有我在，别怕——陶瓷涂层

陶瓷涂层是一类无机非金属涂层的总称，指涂层材料为陶瓷的喷涂层，其组成包括：氧化物涂层、非氧化涂层、硅酸盐系涂层、复合陶瓷涂层。氧化物陶瓷常用的涂层材料有Al2O3、TiO2、ZrO2、Cr2O3、SiO2、MgO、BeO、Y2O3等；碳化物陶瓷主要有SiC、WC、BC、TiC等；氮化物陶瓷主要有Si3N4、TiN、BN、AlN等；硼化物陶瓷，常用的有TiB、ZrB2等。

陶瓷涂层主要包括：高温绝热涂层、耐磨耐冲刷涂层、热处理防护涂层、高温润滑涂层、原子能涂层，并且由于其材料的特殊性，陶瓷涂层也具有了耐磨，耐蚀，防粘，高硬度，耐高温，生物相容性好等优点。

而陶瓷涂层的制作工艺包括：熔烧涂层、喷涂涂层、气相沉积涂层、电化学工艺涂层、溶胶一凝胶涂层、原位反应涂层等。

 陶瓷涂层的性能特点 

①能灵活的将陶瓷材料的耐高温、耐磨、耐蚀等特点与金属材料的高强韧性、可加工性、导电导热性等相结合，最大限度地两类材料的发挥综合优势，满足机械产品对结构性能和环境性能的需要。

②能够用于制备陶瓷涂层的材料品种多，且陶瓷与陶瓷、陶瓷与金属、陶瓷与塑料等材料之间可按需组合使用。且容易与原有金属加工的工装条件结合，实现企业的技术改造。

③陶瓷涂层成型容易，沉积速率较快，涂层厚度可控。可采用不同烧结工艺在薄壁件、空心件和异形件表面喷涂，也可实现制品的局部喷涂强化。

④可在不同基材上制备陶瓷涂层，加工性能好。例如各类金属、水泥、耐火材料、石料石膏等无机材料；塑料和有机材料；木材、纸板等，其性能均可通过喷涂陶瓷涂层加以改善。陶瓷涂层损坏后，金属基体还可再使用（其它基材若无损坏影响二次使用亦是如此）。

⑤物料耗费少。陶瓷涂层的厚度一般在几十微米到几毫米之间，再者陶瓷材料密度较小，所以物耗小，但附加值高。

⑥可不受工件尺寸和施工场所限制。喷涂的产品可大可小，造型不受限制；既可在热喷涂工厂内施工，也可在现场施工。

纳米陶瓷涂层的性能特点 

随着纳米技术的发展，将纳米技术和涂层技术相结合，能够发挥其综合优势，实现材料的力学、热学、电磁学等方面的优良性能，满足其结构性能（强度、韧性等）和环境性能（耐磨、耐腐蚀、耐高温等）的需求。纳米陶瓷涂料具有特殊物理化学性能的涂层，使得涂层在功能保护上方面呈现常规材料不具备的特性。因此纳米陶瓷涂料在隔热保温、防腐防锈、绝缘保护、自洁防污、吸收节能、封闭耐高温等方面有广阔的应用前景。

断裂韧性

断裂韧性是反映材料抵抗裂纹失稳扩展的性能指标。纳米陶瓷涂层中存在由纳米颗粒熔化、凝固得到的基体相和未完全熔化的纳米颗粒组成的两相结构，当裂纹扩展到未熔或半熔颗粒与基体相组织界面时，这些颗粒不仅可吸收裂纹扩展能，而且对裂纹扩展有阻止和偏转作用。常规陶瓷涂层中片层状组织间结合较差，裂纹沿层间容易扩展，因此纳米陶瓷涂层韧性优于常规陶瓷涂层。

硬度

硬度是陶瓷涂层重要的性能指标之一。

纳米涂层硬度对喷涂工艺参数和涂层组织结构的非均质性的依赖性低，晶粒的细化使得纳米陶瓷涂层的硬度明显大于微米陶瓷涂层。

耐磨性

纳米结构涂层硬度和韧性的改善是耐磨性提高的主要原因。纳米陶瓷涂层在磨损过程中可能发生了微凸体的剪切或孔隙等处未完全熔化的颗粒脱离涂层表面，这些细小颗粒在涂层与摩擦件之间的润滑油膜中分散，起到“微轴承”作用，减小了涂层的摩擦系数，从而提高耐磨性能。

结合强度

陶瓷涂层的结合强度包括涂层与基体的界面结合强度和涂层自身粘结强度。未扩展的层间裂纹对涂层残余应力的释放作用和纳米结构喂料在喷涂过程中飞行速度比普通粉末高有利于提高结合强度。喷涂粉末纳米化后，可以改善粒子的熔化状态，使涂层孔隙明显减少，且部分孔隙位于变形粒子内部，有助于提高涂层的结合强度。

孔隙率

适当的涂层孔隙对于润滑摩擦和高温隔热工件是有利的，但对耐腐蚀、高温抗氧化和高温抗冲刷等工件有害。研究发现，孔隙率与火焰温度和速度有关；也与粒子速度有关，随着粒子速度的增加，孔隙有下降趋势。

热导率

热导率是表征热障涂层的主要性能指标，随晶粒变小而降低。由于随着晶粒尺寸的减小，涂层内部的微观界面增多，界面距离减小，使热传导过程中粒子的平均自由程降低，材料热导率也随之减小。

陶瓷涂层的应用 

01

高性能热障陶瓷涂层

“ 热 障 涂 层 ” 概 念 最 早 于 1950 年 由 美 国NASA-Lewis 研究中心提出。20 世 纪 80 年代初，热障涂层的研究与制备工艺取得重大突破，为其在涡轮叶片上的应用奠定坚实基础。

陶瓷材料因具有良好的高温化学稳定性、高熔点、高硬度、低热导率等性能优势，成为热障涂层的常用材料 。

热障涂层（thermal barrier coatings，TBCs）采用高熔点、低导热的陶瓷材料涂覆在航空发动机叶片金属基体（镍基高温合金）表面，从而降低高温环境中金属基体的表面工作温度，保护其免受高温氧化与热腐蚀。目前，TBCs已成为高性能航空发动机涡轮叶片部分的三大核心技术之一。

TBCs材料发展已历经三个阶段：

第一阶段为直接采用 ZrO2 作为热障涂层材料，虽然隔热温度能达 444 K 左右，但 ZrO2 在高温环境中易发生 tZrO2→m-ZrO2 相变，产生应力，致使涂层开裂失效；

第二阶段为 ZrO2 陶瓷中掺杂了 6% ～ 8% Y2O3（质量分数，下同）（简称 YSZ），通过稀土 Y2O3 的掺杂，部分稳定 ZrO2，阻止其高温相变，同时也形成点缺陷结构，获得低热导率、高热膨胀等优异性能，因此具有较长的服役寿命，成为目前应用最为广泛的热障涂层材料，但由于传统方法制备的YSZ热障涂层为柱状晶或多孔的层状结构，易受熔盐腐蚀渗透，从而发生反应产生应力，导致涂层开裂脱落失效；

第三阶段为研制新型热障涂层材料，如La2Zr2O7、Gd2Zr2O7、RE-ZrO2等；虽然这些材料对熔盐腐蚀具有一定的化学惰性，但其热膨胀系数、力学、隔热等性能都需要进一步的提升。随着航空发动机向高推重比方向发展，其燃烧室温度将超过2100 K，现行投入使用的热障涂层已无法满足需求，因此急需开发超高温、高隔热、长寿命的新型高性能热障涂层。

目前，相关研究结果表明，稀土（rare earth，RE）掺杂可以明显提升热障涂层性能。基于热障涂层发展历史，本文总结稀土掺杂在高性能热障涂层材料的应用，着重介绍稀土掺杂在热障涂层力学、热物理和抗熔融 CMAS 腐蚀性能方面的影响效果，阐述其存在的问题与不足，展望下一代航空发动机热障涂层材料研究重点，并揭示未来稀土掺杂热障涂层的发展方向。 

如在宇航工业中，高性能热障陶瓷涂层有效解决了航天飞机机身、发动机内壁、尾喷管等短时间经受高温冲刷及隔热等问题。 

在汽车工业中，热障陶瓷涂层涂覆于汽车发动机内的燃烧室内壁、活塞、排气口等热端可有效提高这些部件的耐高温冲刷、隔热性能。

02

耐磨陶瓷涂层

磨损、腐蚀和断裂是设备零部件失效的主要原因，广泛存在于冶金、建筑、电力、机械等领域，而其中磨损问题对零部件的影响最为严重。尤其对于运输设备来说，约80%零件的失效原因是材料磨损。因此，磨损问题受到材料学界的普遍重视。

为了跟上制造业发展的步伐，表面工程技术应运而生。该技术能以低投入实现材料性能的大幅度提高，具有显著的经济效益。近年来，在基体表面制备耐磨陶瓷涂层已成为国内外学者研究的热点。

陶瓷具有高熔点、高硬度、高强度、高化学稳定性、高绝缘能力、低热导率、低热膨胀系数等特点，用作涂层可以有效地提高基体材料的耐磨损、耐高热、耐腐蚀和抗高温氧化等性能。陶瓷具有金属材料难以达到的性能，所以被广泛应用于制备各种陶瓷涂层。耐磨陶瓷将陶瓷的优点和金属材料的韧性结合起来，在材料表面喷涂，可使材料兼具金属的强韧性、可加工性等特性及陶瓷的耐磨损、耐高温、耐腐蚀及绝缘性等性能，对于提高社会经济效益、延长零部件的使用寿命具有重要意义。

 如在电力行业中，耐磨陶瓷涂层有很大的用武之地。火力发电站的风机涂覆耐磨陶瓷涂层后可极大提高其使用寿命。大型水利工程的启闭机使用涂覆有耐磨陶瓷涂层的活塞杆可有效的克服传统活塞杆使用时间长出现的漏油、卡死现象。在电子行业中，高介电常数涂层如钛酸钡涂层广泛应用于电容器领域，利用氧化铝涂层的高温电绝缘性能制备的集成电路基板高性能封装材料，也应用的十分广泛。

将耐磨陶瓷涂层涂覆于活塞环、凸轮、曲轴等传动部件可减少这些部件的往复滑动磨损。将上述陶瓷涂层技术应用于汽车发动机中，不仅可以大幅提高发动机的使用寿命，而且也提高了发动机的热效率，减少了有害气体的排放。

03

阻气陶瓷涂层

裂变存在着核安全和核废料放射性污染等问题，而聚变是一种比较理想的清洁能源，可以释放大量能量，具有热公害小、运行安全、产物无污染等优势。然而聚变堆材料在聚变反应中会受到高温、热机械应力、强中子辐照等因素的作用，因此堆用结构材料要有较强的抗高温氧化性、抗热冲击性和抗辐射性等，同时也要选择使用或开发低活性材料，以保证服役后具有低放性。由于聚变堆中燃料在金属结构材料中具有很强的穿透性，会发生化学吸附、脱附与扩散，对材料造成破坏 (如氢脆)，还具有放射性，泄露后会污染环境。因此，从辐射安全、环境保护和节约核燃料的角度出发，需要选择渗透率低的材料，以减少气泄漏、优化气平衡及降低容器的氢脆。

目前阻气涂层的首选是陶瓷及其复合材料，陶瓷材料对氢同位素(气、)的溶解度极低，还能减轻磁流体力学 (MHD) 效应，也可以减少液态金属增殖剂引起的腐蚀。随着研究的不断深入，陶瓷阻涂层已由早期的硅化物、钵基等陶瓷材料，发展到目前以氧化物及其复合物为主的陶瓷阻气材料。

04

防腐蚀陶瓷涂层

起着软性保护的纳米陶瓷涂层在防护领域有着重要的作用，目前纳米陶瓷用于腐蚀条件恶劣环境中的防腐纳米陶瓷涂层，能有效保护航标灯座、船舶、石油化工设施和各类贮罐、桥梁、桥墩、铁路涵洞、钻井设备、海上油田等设施以及强酸、强碱等生产设备的外表面，在较长时间内防止强酸碱、盐雾、冻融、霉菌等的浸渍。

1、用于化学热流体输送管道系统的防腐蚀

陶瓷涂层相对于其他涂层而言，最大特点就是耐高温，在一些有腐蚀的热流体输送过程中，使用纳米陶瓷涂层作为管道、阀门、储罐等做特殊防护处理，将大大增强设备的抗腐蚀能力，进而降低设备的故障率，使设备的停车维修几率大大降低，从而提高生产效率。此外，设备正常人也平安。

2、用于油气运输管道系统的防腐蚀

管道运输是五大运输方式之一，在世界已有一百多年的历史，至今发达国家的原油管道运输占其总输量的80%，成品油长距离运输也基本实现了管道化；天然气管道运输达95%。

因天然气、石油产出地地质环境的不同，引发输油，输气管道和设备腐蚀的因素有很多，如盐碱地、潮湿环境、微生物、电流等（外腐蚀），H₂S，CO₂，S，O₂，H₂O（内腐蚀）。其中硫化氢造成的破坏力最大。这样的破坏作用轻则会使输气管道产生漏气现象在，重则导致天然气管、油管及套管等产生断裂、爆炸等事故。因此运输管道的防腐工作不容忽视。管道的防腐通常采用防腐层与阴极保护的联合的保护方法。

我国投入运营的长输油油气管道超7万公里！

承担着我国70%的原油及99%的天然气运输。

防腐层是管道防腐的第一道屏障，直接关系到管道的防腐性能和运行寿命。所以加强对防腐层的研究对整个管道的腐蚀控制具有重大的意义。

当前，用于管道防腐的涂层主要以有机涂层为主，但由于老化变质，耐热抗寒问题，管道的使用寿命受限。而纳米陶瓷涂层具有抗老化、耐温、抗腐蚀等特点，可以大大的延迟管道的使用时间。

在一些条件较为恶劣的地段及一些工作条件较为恶劣，较容易出现故障的位置，采用纳米陶瓷加强腐蚀防护处理或许将能大大降低事故发生的几率。加之以石油天然气管道对涂层的阴极剥离能力的要求提高，有机涂层的抗阴极剥离能力较差，所以纳米陶瓷涂层的重要性再次显示了出来。

3、用于海洋条件下的设备防腐蚀

在海洋环境下，高盐高湿形成的电化学腐蚀能在极短的时间内将钢铁船变成一块废铁。海洋环境下一般需要采用阴极保护与防腐涂层结合的方法来保护船体及一些暴露在烟雾等腐蚀条件下的工件、设备或部分等。纳米陶瓷涂层抗阴极剥离能力好，可适应于海洋工作环境。

4、用于航天高温设备的防腐蚀

航天发动机设备长期处理高温工作条件下，金属合金涡轮叶片易受到一些砂石熔体的侵蚀，这种恶劣工作状态下，通常采用纳米陶瓷涂层能够胜任。

04

环保陶瓷涂层

根据日本产业技术综合研究所2021年6月16日发布的消息，以该机构为首的一个研究团队成功开发出了一种不需要采用重金属铬的高效陶瓷涂层技术。

陶瓷涂层采用六价铬溶液的主要目的是实现机械元器件的高光及防锈效果。为了代替金属铬，研究人员将陶瓷研磨成极微细的纳米级微粒，然后使其在流动中形成一层致密的薄膜。通过反复调整陶瓷基材表面的凹凸度、陶瓷薄膜的膜厚以及基材的硬度等条件，终于形成了能够与元器件表面完美接合、具有高耐磨性和防锈性能的高光无铬陶瓷涂层。

在其他很多领域，陶瓷涂层也有很广泛的应用。比如在生物医学领域，在医用金属合金表面涂覆具有与人体生物相容特性的陶瓷涂层，不但提高医疗材料的使用寿命，同时还很好地解决了医用材料在人体内的生物相容性问题，材料植入体内后，性能更加稳定牢固。在印刷行业中，通过在不同种类的滚锟表面(如墨斗锟，胶印锟等)，涂覆陶瓷涂层，可有效地提高滚锟的使用寿命。