中國報(bào)告大廳網(wǎng)訊，在航天領(lǐng)域，飛行器熱端部件常采用高溫合金或鈦合金等金屬基材，隨著飛行速度提升，為增強(qiáng)金屬基材承溫能力，會在其表面噴涂熱障涂層。傳統(tǒng)熱障涂層材料如氧化釔穩(wěn)定氧化鋯，使用溫度受限，而鋯酸釓熱障涂層因更低熱導(dǎo)率和更高承溫能力，應(yīng)用潛力顯著。不過，熱障涂層在生產(chǎn)后面臨數(shù)年貯存期，易受鹽霧、濕熱、霉菌等環(huán)境影響失效，因此在其表面涂覆三防漆成為提升防護(hù)性能的關(guān)鍵手段，相關(guān)研究對航天領(lǐng)域材料應(yīng)用意義重大。以下是2025年三防漆行業(yè)技術(shù)分析。

  一、試驗(yàn)設(shè)計(jì)：明確三防漆與熱障涂層研究條件及方法

  為探究三防漆行業(yè)在熱障涂層表面的性能，選取鋯酸釓(GZO)熱障涂層與傳統(tǒng)氧化釔穩(wěn)定氧化鋯(YSZ)熱障涂層進(jìn)行對比，同時以聚氨酯類 TL-43 三防漆為研究對象。在涂層制備方面，先對 45 鋼基材噴砂處理，使其表面粗糙度 Ra 達(dá)到 5μm 以上，隨后噴涂 50-100μm 厚的 NiCrAlY 金屬粘接層，再采用等離子噴涂工藝制備 GZO 涂層和 YSZ 涂層，兩者厚度均控制在 400μm 左右。GZO 粉末為噴霧造粒后燒結(jié)的球形粉，YSZ 粉末是電熔破碎粉，粒徑范圍均為 20-75μm，且設(shè)定 70mm、90mm、110mm 三種不同噴涂距離，詳細(xì)工藝參數(shù)如下：NiCrAlY 噴涂時，電流 100A、電壓 500V、噴涂距離 70mm、送粉速率 40g?min?1、噴涂次數(shù) 2 次;GZO-70 噴涂時，電流 530A、電壓 88V、噴涂距離 70mm、送粉速率 40g?min?1、噴涂次數(shù) 8 次;GZO-90 噴涂時，電流 530A、電壓 88V、噴涂距離 90mm、送粉速率 40g?min?1、噴涂次數(shù) 9 次;GZO-110 噴涂時，電流 530A、電壓 88V、噴涂距離 110mm、送粉速率 40g?min?1、噴涂次數(shù) 10 次;YSZ 噴涂時，電流 530A、電壓 80V、噴涂距離 90mm、送粉速率 40g?min?1、噴涂次數(shù) 9 次。在 GZO 涂層表面噴涂 TL-43 三防漆時，用乙酸丁酯將涂料黏度稀釋至 20s(涂 - 4)，控制噴涂壓力 0.4MPa、噴涂距離約 120mm、噴槍移動速度 100mm/s，單次涂層沉積厚度約 20μm，每遍噴涂后室溫晾置不低于 10min，研究鋪展行為時分別采用 1 遍和 3 遍噴涂。

  《2025-2030年全球及中國三防漆行業(yè)市場現(xiàn)狀調(diào)研及發(fā)展前景分析報(bào)告》指出，在性能測試上，采用 Zeiss G500 場發(fā)射掃描電鏡觀察涂層表面和截面形貌;用 TIME3200 型表面粗糙度測試儀測試表面粗糙度，單個樣品至少測試 3 次取平均值;通過 LSA200 型接觸角測量儀測試 TL-43 三防漆在不同涂層表面的接觸角，以液滴與測量面夾角平均值作為結(jié)果;參照 GB/T9286-2021 “色漆和清漆的劃格試片” 測試涂層附著力;制備 GZO/TL-43 復(fù)合涂層熱導(dǎo)率測試試樣，采用激光閃光法測試熱擴(kuò)散系數(shù)，用 DSC3500 差示掃描量熱儀測試熱容值，阿基米德排水法測密度，在 1100℃馬弗爐中靜態(tài)熱暴露 1-10min 研究燒蝕對熱導(dǎo)率的影響，同時對未涂覆 TL-43 的 GZO 涂層進(jìn)行相同熱暴露處理。

  二、鋯酸釓?fù)繉咏M織特征：影響三防漆附著基礎(chǔ)

  從表觀來看，三種 GZO 涂層和 YSZ 熱障涂層均較粗糙，尤其 GZO-70 涂層表面可見毫米級凸起。測試發(fā)現(xiàn)，涂層的 Ra 值和 Rz 值變化規(guī)律相似，Ra 值在一定范圍，Rz 值在 37-45μm 之間，與基材噴砂后表面粗糙度接近。對于 GZO 涂層，噴涂距離從 70mm 增至 90mm，表面粗糙度明顯降低，進(jìn)一步增至 110mm 時，粗糙度變化不顯著。這是因?yàn)閲娡烤嚯x過近(70mm)時，基體或已形成涂層的高點(diǎn)更易沉積，增大高度差，導(dǎo)致粗糙度較大;超過 90mm 后，粒子隨機(jī)沉積，粗糙度變化不明顯。對比 GZO 和 YSZ 涂層，后者粗糙度更大，因 YSZ 采用電熔破碎粉末，在等離子焰流中表層充分熔融而芯部未熔，扁平化程度低于 GZO，表層有直徑數(shù)十微米宏觀顆粒，粗糙度較高。

  通過 SEM 觀察，GZO 涂層和 YSZ 涂層均熔融良好，表面呈熔化后再凝固狀態(tài)，存在大量微裂紋，這是熔滴凝固體積收縮所致。GZO 涂層表面除充分熔融組織外，還有大量直徑 1-3μm 的細(xì)小粒子，且隨噴涂距離從 70mm 增大到 110mm，細(xì)小粒子數(shù)量減少，并從無定形態(tài)向球形轉(zhuǎn)變。這是因?yàn)? GZO 粉末由數(shù)十萬個內(nèi)徑 1μm 左右的二次粒子組成，進(jìn)入等離子焰后部分球形粉形態(tài)崩塌，分散成小顆粒，噴涂距離增加，焰流加熱時間延長，二次粒子更多熔化或半熔化。此外，利用 SEM 背散射模式觀察截面，涂層均呈典型層狀結(jié)構(gòu)，存在空洞、橫向?qū)娱g間隙及單層內(nèi)縱向微裂紋。GZO 涂層在噴涂距離 90mm 時孔隙率最低、致密度最高，70mm 時層間間隙明顯，熔化程度較差，110mm 時孔隙增多，空氣冷卻效果顯著。

  三、三防漆潤濕與鋪展行為：體現(xiàn)涂層表面適配性

  研究 TL-43 三防漆在三種 GZO 熱障涂層和 YSZ 涂層表面的潤濕行為，測試接觸角發(fā)現(xiàn)，涂料液滴在不同形貌熱障涂層表面均呈半球狀，外形輪廓平滑、左右對稱，兩側(cè)接觸角差異不超過 2°，測試結(jié)果一致性高。具體數(shù)據(jù)如下：GZO-70 涂層三次測試接觸角分別為 51.7° 與 52.1°、50.6° 與 50.7°、51.7° 與 52.4°，最終結(jié)果為 51.5°±0.7°;GZO-90 涂層三次測試接觸角分別為 42.4° 與 42.4°、44.8° 與 44.8°、44.9° 與 44.9°，最終結(jié)果為 44.0°±1.3°;GZO-110 涂層三次測試接觸角分別為 43.6° 與 44.6°、36.8° 與 36.8°、32.5° 與 32.5°，最終結(jié)果為 37.8°±5.3°;YSZ 涂層三次測試接觸角分別為 26.0° 與 26.0°、27.6° 與 27.6°、26.4° 與 26.4°，最終結(jié)果為 26.7°±0.7°?？芍S著 GZO 噴涂距離從 70mm 提高到 110mm，接觸角從 51.5° 降低至 37.8°，YSZ 涂層接觸角低至 26.7°。

  對比前期其他三防漆在粗化處理金屬表面的接觸角(噴砂處理后約 66°，激光處理后 48°-73°)，TL-43 三防漆在 GZO 和 YSZ 涂層表面接觸角更低，更利于成膜和施工，易獲得附著良好的涂層。根據(jù) Cassie 模型，固體表面微納尺度細(xì)小凸起會形成氣體間隙增大接觸角，而 YSZ 涂層因采用電熔破碎粉末，表面細(xì)小顆粒少，接觸角遠(yuǎn)低于 GZO 涂層;GZO 噴涂距離增大，表面二次粒子減少，對 TL-43 液滴疏水效果減弱，接觸角降低。

  在鋪展行為上，三防漆膜形成是霧化液滴沉積、鋪展固化、逐層累加的過程，可分為在熱障涂層上和在漆膜上的鋪展兩個階段。觀測 1 遍和 3 遍噴涂后的表面形貌發(fā)現(xiàn)，因潤濕性良好，1 遍噴涂就能在 GZO 和 YSZ 表面形成連通漆膜，而非分散扁平粒子。由于熱障涂層表面粗糙度大(Rz 達(dá) 35μm 以上)，1 遍噴涂后波峰位置未被覆蓋形成 “島嶼” 狀形貌，波谷被填充平滑過渡。其中 GZO-70 “島嶼” 集中且數(shù)量最少，GZO-110 “島嶼” 分散且數(shù)量最多，YSZ “島嶼” 少而分散，這由涂層潤濕性差異導(dǎo)致。當(dāng)噴涂 3 遍時，“島嶼” 數(shù)量大幅降低，漆膜覆蓋率達(dá) 90% 以上，幾種涂層表面形貌基本無差異。觀察截面形貌，GZO 和 YSZ 涂層均與 TL-43 涂層界面結(jié)合良好，無空洞或開裂，熱障涂層波峰波谷與 TL-43 涂料形成機(jī)械互鎖，三防漆滲入涂層孔洞和層間間隙，且 TL-43 涂層致密度接近 100%，表面流平，外觀反射效果好，說明 GZO 和 YSZ 涂層表面噴涂 TL-43 涂層工藝性能良好，利于獲得外觀一致、厚度均勻且組織穩(wěn)定的涂層。

  四、三防漆附著力表現(xiàn)：保障涂層結(jié)合可靠性

  對 GZO-70、GZO-90、GZO-110 和 YSZ 熱障涂層表面的 TL-43 涂層采用劃格法測試附著力，結(jié)果顯示 TL-43 涂層切口邊緣完整光滑，格子邊緣無任何剝落，附著力均達(dá)到 0 級。熱障涂層與 TL-43 三防漆形成良好界面結(jié)合的原因主要有三點(diǎn)：一是噴涂涂層表面粗糙度 Ra 達(dá)到 5-8μm，易形成機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu);二是等離子噴涂涂層表面有縱向微裂紋，TL-43 涂料可通過微裂紋滲入熱障涂層，起到類似 “生根” 的作用;三是等離子噴涂涂層表層為陶瓷熔融態(tài)，微觀平滑且表面能較低，TL-43 更易潤濕，界面孔隙少。實(shí)際應(yīng)用中有機(jī)涂料附著力一般要求不小于 2 級，可見該試驗(yàn)條件下制備的 GZO 和 YSZ 熱障涂層均能與三防漆形成可靠附著力，為后續(xù)應(yīng)用提供保障。

  五、隔熱性能變化：分析三防漆對熱障涂層的影響

  將 GZO-90 熱障涂層和 GZO-90+TL-43 復(fù)合涂層在 1100℃馬弗爐中分別熱暴露 1min、3min、10min，研究隔熱性能變化及三防漆燒蝕的影響。GZO-90 熱障涂層高溫性能良好，1100℃熱暴露后表觀形貌無變化;而 GZO-90+TL-43 復(fù)合涂層熱暴露時外觀變化明顯，制備態(tài)下 TL-43 涂層表面光滑、呈亮白色且對光有反射，熱暴露 1min 后變?yōu)榛野咨?、呈啞光態(tài)并出現(xiàn)局部微裂紋，無界面剝離;熱暴露 3min 后變?yōu)闇\灰色，表面粗糙，TL-43 燒蝕導(dǎo)致表層起皮，局部涂層剝離露出 GZO 涂層基體;熱暴露 10min 后表面變黃，TL-43 層呈龜裂態(tài)且粉化，大塊燒蝕產(chǎn)物從 GZO 上剝離，在外力作用下易脫落。

  測試室溫?zé)釘U(kuò)散系數(shù)發(fā)現(xiàn)，GZO-90 涂層室溫?zé)釘U(kuò)散系數(shù)隨熱暴露時間延長呈線性增加，制備態(tài)時約為 0.35mm2/s，熱暴露后增加到 0.43mm2/s，增幅達(dá) 23%;制備態(tài)的 GZO-90+TL-43 復(fù)合涂層室溫?zé)釘U(kuò)散系數(shù)最高，為 0.45mm2/s，隨后先迅速降低再緩慢提升，熱暴露 10min 后與 GZO-90 涂層接近。這是因?yàn)樵谥袦囟?800-1200℃)熱暴露時，等離子噴涂疊層間存在微納尺度間隙，原子擴(kuò)散會使局部間隙閉合，導(dǎo)致 GZO-90 涂層熱擴(kuò)散系數(shù)提升;而 GZO-90+TL-43 復(fù)合涂層熱擴(kuò)散系數(shù)變化由 GZO-90 涂層微燒結(jié)和 TL-43 燒蝕疏松化共同決定，制備態(tài) TL-43 涂層致密度接近 100% 導(dǎo)熱快，燒蝕后致密度下降、占比降低，熱擴(kuò)散系數(shù)由 GZO-90 主導(dǎo)，故 10min 后與單一 GZO-90 一致。

  通過公式計(jì)算熱導(dǎo)率(λ=α?ρ?c，其中 ρ=(ρ?l?+ρ?l??)/(l?+l??)，c=(c?m?+c?m?)/(m?+m?)，下標(biāo) 1 代表 GZO-90，下標(biāo) 2 代表 TL-43，c 為等壓熱容，m 為質(zhì)量，ρ 為密度，l 為涂層厚度，? 為 TL-43 涂層燒蝕后致密度)，并結(jié)合相關(guān)物性參數(shù)(GZO-90 密度 5.78g/mm3、等壓熱容 0.68J?g?1?K?1;TL-43 密度 1.80g/mm3、等壓熱容 1.35J?g?1?K?1;熱暴露 0min 時，TL-43 厚度 0.10mm、致密度 100%;1min 時，厚度 0.10mm、致密度 90%;3min 時，厚度 0.09mm、致密度 80%;10min 時，厚度 0.05mm、致密度 70%)，得出 GZO-90 涂層熱導(dǎo)率從制備態(tài)約 0.71W/(m?K) 升高至 0.87W/(m?K)，仍低于 1.0W/(m?K);GZO-90+TL-43 復(fù)合涂層制備態(tài)熱導(dǎo)率達(dá) 0.94W/(m?K)，比單一 GZO-90 高出 32%，熱暴露 1min 后降低至 0.82W/(m?K)，隨后穩(wěn)定在 0.86W/(m?K)，這是 GZO-90 微燒結(jié)導(dǎo)致熱導(dǎo)率上升與 TL-43 涂層燒蝕導(dǎo)致熱導(dǎo)率下降共同作用的結(jié)果。

  總體而言，在涂層總厚度限定情況下，TL-43 三防漆會降低熱障涂層隔熱效率，但隨著三防漆燒蝕，涂層隔熱性能會與單一熱障涂層趨同。工業(yè)應(yīng)用中，若隔熱要求較低(隔溫 150℃以內(nèi))，熱障涂層為層狀結(jié)構(gòu)時，TL-43 對隔熱有一定益處，但燒蝕后附加隔熱效果逐漸消失;若隔熱要求較高(隔溫 150℃以上)，熱障涂層厚度較厚(甚至達(dá) 1mm 以上)且存在垂直裂紋，TL-43 涂覆后雖增加涂層致密性，但也提供額外隔熱層，兩者綜合影響較低，導(dǎo)致燒蝕前后涂層隔熱效果差異不大。

  六、研究結(jié)論：總結(jié)三防漆與熱障涂層相關(guān)特性

  GZO 涂層噴涂距離從 70mm 增加至 110mm 時，涂層表面粗糙度先降低后保持不變，表面直徑 1-3μm 的細(xì)小粒子數(shù)量逐漸減少，涂層呈現(xiàn)典型層狀結(jié)構(gòu)，且在噴涂距離為 90mm 時，涂層致密度達(dá)到最高。

  隨著 GZO 噴涂距離從 70mm 增加至 110mm，TL-43 三防漆在 GZO 涂層上的接觸角從 51.5° 降低至 37.8°，三防漆在涂層表面潤濕和鋪展效果良好，復(fù)合涂層界面無空隙等缺陷，經(jīng)過 3 遍噴涂后，漆膜覆蓋率達(dá)到 90% 以上，TL-43 三防漆致密度接近 100%。

  在不同工藝條件下制備的 GZO+TL-43 復(fù)合涂層，其附著力均為 0 級，表明三防漆與熱障涂層之間具有優(yōu)異的附著力，能滿足實(shí)際應(yīng)用對涂層結(jié)合可靠性的要求。

  GZO 涂層制備態(tài)熱導(dǎo)率為 0.71W/(m?K)，GZO-90+TL-43 復(fù)合涂層制備態(tài)熱導(dǎo)率為 0.94W/(m?K)，將兩者在 1100℃下熱暴露 10min 后，熱導(dǎo)率均變?yōu)榧s 0.86W/(m?K)，復(fù)合涂層熱導(dǎo)率的變化是 GZO 涂層微燒結(jié)和 TL-43 三防漆燒蝕共同作用的結(jié)果。

  綜上所述，該研究明確了 TL-43 三防漆在不同形貌 GZO 熱障涂層表面的附著性及對隔熱性能的影響，為熱障涂層上噴涂三防漆提供了工藝基礎(chǔ)，對等離子噴涂層上有機(jī)涂料的噴涂具有借鑒作用，也為復(fù)合涂層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論支撐，對推動2025年三防漆行業(yè)技術(shù)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。

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