纳米陶瓷涂层的性能与应用探讨

益湛磊 清远高新区管委会

1 引言

传统陶瓷材料虽然有着较高的硬度与耐高温、耐腐蚀等性能，但是脆性较大，结合强度不高，韧性较差，容易发生裂纹等问题，在很多领域应用时存在较大局限。近年来纳米技术发展速度很快,通过对纳米技术与涂层技术结合起来，可以体现两者的优势，让材料在力学、热学和电磁学等方面达到更好性能。纳米陶瓷涂层不仅能够在强度与韧性上达到结构性能要求，也能在耐磨、耐腐蚀和耐高温等方面满足环境性能要求。

2 纳米陶瓷涂层的主要性能

2.1 断裂韧性

断裂韧性能够将材料抵抗裂纹失稳扩展性能体现出来，对纳米陶瓷涂层来说，因为有纳米颗粒熔化、凝固形成的基体相，以及熔化不完全的纳米颗粒形成的两相结构，在裂纹扩展至未熔或半熔颗粒与基体相组织界面后，颗粒除了能够对裂纹扩展能进行吸收以外，同时在裂纹扩展上发挥着阻止与偏转等效果[1]。传统陶瓷涂层内片层状组织内不能有效结合，裂纹沿层间极易扩展，而使用纳米陶瓷涂层，由于其韧性较大，可以解决这些问题。

2.2 硬度

硬度也是衡量陶瓷涂层性能的关键性指标，在喷涂过程中高温颗粒急速冷却形成淬硬性、涂层硬度对喷涂工艺参数的依赖性、涂层组织结构非均质性等都为硬度测定造成了较大影响。晶粒细化让纳米陶瓷涂层硬度大幅度提升，这是微米陶瓷涂层无法比拟的。

2.3 耐磨性

纳米结构涂层具有较强的硬度与韧性，能够达到耐磨性要求。纳米陶瓷涂层受到磨损后，将出现微凸体剪切或孔隙等处熔化不充分的颗粒，并在涂层表面脱离，细小颗粒分散于涂层与摩擦件之间的润滑油膜内，达到“微轴承”的目的，降低涂层摩擦系数，实现耐磨性能的大幅度提升。

2.4 结合强度

陶瓷涂层结合强度主要有涂层与基体界面结合强度、涂层自身粘结强度等。未扩展层间裂纹对涂层残余应力释放作用、纳米结构喂料喷涂时飞行速度等，与普通粉末相比，结合强度更高。喷涂粉末纳米化后，能够让粒子熔化状态得到改善，从而降低了涂层孔隙，且孔隙在变形粒子内，提升了涂层结合强度。

2.5 孔隙率

一定的涂层孔隙，能够对润滑摩擦与高温隔热工件产生有利作用，然而对耐腐蚀、高温抗氧化及高温抗冲刷等工件来说，则是有害的。通过大量研究可知，孔隙率与火焰温度、速度等有密切关系，同时粒子速度也是重要影响因素，在粒子速度提升后，孔隙则出现下降的趋势。

2.6 热导率

对热导率来说，也是表征热障涂层的一个重要性能指标，在晶粒变小后，热导率将开始降低。在晶粒尺寸降低后，涂层中微观界面开始增加，界面距离缩短，这样热传导时声子平均自由程减少，材料热导率则降低。对于纳米陶瓷涂层热导率的确定，主要采取激光法与调制波法等，对激光法来说，将激光对准剥离后的涂层，并通过热电偶对温度变化进行测量。对调制波法来说，通过正弦波或方波对圆盘状试样进行加热，保证均匀，试样内部也存在温度振荡。根据试样前后部温度振移相，可以将纳米陶瓷涂层热导率确定下来。

3 纳米陶瓷涂层的具体应用

3.1 不粘纳米陶瓷涂层

不粘纳米陶瓷涂层属于新型的水性无机涂料，有着优质、无毒和环保等特点，既无全氟辛酸，高低温条件下也不会形成有毒气体。涂层不仅硬度较高，也拥有极强的耐磨、耐温和耐酸碱等性能。由于该涂层表现出疏水不粘性等优势，能够取代有机硅、氟碳涂料等用于较多的领域，如金属类厨具的涂装、不粘锅等，可以达到耐高温的目的，相比于有机硅涂层与氟碳涂层，不粘纳米陶瓷涂层性能更加优异。

3.2 纳米TiO2涂层

钢铁基体表面制备纳米TiO2涂层，向钢铁基体注入光照射条件下形成的电子，让其电位始终在腐蚀电位以下，可以提升防腐蚀效果。在钢铁防腐蚀中使用纳米TiO2涂层，类似于电镀牺牲性金属的阴极保护，且不会形成阳极溶解，能够用于永久性防腐涂层。在不锈钢防腐中也可以使用纳米TiO2涂层，可以取得较好的效果[2]。此外，纳米TiO2光催化涂层能够将有机物降解，减少室内有机无污染砌体，达到杀菌抑菌的效果。对空间飞行器舱内等密封空间，难以保证空气质量，并排出大量有害气体，以及受到病菌滋生的影响，导致人员健康面临巨大威胁。在应用纳米光催化涂层后，可以有效解决上述问题，但是其制备难度较大，受到成本、性能等限制，需要今后继续深入研究，才能大规模进入市场。

3.3 高温隔热、重防腐纳米陶瓷涂层

运用该纳米陶瓷涂层可以解决热力输送管道、高温炉防腐隔热、高炉操作人员放热及强酸强碱生产设备防腐等难题。以高温隔热纳米陶瓷涂料GN-301系列为例，高温条件下隔热保温性能较好，不存在脱落与燃烧等现象，能够达到防潮、耐水和无毒等要求，避免为环境造成污染。热力管道外使用纳米陶瓷涂层，可以避免热力扩散至外部，而在炼钢厂等高温炉中使用，有利于炉外表温度保持规定要求，在冶金、热力锅炉、焦化煤气等热力设备和热力管网中应用，则可以达到防腐与炉外降温的要求[3]。对重防腐纳米陶瓷涂料GN-702系列来说，主要用于腐蚀性较强的环境中，为石油化工设施、桥梁桥墩、铁路涵洞、钻井设备等提供了有效防护，避免其受到强酸碱、盐雾、冻融及霉菌等浸渍。

3.4 纳米无机陶瓷涂层用于耐磨件

纳米无机陶瓷涂层主原料为无机类陶瓷材料，渗透力极强，通过应用特殊合成技术，提升了其成膜性。对纳米无机陶瓷材料使用喷涂、浸润和涂布等措施，让其向基材渗入，产生纳米类陶瓷态的表面保护层，具体有点包括以下几点：第一，密封性与防腐蚀性较强。因为纳米无机陶瓷材料具备稳定的化学性质，在多种材料表面应用可以提升密封性，达到防腐要求，并非表现出较强的耐候性[4]。第二，防水疏水疏油性较强，抗污自洁性优异。由于纳米表面效应与界面特性的原因，被加工物表面能够产生纳米莲叶效应，让水、油等液体形成高张力，并悬浮于表面纳米凸点上能快速排离表面，避免液态物质存在于表面，有效提升了防水疏水疏油的效果。此外，还可以带离积累在表面的灰尘，抗污自洁性较好。第三，硬度较高，耐磨性较强。由于使用了高稳定态的纳米无机氧化物类陶瓷材料，其硬度有很大提升，显微硬度在HV400-60的范围内。成膜后相对密度也有提升，表面硬度将超过6H，因为具备高密着特性，可以达到耐磨的要求。

4 结语

总之，纳米陶瓷涂层是一种新型、环保的涂料，不仅拥有较多的功能，也在诸多领域得到了广泛应用。纳米陶瓷涂层耐磨、耐腐蚀和耐高温等性能，具有广阔的应用前景，随着纳米陶瓷涂层种类的日渐丰富，性能也将不断提升，必然在航空航天、机械、船舶、化工等行业发挥更大作用。