低熔点玻璃粉在陶瓷涂层中的应用

  陶瓷涂层是一类无机非金属涂层的总称，既保持了传统陶瓷材料的耐高温、抗磨损、耐腐蚀等优点，还保持了基体材料的结构强度。
陶瓷涂层按材料的化学成分，主要有氧化物涂层、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。除此之外，随着工程应用对陶瓷涂层提出的要求愈加严苛，一些新型的陶瓷涂层也是当前研究的热点，如稀土陶瓷涂层、复相涂层、MAX相涂层等。
从应用角度来看，又分为不同特殊性能的陶瓷涂层，如高温绝热涂层、耐磨耐冲刷涂层、热处理防护涂层、高温润滑涂层、原子能涂层等。

2

陶瓷涂层制备技术

  目前常用的陶瓷涂层制备技术主要有激光熔覆技术、自蔓延技术、热喷涂技术、溶胶-凝胶法、气相沉积等方法。

2.1

激光熔覆技术

   激光熔覆技术是采用激光作为热源，将涂层材料和基体表面同时进行熔化而生产新的表面涂层的技术。这项技术能够熔化陶瓷材料克服其难加工的特性，大幅度提高了基体的使用寿命、耐高温、耐腐蚀、抗压等一系列性能指标，可制备出高质量的陶瓷涂层，因此很多专家学者都致力于该技术的研究。

  20世纪70年代，研究学者就以激光为热源熔化陶瓷粉末制备陶瓷涂层，并对其性能参数进行细致的分析研究。采用原位反应的方法，将预制好的钛铁、钒铁及石墨混合物置于钢基体表面，以激光作为热源，生成TiC-VC增强熔覆层。利用激光熔覆技术制备TiC熔覆层，经试验数据表明，该涂层的显微硬度及耐磨损性能有了明显的提高。

  经过多年的研究、开发和不断完善，该技术正逐步成为一项综合性的高新技术产业，并随着激光器、机器人和自动控制技术的发展，激光熔覆技术将向着大功率、自动化的方向迈进。未来，激光熔覆技术在防腐工程方面会有极大的应用前景，可用于制备纯陶瓷涂层、金属基陶瓷复合涂层、生物陶瓷涂层和反应自生陶瓷涂层^[5]。

2.2

热喷涂法

  热喷涂技术是制备纳米结构陶瓷工艺的有效方法之一。目前，热喷涂技术在市场需求和科技发展过程中分化出了较多种类，其中，电弧喷涂材料需要导电，而等离子喷涂可喷涂绝大部分材料，自动化程度高，是喷涂高熔点陶瓷材料的最佳选择。
 

  热喷涂技术的理论基础在国内外发展的比较完善，在工业应用方向也相对较为广泛。21世纪初，美国海军使用一种革命性的新涂层——纳米结构的热喷涂陶瓷涂层，其已通过多方各种检验和试用，获得了美国海军的应用证书，并被广泛应用于军舰、潜艇、扫雷艇和航空母舰设备上的近百种零部件，这是纳米结构的热喷涂涂层首次获得实际应用。

2.3

溶胶-凝胶法

  溶胶-凝胶法是一种化学溶液制备涂层的方法，可以控制材料的组成、成型和微观结构。该方法制备金属陶瓷，具有设备简单、材料微观宏观结构可控等优点，向溶胶中加入陶瓷骨料并结合耐热胶粘剂制备出陶瓷涂层可以减少溶剂的体积分数，降低凝胶后的膜层干燥、固化时的开裂倾向。用溶胶凝胶法制备的新型陶瓷涂层的硬度、耐磨性、耐蚀性、抗高温氧化性等大多已被研究者们证实。
  近年来，经过研究验证，利用溶胶-凝胶法可以在不同的金属表面制备出氧化铝陶瓷涂层、氧化锆陶瓷涂层、氧化硅陶瓷涂层、氧化钛陶瓷涂层及双组分陶瓷涂层。学者采用溶胶-凝胶法在304不锈钢表面以异丙醇铝为前驱体制备Al₂O₃涂层，经过实验证明，所制备的Al₂O₃陶瓷涂层具有优异的耐蚀性。现阶段，该法虽已被证实制备的陶瓷涂层性能优异，但其理论体系不够完善，仍需要深入研究。

2.4

自蔓延技术

  自蔓延高温合成（SHS）又称作燃烧合成，是二十世纪中期出现的一种制备材料的方法，该法是利用放热原理，将加热到一定温度的燃烧物通过混合反应物，由局部燃烧蔓延到整个体系，合成所需材料的反应。相比于传统工艺，该法具有明显的优越性：一是制作工序简单、设备容易上手；二是反应时间迅速、生产周期短；三是能源耗低；四是杂质少、生成物纯度高。
  目前SHS技术已引起各国研究单位的注意，同时我国众多的研究单位也进行了SHS技术的研究，国家更是将SHS技术列入热点研究项目。当前SHS涂层工艺中得到较为广泛研究的有SHS铸渗涂层，气相传输 SHS涂层和 SHS喷射沉积涂层。SHS涂层技术解决了结构陶瓷熔点高、制备成本高、不易成形加工等制约因素，在陶瓷和金属间化合物等高熔点、高硬度材料涂层的制备上显示了巨大的发展潜力。

2.5

气相沉积

  气相沉积法分为物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）。
2.5.1 物理气相沉积（PVD）
  PVD是在真空室中采用加热或高能束轰击的方法将待镀材料或靶材蒸发成气态并使之沉积于工件表面形成涂层的技术。
  近年来，随着PVD不断发展，结合了多种技术下，从而衍生出各种先进的PVD技术，如反应磁控射技术(RMS)、等离子体分子束外延生长技术(PA-MBE)、脉冲激光沉积(PLD)、磁控射脉冲激光沉(MSPLD)、离子化磁控射、真空等离子体喷涂等制备陶瓷薄膜涂层的新技术^[8]。PVD法虽起步较晚，但发展很快，且涂层纯度高，致密性好，涂层与基体结合牢固。同时，其缺点在于：PVD涂层法工艺要求严格，设备费用较高，且涂层周期长，导致PVD涂层的成本较高。
2.5.2 化学气相沉积（CVD）
   CVD是一种借助于多元气体在加热零件表面发生化学反应，由此获得所需涂层的工艺。采用CVD技术制备涂层时，由于反应气体的流动可使涂层元素到达复杂零件或腔体零件的任何部位，因此该工艺最大的特点是具有极高的表面涂覆率，并且目前没有一种工艺能将之取代。
  相比于PVD技术，CVD技术还具有更高的生产效率和更低的生产成本。但也需指出，CVD技术反应温度较高，容易导致涂层与基体结合不牢或基体变形。此外，CVD技术常伴随着有毒有害气体产生，如果处理不当，会对健康和环境造成损害。因此，未来的CVD技术在制备高性能陶瓷涂层时的发展方向是低温、环保。

3

陶瓷涂层的应用进展

3.1

热障保护（热障陶瓷涂层）

  热障涂层的基本要求是耐高温、抗高温氧化；与金属基体结合牢固；热导率低，绝热性好；线胀系数与金属基体匹配好，耐热循环次数高。其主要用于航空、舰船及陆用燃气轮机的受热部件以及民用内燃机、增压 涡轮、冶金工业用喷氧枪等器件。
  在航天航空行业中，热障涂层能有效的解决航空发动机在高温、氧化和高速气流冲蚀等恶劣环境中的冲刷及隔热等问题；在汽车行业中，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，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。
  目前，稀土掺杂热障涂层是一种较热门的研究方向。内蒙古晶陶锆业有限公司联合内蒙古科技大学和上海交通大学共同研发的新型稀土陶瓷热障涂层材料实现产业化。该项目通过稀土改性后，具有耐腐蚀、耐高温、耐冲击这种优良的性能，能承受1300~1400℃的高温，将解决我国涡轮叶片热障涂层制备工程化应用难题，对于我国高性能热障涂层的工程化应用起到推进作用。

3.2

防腐功能

   陶瓷涂层的一个经典应用就是在石油化工、海洋等设备的防腐。用于管道防腐的涂层主要是有机涂层为主，但由于老化变质，耐热抗寒问题，管道的使用寿命有限，纳米陶瓷涂层具有抗老化、耐温、抗腐蚀等特点，可以大大延长管道的使用寿命。另外，纳米陶瓷涂层抗阴极剥离能力好，可适应海洋工作环境。

3.3

减少摩擦

  摩擦和磨损是自然界中普遍存在的问题，对于运输设备来讲，约80%零件失效的原因就是材料磨损。随着科学技术的不断发展和现代工业的迅速崛起，机械零部件对其表面耐磨性能的要求也越来越苛刻^[9]。使用耐磨陶瓷涂层喷涂在设备表面，可使设备兼具金属的强韧性、可加工性等特性及陶瓷的耐磨损、耐高温、耐腐蚀、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。如在火力发电站的风机涂覆耐磨陶瓷涂层可提高其使用寿命；在大型水利工程的启闭机使用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。

3.4

 电绝缘性

   陶瓷涂层通常具有良好绝缘性，除了应用于电子和电气行业外，在机械、工业和汽车行业的需求也很高。在电子工业应用中，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 ，高热导率的金属将强电流所产生的热量迅速散发，而陶瓷层则提供优良的介电绝缘性能^[10] 。

3.5

其他

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。

4

展望

   目前，陶瓷涂层及其制备工艺种类繁多，并在各个领域发挥着巨大的作用，但仍存在很多问题待解决。从陶瓷涂层来讲，其力学性能和基体的结合强度是关键；从制备技术来看，操作简单、成本低廉、高品质、低成本、对环境友好的方法是目前及未来努力的方向。未来，对于陶瓷涂层的发展，首先，应该提高涂层的综合性能以及基体的强度；其次，加强对陶瓷涂层制备的研究，改善现有的制备工艺的不足，开发更优的制备工艺。