精细陶瓷的另一重要应用形式：陶瓷涂层
2020-12-18 17:41:04
在工业领域中陶瓷材料主要以两种形式而被应用：其一是整体的陶瓷结构材料，其二是陶瓷的涂层或改性层。在金属或其它基体材料及其零部件表面上沉积或覆盖陶瓷材料的过程，通常被称为陶瓷涂层沉积覆盖处理。较薄的陶瓷涂层因依附于基体材料，陶瓷材料通常所显现的脆性、强度差等缺点，在这里已经得到很大程度的改善，而对于陶瓷涂层而言，其最突出的问题则是如何提高它与基体之间的结合强度。
氧化锆陶瓷可用于发动机热障涂层
陶瓷涂层技术创新发展迅速，应用领域领域日益广泛，应用前景极被看好。下文带大家看看陶瓷涂层的“本事”及其制备技术概况。
一、陶瓷涂层的“本事”
耐磨抗热耐腐蚀：从机械零部件失效形式的统计来看，其中不同形式的表面损伤失效占所有失效形式的2/3以上。这些表面损伤主要表现为各种形式的磨损、腐蚀以及高温软化或热衰退等，而陶瓷覆盖层恰恰可以利用自己的性能优势，在提高耐热、耐磨和耐腐蚀能力等方面起到增强作用，可有效地保护或强化零件表面，防止失效现象。
抗热能力棒：航天器以很快的速度在大气层中穿行，其外壳与大气剧烈摩擦形成极高的表面温度，这是普通金属和合金材料无法承受的，而热喷涂的耐高温陶瓷隔热层既能承受高温作用，又起到对基材的隔热保护作用，形成所谓的热障涂层 (Thermal Barrier Coating，TBC)层，可以保护基材免受高温破坏。这种TBC层在航空涡轮发动机上也有同样的应用，它是目前尚未有替代的唯一方法。
热障涂层系统结构，Padture N P，Science, 2002
陶瓷涂层除了机械性能好，抗热能力强等本事外，陶瓷涂层材料的其他特性也有着广泛，例如，①陶瓷材料具有良好的绝缘性能，在金属板上热喷涂绝缘陶瓷涂层所形成的金属-陶瓷复合材料是微电子工业中理想的基板材料。高导热率的金属将强电流产生的热量迅速散发，而陶瓷则提供优良的绝缘性能；②等离子喷涂钇钡铜氧(YBaCuO)、铋锶钙铜氧(BiSrCaCuO)超导陶瓷涂层都已有应用成功的报道。在磁屏蔽、微波元件、各类传感器、量子电子器件等方面，展示出很好的应用前景；③具有远红外功能的陶瓷不粘锅涂层应用于电饭锅火锅等器皿，涂层不仅耐刮易清洗，且加热效率高，均匀度好，具体效果见下文小视频。
举个例子：涂有远红外陶瓷颗粒的各种锅加热效率与均匀程度更高
二、陶瓷表面技术概况
工程陶瓷材料在基体表面上形成覆盖涂层具有多种技术和方法，目前，应用比较广泛的各类陶瓷涂层方法见下图：
三、几种常用沉积方法及其涂层特点的比较
1、电镀、电化学。沉积膜材料（母材）有金属及其合金、阳极氧化及陶瓷复合镀材料，可用于不被电解质溶液溶解的导体，或被导电性膜层覆盖的不良导体等基材。该工艺可适应大部分复杂形状的材料和零件，但要避免尖端形状与深盲孔结构。膜层附着力极佳，膜厚一般在0.5μm到100μm。
2、真空蒸镀。沉积膜材料有金属及其反应性化合物、陶瓷等，适用基材有金属陶瓷、玻璃、塑料等，为获得均一的膜层，工件需翻转，对复杂形状采用气体散射法，膜层附着力好，膜厚一般在0.1μm~ 50μm之间。
3、离子镀。可用沉积膜材料有金属和一部分合金，反应性离子镀可生成陶瓷，被覆盖的基体材料为导体较好，不良导体也可，但必须耐离子冲击多引起的温升。可适用于复杂形状基材但是要取得均一的膜层比较困难。膜层附着性极佳，膜厚一般在几微米到数十微米。
4、溅射。可用于所有金属与非金属，包括陶瓷沉积膜材料，适用于金属，陶瓷，玻璃，塑料等基材，可适应大面积及复杂形状基材，但需避免较深的凹面形状。膜层的均匀性良好，膜厚通常在0.1μm~50μm之间，基片被溅射清洗附着性优异。
5、CVD。沉积膜材料有耐热金属及各种陶瓷，可用于耐高温（500~2000℃）和耐膜材腐蚀的金属及非金属基材的辅材形状覆盖，膜层附着力较好，膜厚通常在0.5μm~50μm。
6、热喷涂。该工艺适用于金属、非金属、陶瓷与复合材料等沉积膜材料（母材）。可适用于金属与各种非金属基材的的多种形状及尺寸的覆盖。生产率高达kg/h，膜层附着力优良，膜层可达数毫米。
7、电火花涂覆。沉积膜材料有导电陶瓷、硬质合金等，该工艺可用于工具钢、模具钢等基体材料的简单外表面涂覆，沉积层析出速度慢，镀层仅0.05mm，但膜层附着力佳。
8、合金化与熔覆。可用于沉积膜材料有金属，合金与陶瓷。该工艺可用于金属基材表面覆盖。材料表面沉积层析出效率高，膜层附着力佳，覆层厚度可达10μm只数百微米。
参考文献：
1、陶瓷表面技术/周元康，孙丽华，李哗编著，国防工业出版社
2、小视频素材来源：广州亦纳新材料科技有限公司
编辑：小白