[發明專利]纖維增強的高溫熱障復合陶瓷厚涂層材料及制備和應用

無效

• 申請號: 200910061315.6
• 申請日: 2009-03-27
• 公開（公告）號: CN101518968A
• 公開（公告）日: 2009-09-02
• 發明（設計）人: 程旭東;勵德亮;閔捷;肖巍;張琦;孟令娟;李光磊;王珂;王輝;萬倩
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: B32B9/04
• 分類號: B32B9/04;B32B15/04;B32B18/00;B32B17/02;B32B33/00;B32B37/02;C04B35/48;C04B35/505;C04B35/80
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司
• 代理人: 王守仁

技術領域

本發明涉及一種具有隔熱功能的表面工程涂層材料及其應用，特別涉及一種經纖維纏繞的具有高溫熱障與燒蝕復合厚涂層材料及其應用。

背景技術

熱障是目前常用隔熱技術的一種，熱障涂層是利用材料的高熱阻來阻止熱量向內傳遞作為隔熱的主要機理。氧化鋯因熔點高，熱導率很低，熱穩定性好，高溫蠕變小，是一種理想的高溫熱障材料。但純ZrO₂材料一般不能直接用作熱障涂層，這是因為它的晶型轉化會產生剝蝕現象。ZrO₂有三種晶型：單斜，四方，立方，低溫時為單斜相m-ZrO₂；當加熱到約1200℃，轉變為四方相t-ZrO₂，并伴隨7％～9％的體積收縮；超過2370℃，轉變為立方相c-ZrO₂。當冷卻到1000℃時，變為單斜結構并體積膨脹，由于相變所造成的體積收縮和膨脹不是隨著溫度連續變化，因而涂層不穩定，會因內部的熱應力和體積應力，造成涂層過早開裂或剝落失效。

在ZrO₂中摻入氧化釔(Y₂O₃)作穩定劑，能使ZrO₂在高溫下獲得穩定化(YSZ)或部分穩定化(PYSZ)的晶體結構。而通常使用的是部分穩定的ZrO₂/Y₂O₃，它是由單斜相與四方相混合組成。此晶型結構在高溫下，單斜相發生體積收縮相變，而四方相則隨溫度升高而發生體積膨脹相變，膨脹與收縮相互抵消，從而使部分穩定的ZrO₂/Y₂O₃晶體結構比完全穩定的ZrO₂/Y₂O₃晶體結構具有更低的平均熱膨脹系數，與金屬的熱膨脹系數更接近，因而具有更好的抗熱震性能，PYSZ是目前使用溫度最高的熱障涂層材料。若在ZrO₂/Y₂O₃晶體結構中加入少量的氧化鈰，能進一步改善這種涂層的性能。

有研究表明：當陶瓷材料的晶粒控制在小于100nm時，因為量子效應會帶來材料性能的突變，材料強度和斷裂韌性顯著的提高，同時，大量的實驗表明納米ZrO₂/Y₂O₃涂層的孔隙率也會下降，涂層的致密度高會提高涂層與基體的嵌合能力。重要的是，材料的熱導率會有隨著晶粒的減小而降低，這是選用納米氧化鋯涂層隔熱性能好的根本原因。

大量研究表明，在熱障涂層的噴涂制備過程中，陶瓷涂層的表面和內部會形成了很多微裂紋。這些微裂紋尖端產生應力集中，而陶瓷又缺乏塑性變形，幾乎沒有吸收能量的過程。由于涂層在制備過程中受到包括殘余應力、熱循環應力、相變應力、氧化造成的應力等各種應力的作用，致使能量都集中于裂紋的迅速擴展上。宏觀上表現為，在噴涂結束后冷卻時，涂層往往會在瞬間脆性斷裂，從而制約了的陶瓷涂層可制備的厚度。

為了提高熱障陶瓷涂層所能制得的厚度，可以從兩方面入手：控制涂層內大量微裂紋的擴展和減小涂層內應力作用。出于以上考慮，將纖維增強應用于陶瓷涂層的制備，與未使用纖維增強的陶瓷涂層相比，這種涂層的優點是：

(1)當裂紋遇到纖維時，纖維能吸收掉一部分能量，消除裂紋尖端所集中的應力，阻止它繼續延伸，裂紋將表現為中止或者改變傳播方向；

(2)具有高彈性模量的碳纖維能分擔大部分應力，以纖維拔出或纖維斷裂的方式阻止涂層的破壞，提高涂層整體的強度。

為了使纖維既可以滿足應力的傳遞，起到增強效果，又可以在斷裂過程中從涂層中拔出，而消耗一定的能量，緩沖整個斷裂過程，增大斷裂功，就必須得保證適當的界面剪切強度。實驗中，以粘接劑浸漬碳纖維，使其對陶瓷涂層纏繞后能有較適合的界面剪切強度。

碳纖維中在平面網層內的C原子以共價鍵結合，與普通石墨相比，其取向角較小，故纖維在沿著纖維長度方向有較高的強度和彈性模量。碳熔點約為3652℃～3697℃(升華)，在2000℃以上的高溫下碳纖維的強度和彈性模量能基本保持不變，能承受涂層的急劇升溫而不汽化。高溫下，碳纖維導熱性很低，高溫熱絕緣性能好，是一種很好的高溫隔熱材料。當纖維鑲嵌于陶瓷涂層中，因纖維線膨脹系數與陶瓷相近，兩者能有效的在變化的溫度環境中較好的結合，形成“鋼筋混凝土”結構，增強了涂層與涂層間以及涂層與基體間的結合強度。此外，碳纖維有較好的耐化學腐蝕、耐輻射和反射中子射線的能力。