納米陶瓷涂層的性能與應(yīng)用探討

益湛磊 清遠(yuǎn)高新區(qū)管委會

1 引言

傳統(tǒng)陶瓷材料雖然有著較高的硬度與耐高溫、耐腐蝕等性能，但是脆性較大，結(jié)合強(qiáng)度不高，韌性較差，容易發(fā)生裂紋等問題，在很多領(lǐng)域應(yīng)用時存在較大局限。近年來納米技術(shù)發(fā)展速度很快,通過對納米技術(shù)與涂層技術(shù)結(jié)合起來，可以體現(xiàn)兩者的優(yōu)勢，讓材料在力學(xué)、熱學(xué)和電磁學(xué)等方面達(dá)到更好性能。納米陶瓷涂層不僅能夠在強(qiáng)度與韌性上達(dá)到結(jié)構(gòu)性能要求，也能在耐磨、耐腐蝕和耐高溫等方面滿足環(huán)境性能要求。

2 納米陶瓷涂層的主要性能

2.1 斷裂韌性

斷裂韌性能夠?qū)⒉牧系挚沽鸭y失穩(wěn)擴(kuò)展性能體現(xiàn)出來，對納米陶瓷涂層來說，因為有納米顆粒熔化、凝固形成的基體相，以及熔化不完全的納米顆粒形成的兩相結(jié)構(gòu)，在裂紋擴(kuò)展至未熔或半熔顆粒與基體相組織界面后，顆粒除了能夠?qū)α鸭y擴(kuò)展能進(jìn)行吸收以外，同時在裂紋擴(kuò)展上發(fā)揮著阻止與偏轉(zhuǎn)等效果[1]。傳統(tǒng)陶瓷涂層內(nèi)片層狀組織內(nèi)不能有效結(jié)合，裂紋沿層間極易擴(kuò)展，而使用納米陶瓷涂層，由于其韌性較大，可以解決這些問題。

2.2 硬度

硬度也是衡量陶瓷涂層性能的關(guān)鍵性指標(biāo)，在噴涂過程中高溫顆粒急速冷卻形成淬硬性、涂層硬度對噴涂工藝參數(shù)的依賴性、涂層組織結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性等都為硬度測定造成了較大影響。晶粒細(xì)化讓納米陶瓷涂層硬度大幅度提升，這是微米陶瓷涂層無法比擬的。

2.3 耐磨性

納米結(jié)構(gòu)涂層具有較強(qiáng)的硬度與韌性，能夠達(dá)到耐磨性要求。納米陶瓷涂層受到磨損后，將出現(xiàn)微凸體剪切或孔隙等處熔化不充分的顆粒，并在涂層表面脫離，細(xì)小顆粒分散于涂層與摩擦件之間的潤滑油膜內(nèi)，達(dá)到“微軸承”的目的，降低涂層摩擦系數(shù)，實現(xiàn)耐磨性能的大幅度提升。

2.4 結(jié)合強(qiáng)度

陶瓷涂層結(jié)合強(qiáng)度主要有涂層與基體界面結(jié)合強(qiáng)度、涂層自身粘結(jié)強(qiáng)度等。未擴(kuò)展層間裂紋對涂層殘余應(yīng)力釋放作用、納米結(jié)構(gòu)喂料噴涂時飛行速度等，與普通粉末相比，結(jié)合強(qiáng)度更高。噴涂粉末納米化后，能夠讓粒子熔化狀態(tài)得到改善，從而降低了涂層孔隙，且孔隙在變形粒子內(nèi)，提升了涂層結(jié)合強(qiáng)度。

2.5 孔隙率

一定的涂層孔隙，能夠?qū)櫥Σ僚c高溫隔熱工件產(chǎn)生有利作用，然而對耐腐蝕、高溫抗氧化及高溫抗沖刷等工件來說，則是有害的。通過大量研究可知，孔隙率與火焰溫度、速度等有密切關(guān)系，同時粒子速度也是重要影響因素，在粒子速度提升后，孔隙則出現(xiàn)下降的趨勢。

2.6 熱導(dǎo)率

對熱導(dǎo)率來說，也是表征熱障涂層的一個重要性能指標(biāo)，在晶粒變小后，熱導(dǎo)率將開始降低。在晶粒尺寸降低后，涂層中微觀界面開始增加，界面距離縮短，這樣熱傳導(dǎo)時聲子平均自由程減少，材料熱導(dǎo)率則降低。對于納米陶瓷涂層熱導(dǎo)率的確定，主要采取激光法與調(diào)制波法等，對激光法來說，將激光對準(zhǔn)剝離后的涂層，并通過熱電偶對溫度變化進(jìn)行測量。對調(diào)制波法來說，通過正弦波或方波對圓盤狀試樣進(jìn)行加熱，保證均勻，試樣內(nèi)部也存在溫度振蕩。根據(jù)試樣前后部溫度振移相，可以將納米陶瓷涂層熱導(dǎo)率確定下來。

3 納米陶瓷涂層的具體應(yīng)用

3.1 不粘納米陶瓷涂層

不粘納米陶瓷涂層屬于新型的水性無機(jī)涂料，有著優(yōu)質(zhì)、無毒和環(huán)保等特點，既無全氟辛酸，高低溫條件下也不會形成有毒氣體。涂層不僅硬度較高，也擁有極強(qiáng)的耐磨、耐溫和耐酸堿等性能。由于該涂層表現(xiàn)出疏水不粘性等優(yōu)勢，能夠取代有機(jī)硅、氟碳涂料等用于較多的領(lǐng)域，如金屬類廚具的涂裝、不粘鍋等，可以達(dá)到耐高溫的目的，相比于有機(jī)硅涂層與氟碳涂層，不粘納米陶瓷涂層性能更加優(yōu)異。

3.2 納米TiO2涂層

鋼鐵基體表面制備納米TiO2涂層，向鋼鐵基體注入光照射條件下形成的電子，讓其電位始終在腐蝕電位以下，可以提升防腐蝕效果。在鋼鐵防腐蝕中使用納米TiO2涂層，類似于電鍍犧牲性金屬的陰極保護(hù)，且不會形成陽極溶解，能夠用于永久性防腐涂層。在不銹鋼防腐中也可以使用納米TiO2涂層，可以取得較好的效果[2]。此外，納米TiO2光催化涂層能夠?qū)⒂袡C(jī)物降解，減少室內(nèi)有機(jī)無污染砌體，達(dá)到殺菌抑菌的效果。對空間飛行器艙內(nèi)等密封空間，難以保證空氣質(zhì)量，并排出大量有害氣體，以及受到病菌滋生的影響，導(dǎo)致人員健康面臨巨大威脅。在應(yīng)用納米光催化涂層后，可以有效解決上述問題，但是其制備難度較大，受到成本、性能等限制，需要今后繼續(xù)深入研究，才能大規(guī)模進(jìn)入市場。

3.3 高溫隔熱、重防腐納米陶瓷涂層

運用該納米陶瓷涂層可以解決熱力輸送管道、高溫爐防腐隔熱、高爐操作人員放熱及強(qiáng)酸強(qiáng)堿生產(chǎn)設(shè)備防腐等難題。以高溫隔熱納米陶瓷涂料GN-301系列為例，高溫條件下隔熱保溫性能較好，不存在脫落與燃燒等現(xiàn)象，能夠達(dá)到防潮、耐水和無毒等要求，避免為環(huán)境造成污染。熱力管道外使用納米陶瓷涂層，可以避免熱力擴(kuò)散至外部，而在煉鋼廠等高溫爐中使用，有利于爐外表溫度保持規(guī)定要求，在冶金、熱力鍋爐、焦化煤氣等熱力設(shè)備和熱力管網(wǎng)中應(yīng)用，則可以達(dá)到防腐與爐外降溫的要求[3]。對重防腐納米陶瓷涂料GN-702系列來說，主要用于腐蝕性較強(qiáng)的環(huán)境中，為石油化工設(shè)施、橋梁橋墩、鐵路涵洞、鉆井設(shè)備等提供了有效防護(hù)，避免其受到強(qiáng)酸堿、鹽霧、凍融及霉菌等浸漬。

3.4 納米無機(jī)陶瓷涂層用于耐磨件

納米無機(jī)陶瓷涂層主原料為無機(jī)類陶瓷材料，滲透力極強(qiáng)，通過應(yīng)用特殊合成技術(shù)，提升了其成膜性。對納米無機(jī)陶瓷材料使用噴涂、浸潤和涂布等措施，讓其向基材滲入，產(chǎn)生納米類陶瓷態(tài)的表面保護(hù)層，具體有點包括以下幾點：第一，密封性與防腐蝕性較強(qiáng)。因為納米無機(jī)陶瓷材料具備穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，在多種材料表面應(yīng)用可以提升密封性，達(dá)到防腐要求，并非表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐候性[4]。第二，防水疏水疏油性較強(qiáng)，抗污自潔性優(yōu)異。由于納米表面效應(yīng)與界面特性的原因，被加工物表面能夠產(chǎn)生納米蓮葉效應(yīng)，讓水、油等液體形成高張力，并懸浮于表面納米凸點上能快速排離表面，避免液態(tài)物質(zhì)存在于表面，有效提升了防水疏水疏油的效果。此外，還可以帶離積累在表面的灰塵，抗污自潔性較好。第三，硬度較高，耐磨性較強(qiáng)。由于使用了高穩(wěn)定態(tài)的納米無機(jī)氧化物類陶瓷材料，其硬度有很大提升，顯微硬度在HV400-60的范圍內(nèi)。成膜后相對密度也有提升，表面硬度將超過6H，因為具備高密著特性，可以達(dá)到耐磨的要求。

4 結(jié)語

總之，納米陶瓷涂層是一種新型、環(huán)保的涂料，不僅擁有較多的功能，也在諸多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。納米陶瓷涂層耐磨、耐腐蝕和耐高溫等性能，具有廣闊的應(yīng)用前景，隨著納米陶瓷涂層種類的日漸豐富，性能也將不斷提升，必然在航空航天、機(jī)械、船舶、化工等行業(yè)發(fā)揮更大作用。