面能低)。此类防污涂料已开始实际应用,防污期效最长可达5年。生物 防 污 涂料中的天然防污剂是利用生物技术从多种海洋动植物和陆地植物中提取的,主要品种包括大叶藻类防污剂、苦动栋树防污剂、酞化丹叶大黄素贻贝防污剂、辣根防污剂、海绵脂肪酸防污剂、含有分解蛋白酶的防污涂料等。根据仿生学原理研制的仿生防污涂料主要有2个方向:(1)提取海洋的天然活性物质作为防污剂;(2)模拟大型海洋动物的表皮结构来实现防污。生物技术是一个高产出产业,利用生物技术生产制作上述各类防污剂,对人体对环境对海生物无害,开发这一领域将会产生巨大的社会效益

和经济效益。

    导电防污涂料是在船体外壳表面涂上数层导电的涂料,当微小直流电通人涂敷有导电涂料表面上时,会使海水电解产生次氯酸钠,使船壳表面达到防止海生物附着的目的。

    低有机挥发物(VOC)防污涂料的实现途径通常有3种:(1)水性防污涂料;(2)粉末防污涂料;(3)高固含量防污涂料。目前,国内外对低VOC防污涂料的研究和开发付之报道的是水性防污涂料,其它的新型防污还包括电化学防污方法〔7]和外

加电位防污法。

    2.2 船体防锈涂料

    目前船底防锈涂料的品种大体可分成三大类:

    (1)传统的沥青系和油性系;(2)以环氧、乙烯、环氧沥青、乙烯沥青和氯化橡胶树脂为主体的高性能船底防锈涂料;(3)新型高性能船底防锈涂料,主要包括改性环氧、玻璃鳞片涂料、氟树脂涂料等。

    2.3 舰用特种功能涂料

    舰船特种涂层材料是舰船装备不可缺少的组成部分。它涉及的领域包括:耐高温、防热、防火、吸声阻尼、吸波、光学伪装等,主要有舰用雷达吸波隐身涂,料、吸收声纳波涂层、红外隐身涂层、抗热辐射涂料、飞行甲板防滑涂料、耐高温涂料等,尽管其用量不大,但它已是舰船不可缺少和替代的配套材料,而且随着武器装备现代化进程的加快,特种涂层材料在舰船的各部位所起的作用越来越大。

    2.3.1 舰用吸波涂料

    吸波涂料是能够吸收投射到它表面的电磁波能量,并通过材料的损耗转变成热能的一类涂料。吸波涂料一般主要由吸收剂和粘结剂组成。其中,具有特

定电磁参数的吸收剂决定了吸波涂料的吸波性能;粘结剂是涂料的成膜物质,它能使涂层牢固粘附于被涂物表面从而形成连续膜。吸波涂料一般根据吸收剂不同可分为以下种类:铁氧体吸波涂料、拨基铁吸波涂料、金属超细粉末或金属氧化物磁性超细粉末吸波涂料、陶瓷吸波涂料、纳米吸波涂料、放射性同位素吸

波涂料、导电高分子吸波涂料、视黄基席夫碱盐类吸波涂料、手征性吸波涂料、掺杂高损物吸波涂料和稀土元素吸波涂料等。

    海军装备对雷达、红外、激光、声、磁等各种探测信号的隐蔽性差异,将在很大程度上决定海军的作战能力。因此,海军舰艇的隐身越来越受到关注。其中,由于雷达探测距离远,受气候影响小而成为远程探测和制导反舰武器最常用的手段,因此,对舰艇的威胁也最大。故雷达波隐身技术已成为水面舰艇隐

身技术的重点与标志。

    法国于19% 年前后建造的36 00t 护卫舰“拉菲特”号,通过船体及上层结构呈平滑设计,所有暴露部位都采用吸波材料处理等措施,其雷达散射截面低于1000 m2,与500 t级的沿海巡逻舰相当。瑞典于2000年建造的YS-2000系列隐身护卫艇,除采用隐身外形设计外,舰体采用吸波结构材料和涂覆吸波涂料,其RCS为几十平方米以下,达到全隐身的目标。

    西方国家已将隐身技术看作是增强舰艇战斗力的新的突破点,从发达国家海军的新研、新建计划看,几乎所有下一代的主战舰艇都采用雷达隐身技术,且隐身水平普遍得到提高,达到了中级(7一15 dB)和高级(20一40 dB)水平。据有关专家介绍,俄罗斯舰船多功能隐身材料包括了可见光迷彩、红外、雷达(0.8-20 GHz)等隐身技术,厚度为6 mm,面密度达10-12k 岁mz。美国在研DD21驱逐舰的RCS达到几十平方米乃至几平方米以下,如此小的RCS在海杂波的掩护下,要想发现和攻击是困难的。前苏联从1958年开始在G级SSN型潜艇上敷射消声瓦吸收声纳波涂层,该消声瓦是由低频吸收层、高频吸收层和防污层组成的多层结构。

    研究高性能、宽频带吸波涂料以展宽有效频带、实现多频谱隐身效果,同时,研究各种新的吸收剂,探讨新的吸波机理,以满足吸波涂层所追求的“薄、轻、宽、强”的目标[81,这是吸波涂料未来发展的主要方向。

    吸波涂料是军事上的主要隐形材料之一,在民用产品上的应用也相当广泛。如人体安全防护、微波暗室消除设备和通讯及导航系统的电磁干扰、安全信息保密、整机性能改善、信噪比的提高、电磁兼容以及波导或同轴吸收元件、广播电视发射台的电磁辐射防护、科学和医疗设备电磁辐射防护、日常生活用品如微波炉、手机的电磁辐射防护等方面都应用了吸波涂料。

    2.3.2 纳米隐身涂料

    隐身涂料是覆盖在武器系统结构上的隐身材料。按其功能可分为雷达隐身涂料、红外隐身涂料、可见光隐身涂料、激光隐身涂料、声纳隐身涂料和多功能隐身涂料等。纳米涂料一般都是由纳米材料与有机涂料复合而成的,更科学地讲应称作纳米复合涂料(Na nocompositec oating)。经过几十年的发展,隐身涂料作为隐身技术的关键技术之一,已不仅仅用于飞船导弹等飞行器上,而且已应用到海军舰艇、隐身装甲车、隐身水雷、隐身火炮、隐身坦克、隐身车辆、隐身雷

达、隐身通讯系统、隐身工程、隐身工事、隐身机器人、

    隐身作战服和红外隐身照明弹等技术装备上。纳米级材料在舰船涂料中的应用领域有:(1)吸收雷达波涂层。纳米材料的特殊效应有可能为舰船型吸波涂料提供新的途径和新的吸波机理。(2)舰船红外隐身涂层。纳米氧化铝、氧化铁、氧化硅和氧化钦的复合粉体与高分子纤维结合对中红外光波段有很强的吸收性能,这种复合体对该波段的红外探测器有很好的屏蔽作用、既具有优良的吸收雷达波的特性,又有良好的吸收和耗散红外线的性能,具有明显的隐身功能。(3)潜艇伪装涂料。潜艇伪装涂料的技术关键是涂料的湿反射率和耐老化性。应用纳米级的深色颜料,可能是降低伪装涂料的湿反射率和提高耐老化性的有效途径。(4)超耐候的船壳漆。纳米二氧化钦具有吸收紫外线的效应,可提高涂料的耐老化性。它们都可以发展为主要添加剂之一。(5)船舶舱室内抗霉涂料。纳米二氧化钦、纳米氧化锌等纳米材料可作为对人体无毒、抗菌范围广、热稳定性优良的抗菌剂。

     可以利用纳米材料的抗菌作用,制备舱室内的新型高效防菌防霉材料和涂料。(6)新型高效船底防污涂料。采用纳米级防污剂,如。纳米氧化亚铜、纳米氧化锌等,或者采用微胶囊技术可能是一个有效的途径。(7)船舶阻燃材料和涂料。某些纳米微粒具有阻燃功能,如纳米氧化锌可以作为阻燃剂添加到船舶舱

的室内装饰材料中或配制成阻燃涂料,以提高船舶非金属装饰材料和阻燃涂料的防火性。

    2.3.3 其它新型涂料

    2.3.3.1 防滑涂层

    舰载飞机甲板防滑涂层主要指航空母舰、大型驱逐舰等军舰起降飞机和停泊飞机所配备的特有的防滑涂层,它具有不同于一般舰船防滑甲板涂层的特点。据其在舰船甲板上使用位置的不同,主要分为飞行甲板用防滑涂层、偏流板用防滑涂层和机库甲板用防滑涂层。其中,飞行甲板防滑涂层又可分为着降区和非着降区甲板防滑涂层。而根据其所用材料的不同,可分为树脂基防滑涂层和金属基防滑涂层;根据涂装方法的不同又可分为喷涂甲板防滑涂层和辊涂甲板防滑涂层。

    树脂基和金属基防滑涂层已在美军舰船上应用多年,其性能比较稳定,并已形成一系列产品。树脂基防滑涂层主要用在飞行和飞机库甲板上。金属喷涂防滑涂层主要用在喷气式飞机的偏流板上,特别是用在带有冷却槽的偏流板表面,它能使喷气式飞机耐高温、高速气流的磨蚀。现在对树脂基和金属基防滑涂层的研究主要集中在材料性能完善以及特定性能的提高上。

    2.3.3.2 潜艇特征信号控制涂层

    潜艇的声学特征控制技术是一门综合应用技术。声隐身涂层由于具有阻尼、隔声和消声作用已应用于潜艇中。声隐身涂层材料主要有隔声材料和消声材料、聚氨醋声隐身涂料等。

    2.3.3.3 新型光触媒涂料

    中国科学院理化技术研究所最近成功研制出同时具有抗菌、防雾、自洁、光催化分解污染物等多重功效的新型光触媒涂料。该涂料的主要成分为Ti02及银系复合物。它可应用于多种材料如玻璃、陶瓷、塑料等表面,赋予这些材料抗菌、防雾、防霉、自洁、光催化分解污染物等多重功能。因此,这种涂料可在多种

场合诸如汽车后视镜、玻璃以及玻璃幕墙、道路交通指示牌、广告牌、汽车车身和火车车身上使用。日前,理化所已就此项技术申请了国家发明专利。

    2.3.3.4 新型室温可逆变色涂料

    一种以钻盐为变色晶体、吸水性材料为水气平衡剂的变色涂料能够有效地克服环境湿度、成膜材料对色变点温度的影响,该变色涂料的色变点可以限定在30一32℃之间。同时,添加其他惰性颜料可以形成具有多种调和色的变色涂料。

    2.3.3.5 新型热防护涂料

    新型防热涂料具有密度小、导热系数小、比热容大、热解温度低、热解潜热大、气化分数高和热解气体比热高、辐射系数大及与飞行器表面有良好的粘结性等特性。最近报道了一种用于超音速飞行器外表的热防护涂料。该涂料以苯基硅树脂改性的E型环氧树脂为基体,所得涂层性能较好。

    2.3.3.6 热障涂层

    目前,提高燃气轮机工作温度最可行和最经济的途径是在使用先进的高温合金材料和冷却技术的前提下涂覆热障涂层(Thermal Barrier Coatings简称TBCs)。使用热障涂层可以减少热量从燃气向金属部件的传递,可使金属部件的工作温度降低50一80℃,短时间内可降低140 9C。热障涂层包括两个部分:内层的抗氧化合金层(连接层)和外层的绝缘陶瓷层(面层)。

    2.3.3.7 溶胶一凝胶涂层

    溶胶一凝胶涂层技术应用于金属表面,可赋予金属表面更高的抗氧化性能、耐腐蚀性能等,从而具有广阔的应用前景。随着溶胶一凝胶涂层技术及其控制技术的改进,将对提高金属的抗腐蚀性能作出更大的贡献。

    3 舰船涂料发展趋势

    总体而言,舰船涂料的发展以“五E”为主导方向,即高性能(Excellence of finish)、易施工(Ease ofapplication)、经济(Economics)、节能(Energy saving)和环保(Ecology)。所有涂料的开发均围绕上述几点进行,主要表现在以下几个方面:防污涂料向无毒、低毒方向发展;防锈涂料向重防腐、环保、低表面处理要求方向发展;液舱涂料向浅色、高固体份、无溶剂方向发展;船壳涂料向性价比更合理和多功能的方向发展;生活舱涂料向水性化方向发展;甲板涂料向长效、多功能方向发展。特种涂料将越来越多地用于舰船。

    4 结语

    开发环境友好型防污涂料是21世纪海洋涂料的发展方向之一,无毒、低表面能防污涂料、无锡自抛光防污涂料、来源广泛的生物仿生防污涂料将是未来发展的重点。当前新型海洋防污涂料技术的开发势在必行。相信实现新型海洋防污涂料的商业化、实用化将为期不远。

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