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西北工业大学卿玉长/张刘超：披上“避火罩”的纳米骑士—nano-YSZ热障涂层实现隔热性能提升

已有 1097 次阅读 2025-6-13 19:24 |个人分类:JAC|系统分类:论文交流

原文出自 Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊

Cite this article:

Zhang L-C, Luo F, Zhou Y-Y, et al. Enhanced thermal radiation blocking and high temperature stability of nano-YSZ thermal barrier coatings through carbon film coating. Journal of Advanced Ceramics, 2025, https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221111

文章DOI：10.26599/JAC.2025.9221111

ResearchGate：https://www.researchgate.net/publication/392569895_Enhanced_thermal_radiation_blocking_and_high_temperature_stability_of_nano-YSZ_thermal_barrier_coatings_through_carbon_film_coating/references

1. 导读

纳米热障涂层在应用中受限于其对红外热辐射的半透明性、纳米颗粒保留率低以及半熔颗粒的形成。针对该问题，本研究通过碳膜包覆有效防止喷涂过程中纳米颗粒的熔融与合并，显著提升涂层中的纳米颗粒含量。碳膜去除形成的纳米孔隙与颗粒协同作用，显著提高了散射系数与热辐射阻隔能力。相比传统涂层，该涂层服役条件下可使基体温度降低111.2 K。该方法为制备兼具优异热辐射阻隔性能与高温稳定性的纳米热障涂层提供了新思路。

2. 研究背景

航空发动机作为典型的布雷顿循环，其热效率与涡轮进口温度密切相关。航空发动机为追求更高热效率而不断提升涡轮进口温度，高温燃气及燃烧室壁的红外辐射热流与其绝对温度的三次方成正比，因此不断提升的运行温度使得航空发动机中的辐射热流急剧增加，而目前常用的热障涂层材料（YSZ，LaZr₂O₇，LaMgAl₁₁O₁₉，BaZrO₃）等对红外热辐射均呈现半透明特性，这导致传统热障涂层的隔热性能面临严峻挑战。

纳米氧化钇稳定氧化锆（nYSZ）热障涂层具有较低的热导率，并且纳米颗粒的界面散射效应能够提高涂层中红外热辐射的散射效应，因此有望在一定程度上提高对红外热辐射的屏障作用。然而，传统等离子喷涂制备纳米YSZ热障涂层时，必须依赖半熔化喷涂喂料来“锁存”纳米YSZ颗粒，这不仅导致纳米颗粒的保留率较低，还削弱了涂层片层微结构之间的结合力，进而引发涂层力学性能的下降。因此，亟需一种新的等离子喷涂制备方法，能够在不依靠半熔化喷涂喂料颗粒辅助的情况下，有效提升热障涂层中纳米颗粒的保留率，从而实现更低热导率、更强热辐射阻隔效果及更优异的整体隔热性能。

本文采用对nYSZ颗粒进行碳膜包覆的方法抑制等离子喷涂过程中纳米颗粒的熔化；此外在等离子喷涂过程中，碳膜阻止了熔融纳米颗粒的合并，使其保留了纳米特性，从而有效提高了热障涂层中纳米颗粒的保留率。该方法制备的纳米热障涂层中，纳米颗粒不仅存在于片层微结构界面，同时也存在于熔融状态良好的喷涂喂料形成的片层结构内部，因此该创新性的方法克服了传统等离子喷涂纳米热障涂层对半熔喷涂喂料的依赖性，在提高纳米颗粒保留率的同时减少对涂层力学性能的影响。

3. 文章亮点

1）首次采用碳膜包覆方法提高提高纳米YSZ颗粒保留率：采用喷雾干燥结合真空高温热解，在nYSZ颗粒表面形成均匀碳膜；高热导率的碳膜在等离子喷涂过程中抑制纳米YSZ颗粒的熔化与合并，最大程度保留了颗粒的纳米特性。

2）纳米孔隙的原位生成及热辐射散射强化：在热障涂层热处理或服役过程中，碳膜易于被完全氧化去除，并在nYSZ颗粒表面原位形成纳米孔隙；这些孔隙与纳米颗粒共同构筑了丰富的散射界面，既降低了涂层热导率，又拓宽了对红外热辐射的背向反射角度范围，提高了涂层的热辐射散射效果。

3）首次报道了纳米YSZ热障涂层的热辐射特性及其对隔热性能的影响：采用耦合热辐射、热对流及热传导的双流模型对服役状态下热障涂层中的温度分布和隔热效果进行模拟计算，由于热导率降低与热辐射反射率提升的协同作用，该方法制备的热障涂层在服役环境下可使基体温度比相同等喷涂工艺制备的传统YSZ涂层降低最高达111.2 K。

4. 研究结果及结论

以纳米YSZ颗粒和水溶性淀粉溶液为原料，经过压力喷雾干燥造粒及真空高温热解工艺即可制备由纳米碳膜包覆的纳米YSZ团簇颗粒，该碳膜的厚度约为12 nm并呈现无序的非晶状态，如图1所示。该非晶态的纳米碳膜能够在等离子喷涂过程中阻止熔融的纳米颗粒相互合并而失去纳米特性，同时非晶态碳膜易于氧化，有助于其在涂层制备完成后通过氧化方法去除。

图1 nYSZ@碳膜颗粒及喷涂喂料的SEM/TEM图像：(a) nYSZ@淀粉颗粒SEM图；(b) nYSZ@碳膜颗粒SEM图；(c) nYSZ@碳膜颗粒EDS元素分布图；(d) nYSZ@碳膜颗粒TEM图；(e) 纯nYSZ的TEM图；(f) nYSZ@碳膜纳米颗粒高分辨率TEM元素分布图；(g) 喷涂喂料SEM图；喷涂喂料局部放大SEM图： YSZ (h1)、 nYSZ (h2) 和nYSZ@碳膜复合喷涂喂料(h3)。

由于等离子体焰流中的无氧环境，喷涂过程中喷涂喂料中的碳膜保持固体形态并阻止了熔融纳米颗粒的合并，从而有效提高涂层中纳米颗粒的含量。含有碳膜的涂层由于碳膜对可见光的吸收作用而呈现灰色，经过热处理后恢复白色，表明经过简单的热处理工艺即可完全去除涂层中的碳膜并在涂层中原位形成纳米孔隙，这进一步通过TEM进行了证实，如图2所示。在nYSZ@C涂层中，纳米颗粒不仅存在于半熔的片层微结构内容，同时也大量存在于熔融状态良好的喷涂喂料形成的片层结构中，这表明本研究所提供的方法克服了传统纳米热障涂层制备工艺中纳米颗粒对于半熔颗粒的依赖性，这有助于纳米热障涂层力学性能的提升。

图2涂层光学图像及SEM微观结构表征结果：原始涂层的光学图像(a)； nYSZ@C-30涂层热处理前后光学图像对比(b)；nYSZ@C-30涂层热处理前(c)和热处理后(d)的TEM结果；nYSZ@C-30涂层热处理前(e)和热处理后(f)的高分辨TEM结果；YSZ涂层的断面SEM图(g1)；nYSZ-15涂层的断面SEM图(g2)；nYSZ-30涂层的断面SEM图(g3)；nYSZ@C-15 涂层的断面SEM图(g4)；nYSZ@C-30涂层的断面SEM图(g5)；h区域(h) 和i区域(i)的局部放大SEM图；基于MIP测试法获得的涂层孔隙率(j)；不同喷涂喂料等离子喷涂过程纳米颗粒演变示意图(k)。

nYSZ@C涂层中由于大量纳米颗粒的存在以及在纳米颗粒之间原位形成的纳米孔隙，涂层表现出了明显增强的半球红外反射率和较低的红外透过率，如图3所示。四流模型的计算结果表明nYSZ@C涂层中的纳米颗粒使得涂层中的散射系数明显升高，并且对近红外波段的吸收系数几乎没有影响，较高的散射系数增加了红外热辐射在涂层传播过程中的背向散射，从而提高了涂层的漫反射。

图3涂层样品的红外热辐射特性分析：各样品的半球反射率曲线(a)；半球透射率曲线(b)；计算得到的相应散射系数(c)；计算得到的相应吸收系数(d)。

采用COMSOL波动光学模块对传统YSZ热障涂层及纳米YSZ热障涂层中微观结构与红外热辐射的相互作用进行仿真分析，结果表明纳米YSZ涂层中的纳米颗粒以及原位形成的纳米孔隙改变了电磁场的分布特性，在纳米颗粒之间形成了增强的局部散射电场，从而拓宽了红外热辐射的背向散射角度范围，使传统YSZ涂层中的几何散射转变为Mie散射，从而使纳米YSZ热障涂层具有更强的远场散射结果，如图4所示。

图4 nYSZ热障涂层红外热辐射传输仿真结果：仿真模型示意图(a)；传统YSZ热障涂层微结构的电场分布图(b)；传统YSZ涂层微结构远场散射图(c)；仿真模型入射热辐射示意图(d)；nYSZ涂层微结构电场分布图(e)；nYSZ涂层微结构的远场散射图(f)。

采用耦合辐射传热、对流传热、以及传导热的双流模型对热障涂层服役环境下的温度分布进行仿真分析，结果如图5所示。在不考虑热导率影响的情况下，单纯依靠辐射热流的降低，nYSZ@C-30热障涂层能够使基体表面温度降低26.3 K，并且同时热障涂层上表面温度降低11.0 K，这表明提高热障涂层对热辐射的阻隔效果不仅能够对高温合金基体进行保护，同时还能够降低陶瓷层温度，从而减少高温导致的陶瓷材料烧结和退化。

图5 涂层传热特性及温度场分析：涂层的热扩散系数(a)；涂层的热导率(b)；恒定热导率条件下涂层中的温度分布曲线(c)；各涂层测试热导率下涂层温度分布曲线(d)。

实验室搭建的热障涂层隔热测试系统为本研究提出的热障涂层隔热效果提供了更加直观的证明，由于马弗炉中的温度、流场与航空发动机的工作环境差距较大，本实验中观测到的传统热障涂层与nYSZ@C热障涂层基体温度差值小于仿真结果，但在涂层上表面温度稳定在1100℃时，nYSZ@C热障涂层的基体仍然比传统热障涂层基体温度低约30℃，表现出了明显优异的隔热性能，如图6所示。

图6 不同热障涂层隔热性能测试系统及隔热效果分析：热障涂层隔热性能测试系统示意图(a)；不同温度条件下涂层基体表面的光学图像(b)；基体温度及相应温差随时间变化曲线(c)。

由于本研究制备的纳米YSZ热障涂层中纳米颗粒的保留不依赖于半熔颗粒的行程，因此对热障涂层片层微结构之间的结合力以及热障涂层力学性能的影响较小，当碳膜包覆纳米YSZ颗粒的体积分数为15%时，涂层的显微硬度几乎不变。但随着碳膜包覆纳米YSZ颗粒的继续增多，较多的纳米颗粒出现在片层微结构界面处，会导致涂层显微硬度和杨氏模量的降低，因此在具体应用中需要综合权衡隔热需求和力学需求的共同影响。

图7 热处理前后涂层杨氏模量和显微硬度的Weibull分布曲线：热处理前涂层杨氏模量Weibull分布曲线(a)；热处理前涂层硬度Weibull分布曲线(b)；热处理后涂层杨氏模量Weibull分布曲线(c)；热处理涂层的硬度Weibull分布曲线(d)。

5. 作者及研究团队简介

通讯作者（卿玉长），西北工业大学教授，博士生导师。入选国家级青年人才，辐射探测材料与器件工信部重点实验室副主任，获陕西省青年科技新星、“陕西青年五四奖章”、西北工业大学“翱翔青年学者”等荣誉。长期奋战在高温特种功能材料技术攻关及其产品开发科研一线，研制的系列高温特种功能材料在航空航天领域实现批量应用，获得国家技术发明二等奖、国防技术发明一等奖等奖项。已发表论文100余篇，论文被引次数5000多次，授权发明第一发明人专利30余项，授权其他发明人专利20余项。

第一作者（张刘超），西北工业大学材料学院博士研究生，主要研究方向为热障涂层微观结构设计及热辐射性能改善，以第一作者在Journal of Advanced Ceramics, Journal of the European Ceramic Society发表论文4篇。

Google学术主页：https://scholar.google.com/citations?user=26DJfUYAAAAJ&hl=zh-CN

《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介

《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版，清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室提供学术支持，创刊主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授，主编为清华大学林元华教授、郑州大学周延春教授和广东工业大学林华泰教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD等数据库收录。现为月刊，年发文量近200篇；2024年6月发布的影响因子为18.6，连续4年位列Web of Science核心合集“材料科学，陶瓷”学科31种同类期刊第1名；2024年11月入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目；2025年入选中国科学院文献情报中心期刊分区表材料科学1区Top期刊。2023年起，本刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台SciOpen独家发布，标志着该刊结束多年来“借船出海”的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。