高强度涂层（精选7篇）
高强度涂层 篇1
专利号:200710070603.9
目前, 大量的防水材料制作工艺有三种, 即贴合法、压延法和涂层法。贴合法是将上下两层成型的PVC膜, 通过加热, 在热辊的压力下与中间的基布层贴合在一起的加工方法:压延法是将PVC粉与液态增塑剂等多种原料充分搅拌, 在高温热辊的压力作用下与基布粘合的一种加工方法;涂层法是将液态PVC浆料用刮刀均匀地涂布于基布的正反两面, 烘干塑化使其完全结合成一个整体后冷却成型的一种工艺方法。贴合工艺和压延工艺生产的产品剥离强度较差, 而采用涂层工艺生产的防水布可以添加一定的粘合剂, 产品具有较好的剥离强度。本专利提供一种PVC涂层防水布的制造方法。该方法包括以下步骤:
1、将下列重量份的组份混合成涂层剂:
PVC糊树脂100份, 增塑剂60至100份, 液体丁腈橡胶0至10份, 填料0至100份, 阻燃剂3至15份, 稳定剂2至5份, 防霉剂0.1至2份, 颜料1至20份。
2、在混合后的涂层剂中加入1至7份交联剂, 均匀涂布于基布上, 然后进行烘干处理;
3、经塑化成型。
涂层剂涂覆时, 涂布量为100至250g/m2, 烘干时的温度为130℃～160℃, 塑化时的温度为180℃～210℃。
该防水布具有防水、阻燃、耐老化的性能, 可广泛应用于火车、轮船、仓库遮盖、军用民用帐篷、遮阳设施、充气娱乐设施、储水制品、篷体建筑等领域。是现有防水材料的更新换代产品。
高强度涂层 篇2
摘要：轻量化是汽车“减重节能”的需要，采用高强度钢板已被证明是最佳的材料技术解决方案。高强度钢板的大量应用不但可以降低汽车的重量，减少钢材的使用，还可以提高车身的被动安全性和刚度等。简要回顾近年来国外汽车采用高强度钢板的情况，结合国内汽车的发展，重点论述宝钢高强度钢板技术的进展，并对下一步的发展进行展望。
O列言
“轻量化”之所以得到汽车行业的重视，是因为它可直接降低油耗、减少排放。资料表明，车重减轻lOqo，可节省燃油3% ~7qv[I]。但是，在过去的10多年当中，由于舒适、安全性要求的提高，汽车的重量却在逐年提高[2-3J，重量增加20010 30%，这显然不是人们期望的。与此同时，新能源汽车（如燃料电池、混合动力和氢能源等）的发展对汽车的轻量化要求更加迫切。
为了实现汽车的轻量化，近年来世界各大车厂、钢铁协会、铝协会等组织和一些钢厂先后进行了多项汽车轻量化项目的研究。尽管实现轻量化的技术路线不同，但目标相同，均能实现20%一40%的减重效果。研究结果表明，尽管铝、镁和塑料等轻质材料在汽车轻量化中被采用的越来越多，但钢铁仍然是汽车制造的主要材料，只是其内涵发生了很大的变化，即由原来的以软钢为主发展到以高强度钢板力主，结合相关先进钢铁加工技术的使用，在实现汽车轻量化的同时，还提高了汽车车身的被动安全性和刚度等。
近年来，我国的汽车行业发展迅速，2008年已成为世界第二大生产和消费国，2009年有望跃居第一，但高强度钢板的使用比例同国外相比差距较大。回顾了国外汽车采用高强度钢板的情况，结合国内汽车的发展，论述了近年来宝钢高强度钢板技术的进展，并对下一步的发展进行了展望。
1钢汽车轻量化项目及高强度钢板的应用
由国际钢铁协会组织的汽车轻量化项目主要包括超轻钢白车身(ULSAB)、超轻钢覆盖件
(ULSAC)、超轻钢悬挂件(ULSAS)和在此基础上的超轻钢概念车项目(ULSAB-AVC)‘4]。整个项目 于1994年开始，到2002年结束，在国际钢铁协会的统一协调下工作，委托位于美国底特律的保时捷工程服务中心执行开发，宝钢作为中国大陆惟一的钢厂参加了部分项目。在这之后，安赛乐和蒂森钢厂结合自己的技术特点，分别开展了钢概念轻量化白车身的项目研究，分别为ABC(Arcelor BodyConcept)和NSB(New Steel Concept)。其共同特点是，通过大量采用高强度钢板均实现了200-/0-25c/o的减重效果。ULSAB-AVC项目中，白车身l00%采用了高强度钢板，其中超过60%为超高强度（抗拉强度大于590 MPa）钢板；ABC项目中，90%采用了高强度钢板，其中超高强度钢板为57%；NSC项目中，84%采用了高强度钢板，其中超高强度钢板为 25%，从中可看出，高强度钢板的使用比例约47%-81%，其中一般高强度钢板为43%500-/0）。2004年开始，国内高强度钢板的使用比例提高较快，随着汽车业竞争的加剧和汽车碰撞法规的日益完善，国内汽车使用高强度钢板的比例将进～步提高，逐渐与国外接轨。
2宝钢高强度钢板的发展 2.1高强度钢板的种类
随着钢板强度的提高，延伸率下降，相比较而言，DP、TRIP和TWIP钢在拥有高强度的同时还表现出了高的延伸率。ULSAB-AVC项目中，把屈服强度<210 MPa的钢板归为软钢，屈服强度为210-550 MPa的归为高强度钢板，屈服强度>550 MPa的归为超高强度钢板。将以固溶强化和析出强化为主的高强度IF钢、各向同性钢、烘烤硬化钢、破锰钢和高强度低合金钢统
称为常规的高强度钢板。为了同常规的高强度钢板区别开，把DP、TRIP和Mart等以相变强化为主的钢板统称为先进高强度钢板，其抗拉强度范围500-1 500 MPa。这类钢板具有高的减重潜力、高的碰撞吸收能、高的疲劳强度、高的成形性和低的平面各向异性等优点‘ 2.2宝钢高强度钢板的开发历程
20世纪90年代初，当时国内的车型主要以桑塔纳、捷达和富康为主，高强度钢板的使用相对较少，这个时期的产品主要是常规的高强度钢，生产依托2 030 mm冷轧，退火以罩式炉为主，先后开发了高强度IF钢、烘烤硬化钢、碳锰钢和高强度低合金钢板系列。2000年1 550 mm冷轧投产后，宝钢汽车板品种中的热镀锌和电镀锌钢板得到了快速发展，在此阶段重点开发了电镀锌烘烤硬化钢、电镀锌各向同性钢、冷轧吸热镀锌双相钢及高强度低合金钢系列，满足了奥迪、帕萨特和别克等代表车型的需求。2005年1 800 mm冷轧的投产，重点解决了以日系车天籁、皇冠等车型为主的热镀锌合金化钢板的生产。2008年投产的1 780 mm冷轧，特别是高强钢专用生产线的投产，为宝钢超高强度钢板的生产奠定了基础，将宝钢可提供的钢板抗拉强度级别从780 MPa提高到1 500 MPa，成为国际上为数不多的几家可生产超高强度钢板的企业。经过近20年的持续发展，宝钢汽车用高强度钢板已经形成了齐全的家族系列 2.3 宝钢高强钢专用线及超高强钢的开发
为了满足国内汽车日益发展的需求，宝钢从2004年起就开始筹划高强钢生产专用线，于2007年初开始正式建设，自2009年3月开始调试以来，先后成功试制出冷轧l 500 MPa和热镀锌980 MPa级别的超高强度钢板，室钢高强钢专用生产线及所生产的产品有以下特点和技术优势：
(1)可生产抗拉强度为340-1 500 MPa的冷轧普板、抗拉强度为340-980 MPa的热镀锌高 强度钢板。本机组特别适合生产超高强度钢板是目前国内惟一一条超高强度钢板专用生产线。图6是采用这条专用线生产的典型高强及超高强度钢板的应力应变曲线，包括590 MPa级别的DP和TRIP钢、780 MPa的DP钢、980 MPa级别的DP和马氏体钢、l 180 MPa的马氏体钢和1 500 MPa级别的马氏体钢。
(2)产线具有多功能性，可生产冷轧普板和热镀锌钢板。冷轧普板可采用高浓度的氢气冷
却和水淬冷却两种模式进行生产。
(3)激光焊机进行焊接，保证了超高强钢的焊接质量及生产时带钢的稳定运行。
(4)退火炉的加热段采用明火加热，有利于改善高强钢热镀锌的可镀性能。
(5)冷却速度快，当采用600-/0以上浓度的氢气进行冷却时，对l mm的钢板其冷却速度可达140C/s以上；当采用水淬冷却时，钢板的冷却速度可超过5000C/s。较快的冷却速度可实现高强度钢板的低碳当量成分设计，从而提高产品的焊接性能。如DP780钢的P。值（P。=WC+ WSi/30+WM。/20 +2wp +4ws），可由常规冷却时的0.30降到高速冷却条件下的0.21。
(6)冷轧钢板表面具有良好的涂装性能，特别是水淬后钢板经过酸洗工序后，可使钢板表面的Mn等元素富集程度降低，从而进一步提高冷轧钢板的耐蚀性和涂装性。图7是采用水淬冷却工艺生产的980 MPa级别的马氏体钢的表面磷化膜照片，结晶尺寸为4 ym，膜重2.8 g/mz，磷化结晶均匀，遮盖率高，膜重和结晶尺寸均达到标准要求，说明钢板的可磷化性良好。3结语
高强度钢是实现汽车轻量化和提高被动安全性能的主要材料。宝钢经过近20年的发展，已经形成了门类和级别齐全的高强度钢板家族系列。随着国内汽车板市场竞争的加剧，宝钢需要不断开发新产品来满足用户的需求，近期还需要开展 以下三方面的工作：
(1)开发兼有更高强度和延伸率的新一代先进高强度钢，如淬火配分钢Q＆p[7]和孪晶诱发 塑性钢TyVIP[8。93等。
(2)开展AHSS钢板的使用技术研究。特别是超高强度钢板，除开展成形、高速动态性能、疲劳性能以及焊接性能研究外，还要开展有关模具和剪切等方面的研究，为用户更好的使用奠定技术基础。
压入法测涂层结合强度的研究进展 篇3
涂层力学性能,尤其结合性能(通常指涂层/基体界面间的结合强度,有时也涉及涂层的内聚强度)是评价涂层质量的重要指标。涂层结合性能检测方法种类较多,常用的有拉伸法、划痕法、弯曲法及剪切法等,然而这些方法各有利弊。拉伸法[1,2,3]只能对标准试样进行试验,且要求涂层结合强度小于环氧树脂粘接强度,难以检测高结合强度涂层。划痕法[4,5,6]力学分析较为复杂,难以建立临界载荷Lc与涂层结合强度之间的内在联系,此外划痕法主要适用于检测较薄硬质薄膜的结合性能,不适合检测较厚涂层及软膜。弯曲法[7,8,9]常见的有悬臂梁弯曲、三点弯曲及四点弯曲,然而这些方法皆有不足:悬臂梁弯曲在加载时加载压头容易产生滑动,从而产生较大的干扰信号,易被误认为界面开裂信号,影响检测结果;三点弯曲及四点弯曲适用于检测结合较弱的涂层,若涂层结合强度大于本身断裂强度,则会出现界面未开裂而涂层本身断裂的现象。剪切法[10,11]对较薄涂层的检测较为困难,因为套筒或试件的加工误差可能会在薄涂层的厚度范围内。
随着涂层在各领域的广泛应用,急需寻求一种操作方便简单、检测快捷准确、通用性及实用性强的涂层结合强度检测方法,此方法应满足以下2个基本条件[12]:(1)有能够合理反映涂层剥落时的良好力学模型;(2)有能够准确表征有关结合强度的力学参量。压入法是检测硬度的标准方法,在20世纪80年代初由Chiang等[13]用于表征涂层结合性能。近几十年来,经诸多学者的研究探索,压入法已能较有效地定性评价涂层结合性能。本文就采用压入法测涂层结合强度进行综述,分别介绍侧面压入法、界面压入法及表面压入法的研究现状,以期为涂层结合强度的检测研究提供参考依据。
1 侧面压入法
侧面压入法(见图1)即通过在涂层样品侧面施加压入载荷以诱导涂层失效,此方法的特点是在界面附近的基体上进行压入,通过基体受压产生的侧向力向外推动涂层使之失效;涂层失效过程可直接进行观察,有利于研究涂层失效行为与机理。
根据压头形状和涂层/基体材料类型,侧面压入法主要分为两种:一是用三棱锥压头表征塑性涂层/脆性基体结合性能;二是用锥形压头表征脆性涂层/塑性基体结合性能。J.M.Sánchez等[14,15]对塑性涂层(SiO2打底层,Cu、SiN面层)/脆性基体(Si)进行侧面压入实验,发现脆性基体的“崩裂”行为可诱导涂层开裂,裂纹萌生的长度可定性评价涂层结合性能,此外利用有限元分析及附着力能量可计算铜薄膜的界面裂纹扩展阻力,有望定量检测铜薄膜结合强度值。H.Zhang等[16,17]对脆性涂层(AT13、Al2O3/Al6061)/塑性基体(钢)进行侧面压入实验,并利用有限元模拟进行分析,发现涂层在开裂时侧向力会产生突变(见图2),更适合表征涂层结合性能。
国内张坤等对侧面压入法研究较深,文献[18]对侧面压入过程中涂层的剥落行为进行研究,发现随载荷增大,涂层呈扇形突起,接着呈扇形剥落,且存在2个剥落面:界面破坏面和涂层内聚破坏面。文献[19]对强结合脆性涂层/硬性钢基体的界面结合性能进行侧面压入研究,得到如图3所示的载荷-位移曲线关系,发现涂层剥落可分3个与载荷-位移曲线斜率的突变点存在对应关系的阶段:一为涂层内部形成3条对称裂纹(见图4(a));二为3条裂纹扩展形成局部“孤岛”(见图4(b));三为“孤岛”沿界面剥落(见图4(c))。
文献[20]对压头角度、压入点距离及涂层厚度进行研究,发现三者对侧面压入法都有重要影响。压头角度会影响界面应力,大角度压头难以使涂层剥落,小角度压头容易损坏,推荐压头角度为90°圆锥压头;压入点距离界面较近时,会对压入结果产生较大影响,而压入点距离界面较远时,会使涂层剥落困难;由于残余应力作用,涂层厚度会影响涂层结合性能,涂层越厚,结合越差,推荐压入点与界面的距离与涂层厚度之比为2~3。
综上所述,侧面压入法不与涂层直接接触,不受涂层厚度限制,是一种很有意义的结合强度检测方法。然而此方法目前只能定性评价涂层结合性能好坏,难以定量测出涂层结合强度大小,存在一定局限性。
2 界面压入法
界面压入法(见图5)即在涂层与基体界面施加压入载荷以诱导涂层失效,此方法与侧面压入法相比,无需考虑压入点位置的影响,能够更有效地诱导涂层失效,可以评价高结合强度涂层。
1988年D.Chouher等[21]用维氏压头以一定载荷压入涂层与基体界面从而诱导涂层开裂,根据界面处裂纹萌生长度来定性评价涂层结合性能,认为裂纹越长,涂层结合越差。
D.Maschio等[22]用维氏硬度计以多点分级加载方式对涂层界面进行压入,通过断裂力学分析得出临界应变能释放率Gc和界面韧性Kc可用来表征涂层结合性能。
J.Lesage等[23]对不同厚度的涂层进行界面压入实验,发现涂层界面裂纹长度C与压入载荷P有以下关系:
式中:n受涂层厚度影响;裂纹长度C与压入载荷P的对数曲线交点(见图6)即为涂层开裂的临界载荷Pｃ,可用来表征涂层结合性能。
国内易茂中等对界面压入法研究较深,并研制出能够实现单点连续加载、卸载的涂层压入仪[24],凭此压入仪可检测压入过程中压入载荷与压入位移关系曲线以及界面开裂时的临界载荷。文献[25]通过改变基体硬度、表面粗糙度、涂层材料类型、涂层厚度和喷涂工艺制备不同结合强度涂层,用界面压入法与拉伸法对不同结合强度涂层进行试验,比较界面压入法测得的临界载荷Pc和拉伸法测得的涂层结合强度,发现基体硬度不影响涂层结合强度却影响临界载荷Pc,基体硬度越高,临界载荷Pc越小;基体表面粗糙度,涂层类型、厚度,制备工艺会影响涂层结合强度,当涂层结合强度较低时,Pc能够反映涂层结合性能;当涂层结合强度较高时,由于胶粘法本身的缺陷,拉伸法测的是胶的粘结强度,是一个恒值,而Pc却依旧可反映涂层结合性能(见图7),因此认为界面压入法更适合评价高结合强度涂层。
文献[26]根据能量守恒原理并结合裂纹处理思路得到一个复杂的结合强度表达式:
式中:ΔΓ 为界面分离后的表面能差,σ可视为涂层结合强度,u(x１,0,x３)为界面分离后上下界面的位移值,dA为变量,代表界面裂纹扩展面积;其中界面分离后的表面能差 ΔΓ 可由公式计算,界面张开位移u(x１,0,x３)可根据图8计算,将上述结果带入结合强度公式可算出涂层结合强度,其结果与拉伸法测的结果相差约30%,可大概表征涂层结合强度,但不能精确得出涂层结合强度值。
图7界面压入法测定的临界载荷Pc-结合强度关系曲线图[25]Fig.7 Critical load Pc-bonding strength curve measured by interface indentation method[25]
综上所述,国内外对界面压入法研究较为深入,但此方法目前只能定性评价涂层结合性能,不能精确检测涂层结合强度值;且此方法要求涂层需有一定厚度,难以评价薄涂层结合性能,一定程度上限制了界面压入法的广泛应用。
3 表面压入法
表面压入法(见图9)即将压头直接压入涂层表面以诱导涂层失效,与侧面压入法和界面压入法相比,此方法避免压头与基体直接接触,减小压头对基体损伤,可对绝大部分形状零件涂层进行检测,不仅能评价涂层整体结合性能,还能评价涂层局部结合性能,是一种简便易行、检测迅速、结果直观、经济有效的结合强度检测方法。
J G Buijnsters等[27]用表面压入法和划痕法对金刚石薄膜进行研究比较,发现两种方法均可定性表征薄膜结合性能。A.Kuper等[28]用表面压入法、划痕法和弯曲法对TiN薄膜进行研究比较,发现3种方法均可较好地表征薄膜结合性能,且表面压入法对试样尺寸没有要求,应用范围更广。H.Ollendorf等[29]用多种方法对TiN薄膜进行研究比较,发现表面压入法操作方便、结果直观。
1991年表面压入法被列入徳国工程师手册成为一项标准,通过用100倍光学显微镜观察压痕形貌与结合性能质量标准(见图10)进行比较以评价涂层结合好坏,HF-1~HF-4表示涂层结合较好,HF-5~HF-6表示涂层结合较差。此方法简便易行、检测迅速、经济有效,但质量标准较为笼统,只能定性评价涂层结合好坏,不能定量得出结合强度大小,存在一定局限性[30,31,32]。
为了能够定量评价涂层结合强度值,一些学者对表面压入法的力学原理进行研究。J.Robert等[33]发现压头在压入过程中产生一个半球状塑性区,把涂层材料向外挤出,并在涂层周围产生压应力。R.Chalker等[12]发现载荷较低时,涂层与基体一起变形;载荷达到一定值时,二者间协调关系发生变化,涂层出现周向裂纹及环状剥落或两者混合,裂纹开裂尺寸与载荷的关系如图11所示,图中Pc为裂纹开始萌生的临界载荷,可用来表征涂层结合性能。
根据硬度定义［３４－３７］分析表面压入法力学原理,发现载荷P与位移h满足以下关系:
对于Vickers四棱锥压头,压入深度h与压痕对角线长度的关系式为:
即
式中:d为压痕对角线长度,α为压头锥角,大小为136°。
由于检测仪器、压头、试样等均可对检测结果产生影响,故实际载荷与位移关系并不满足以上方程,且当载荷完全卸载后,压头有一定残余位移hr(见图12),压头实际位移为(hmax-hr),故对于卸载过程,载荷P和位移h可表示为:
式中:P(h)为载荷与位移关系函数,hmax为最大压入位移,hr为卸载至零时压头位移,k和m为待确定参数。图13为卸载后深度和对角线方向的弹性恢复,图中临界压入位移hc=(hmax-hr),由此推算临界载荷:
式中:k和m难以计算,hc难以检测,导致Pc计算极为困难。
易茂中等[38,39,40]用自制的涂层压入仪进行表面压入实验,将检测的临界载荷Pc与划痕法检测的Lc进行比较,发现Pc分散性较小,可做无损检测,具有应用前景;但此方法在压入过程中涂层剥落方式尚难确定,受力失效过程也不清楚,临界载荷Pc难以精确检测,涂层结构因素对Pc的影响难以分析,未能建立临界载荷Pc与涂层结合强度之间的内在联系,以上问题导致表面压入法难以通过临界载荷Pc定量检测涂层结合强度值。
H.F.Qi等[41]对表面压入法进行研究,得出一个计算以铜为基体的金刚石薄膜结合强度的表达式:
式中:E为金刚石薄膜的弹性模量,x为界面上点的横坐标,a为常数,取决于载荷大小、压头形状、涂层厚度及涂层与基体材料的性质;b也是常数,取决于涂层厚度和涂层与基体材料的性质。
韦习成等[42]认为压头和试样表面之间的接触实际上是球头和平面的接触,基于球和平面的弹性赫兹接触应力理论,采用表面压入法对TiN涂层的结合强度进行研究,得出一个极其复杂的结合强度表达式:
式中:h为设定的涂层未知厚度,a为实际检测的压痕半径,K为一个比值,根据式(9)计算出的最大剪切应力τA即为涂层的结合强度,计算结果与实验结果一致。
式(8)、式(9)虽然可以计算出涂层结合强度,但式(8)只限于金刚石薄膜与铜之间结合强度的检测,难以用于其他涂层;式(9)计算过程太复杂,存在一定局限性。
要解决上述问题,需借助精密的监测和监控装置以揭示涂层剥落的形式与规律,从而找到与涂层结合强度直接相关的内在联系,因此有学者将表面压入法与声发射检测技术相结合以检测涂层在受载时的失效行为,以期建立声发射信号、压入载荷和裂纹状态之间的内在联系。
声发射现象是指材料受力产生变形或断裂时,因迅速释放弹性能而产生瞬态弹性波(也被视为压力波)的一种物理现象,可以反映材料的微观结构变化及损伤程度[43,44,45]。涂层材料在受到一定载荷的状态下会产生裂纹或剥落现象,同时会产生声发射信号,在拉伸法检测涂层结合强度实验中,弓满锋等[46]发现声发射技术能够有效地检测涂层受载时的裂纹萌生、扩展和断裂过程,且可用于计算涂层的面内强度、结合强度等力学性能。易茂中等[39,40]利用声发射技术检测涂层的失效行为,发现声发射信号能够与涂层开裂及剥落时的载荷值相对应。J.V.Stebut等[47]将表面压入法与声发射技术相结合,对涂层结合强度进行了系统研究,发现声发射信号适合表征涂层受载时产生的环状开裂与剥落行为。
过去虽有学者将表面压入法与声发射检测技术相结合,但其皆致力于建立涂层开裂或剥落时压入临界载荷与涂层结合强度之间的内在联系,仅将声发射信号参量用于判断涂层是否开裂或剥落,研究过程中引入大量复杂参量(如涂层表面粗糙度、涂层厚度、压头形状及压入载荷等),导致结果分析极其复杂,难以建立有效的涂层结合强度计算公式。本课题组采用专用压入设备对涂层表面进行压入以诱导涂层失效,尽可能减小其他参量对涂层结合强度检测的影响,同时采用声发射装置接收涂层失效时产生的临界声音信号(见图14)以深入分析涂层损伤行为,揭示涂层损伤机理,建立声发射信号参量与涂层结合强度之间的内在联系,用声发射信号参量定量或半定量表征涂层结合强度。文献[48]发现表面压入法可有效诱导涂层剥落,且损伤范围较小,基本满足无损检测要求(见图15);且声发射幅度信号对涂层显微变化较为敏感,能够较准确地表征涂层内部裂纹萌生与断裂失效过程,可作为涂层失效时的临界判据。文献[49]在相同涂层厚度和压入速度条件下分别对Al2O3涂层和FeCrBSi涂层进行表面压入实验,发现结合强度较大的FeCrBSi涂层受压失效时产生的声发射能量突变值相对较强。文献[50]制备了AT40、Al2O3及FeCrBSi三种不同结合强度的涂层,在涂层表面进行压入试验,提取分析试验过程中声发射信号的幅度和能量的时间分布特征,观测压痕处涂层表面和截面的微观形貌,发现声发射信号的能量与幅度均出现了相对明显的阶跃变化,且导致信号突变的涂层失效都产生于涂层界面,说明声发射信号参量可以准确表征涂层界面失效,此外声发射能量突变值与涂层的界面结合强度有很好的对应关系,有望成为直接评价涂层结合强度的参数。
目前本课题组结合表面压入法与声发射检测技术检测涂层结合强度虽取得了一定的成果,却存在以下两点问题:其一,此方法适用于检测硬质陶瓷涂层及较薄金属涂层,对于较厚的金属涂层,因其塑性较强、结合较好,在受压时涂层与界面难以开裂,如何完善压入方法使之适用于更多属性涂层是本课题研究的一项重点;其二,由于涂层并非绝对均匀且压入过程也非完全一致,导致涂层受压时产生的能量突变值具有一定的离散性,如何在大量离散信号之中提取有用信号以准确表征涂层结合强度是本课题的一项难点。笔者认为若想解决上述问题,需通过优化压入条件(压入载荷、压入速度、压头形状等)以诱导较厚金属涂层界面开裂,并且利用统计学原理深入分析涂层受压时产生的能量信号,排除干扰信号,提取有用信号,使之能够较为准确地表征涂层结合强度。总之,本课题组结合表面压入法与声发射检测技术,建立声发射信号参量与涂层结合强度之间的内在联系,以非力学参量表征涂层结合强度,有望简化压入控制系统、研制便捷式压入设备。
综上所述,表面压入法是一种简便易行、检测迅速、结果直观、经济有效的结合强度检测方法,然而目前表面压入法只能定性评价涂层结合性能,难以定量检测涂层结合强度值,存在一定局限性。本课题组正在研究表面压入法与声发射检测技术相结合以表征涂层结合强度,此方法有望实现定量或半定量检测涂层结合强度值、简化压入控制系统、研制便捷式压入设备。
4 结语
侧面压入法、界面压入法及表面压入法皆有特点,侧面压入法加载于基体侧面,不与涂层直接接触,不受涂层厚度限制;界面压入法加载于涂层与基体的界面,无需考虑压入点位置影响,能够检测高结合强度涂层;表面压入法加载于涂层表面,避免压头与基体直接接触,减小压头对基体损伤,能对绝大部分形状零件涂层进行检测,也能评价涂层局部结合性能。然而此3种方法皆有不足,侧面压入法与界面压入法需制涂层试样,难以直接检测涂层零件,且界面压入法还要求涂层需有一定厚度,否则难以加载;表面压入法通常采用硬度计对涂层施加压入载荷,难以诱导高结合强度涂层失效,限制其检测范围;另外此3种方法目前皆难以定量检测涂层结合强度值,只能定性评价涂层结合性能,存在一定局限性。
过去研究压入法的学者很多皆致力于建立压入临界载荷与涂层结合强度之间的内在联系,从而引入大量复杂参量,导致结果分析极其困难,难以建立能够计算涂层结合强度的表达式。本课题组将表面压入法与声发射检测技术相结合,采用专用压入设备对涂层表面进行压入以诱导涂层剥落,尽可能减小其他参量对涂层结合强度检测的影响,同时采用声发射检测装置接收涂层失效时产生的临界声音信号,利用声发射信号参量分析涂层损伤行为,揭示涂层损伤机理,表征涂层结合强度,有望实现科学、简便、迅速地定量或半定量检测涂层结合强度,研制便捷式压入设备。
摘要：涂层结合强度是评价涂层质量的重要指标,基于涂层的多样性及复杂性,涂层结合强度的检测方法种类较多。压入法是一种通过施加压入载荷诱导涂层失效以表征涂层结合强度的检测方法,此方法按压入位置的不同可分为侧面压入法、界面压入法及表面压入法;就此3种压入方法进行了综述,介绍了它们的适用范围、检测特点及研究进展,讨论了它们的优势与不足,分析了表面压入法目前存在的研究难点,并提出了相应的解决思路。
高强度螺栓的使用方法 篇4
5.5 高强度螺栓连接 5.5.1 材料
1、螺栓、螺母、垫圈均应附有质量合格证明，并应符合设计要求和国家标准规定。
2、螺栓、螺母、垫圈应保证配套，螺纹不得有损坏，保持清洁、干燥状态，并应按规格分类存放在仓库里。5.5.2 螺栓安装前准备工作
1、检查各安装构件位置是否正确，是否符合《钢结构工程施工及验收规范》（GB20205-2001）的精度要求。
2、检查安装母材的螺栓孔的直径及孔距尺寸，孔边的光滑度是否符合要求，如有毛刺应彻底清除。
3、熟悉安装施工计划，并准备好操作设备及机具。
4、准备好测量工具。5.5.3 操作工艺
1、连接处钢板应平直，板边、孔边无毛刺，以保证摩擦面紧贴。接头处有翘角或变形时必须进行校正，并不得损伤摩擦面。
2、装配前应清除孔边污染的油污、油漆。
3、安装时，首先用临时螺栓拼装，个数不应少于接头螺栓数的1/3。方法是用钢穿杆准孔位，在适当位置插入临时螺栓拧紧螺母，每一个节点到少放入两个临时螺栓。不允许使用高强度螺栓兼做临时螺栓。一个安装段完成后，经检查确认合格后方可安装高强度螺栓。
4、安装高强度螺栓，结构中心位置经调整检查无误后，即安装高强度栓（本工程采用螺母扣紧）。垫圈放置在螺母一侧，不得装反。如螺栓不能自由穿入螺孔时，要用绞刀修孔后再穿入，不得强行用力打入，以防螺纹损伤，修孔后清理毛刺。
5、高强度螺栓的紧固，一般分两次进行，第一次为初拧，紧固至螺栓准预拉力的60%-80%，第二次为终拧，紧固至螺栓标准预拉力，偏差不大于±10%。预拉力按设计规范确定。施工中扳手扭矩公式Tc=k*Pc*d k=0.11～0.15 Pc(预拉力)d=螺栓直径
6、检查扭矩扳手标定记录和螺栓的施工记录，当有疑义的应检查螺栓初拧记录。5.5.4 质量标准
1、保证项目
（1）、高强螺栓的形式、规格和技术条件必须符合设计要求和有关标准规定，必须进行试验确定扭矩系数或复验螺栓预拉力，应检查合格证及试验报告。（2）、螺栓连接面的摩擦系数必须符合设计要求和有关标准规定，表面严禁有氧化铁皮、毛刺、焊疤、油漆和油污等。
（3）、高强螺栓必须分二次拧紧，初拧、终拧质量必须符合施工规范和钢结构用高强螺栓的专门规定。
2、基本项目
（1）、高强螺栓穿入方向应一致，丝扣外露不少于2口。（2）、扭剪型高强度螺栓尾部卡头终拧后全部拧掉。（3）、摩擦面间隙应符合设计和钢结构验收规范要求。
3、允许偏差
（1）、高强度螺栓孔的直径比螺栓杆公称直径1.5mm，螺栓孔具有H14（H15）的精度，孔的允许偏差应符合《钢结构施工及验收规范》GB50205-2001（2）、零件、部件上孔的位置，因按施工图制作，宜按照国家标准《形状和位置公差》（GB1184-80）计算，如设计无要求时，成孔后任意两孔间距离的允许偏差应符合《钢结构施工及验收规范》GB50205-2001 5.5.5 高强度螺栓施工注意事项
1、质量方面注意事项
（1）、表面浮锈、油污、螺栓孔壁有毛刺、焊瘤等均应清理干净。
（2）、接触摩擦面处理后要达到规定的抗划移系数要求。使用的高强度螺栓应有配套的螺母、垫圈，使用时按配套使用，不得互换。
（3）、处理好的构件摩擦面安装时不允许沾油污、泥土等杂物。（4）、安装时组件摩擦面应保持干燥，不应在雨中作业。（5）、在安装前严格检查并校正连接的钢板的变形。（6）、安装时禁止锤击打入螺栓以防止螺栓丝扣受损。
（7）、使用时定期检测的电动扳手，保证扭矩的准确度，并按正确的扭紧顺序操作。
2、主要安全技术措施
（1）、使用活动扳手的扳口尺寸应于螺母的尺寸相符，不应使用小扳手上加套管。高空中作业应使用死扳手，如用活扳手时用用绳子拴牢，人要系好安全带。（2）、组装钢构件连接螺栓时，严禁用手插连接面或探摸螺孔，取放垫铁板时，手指应放在垫铁板的两侧。
高强度涂层 篇5
关键词：超音速火焰喷涂,等离子喷涂,热障涂层,铜基体,粘结层,结合强度
0 前 言
通过热障涂层(TBC)技术在基体表面涂覆高温隔热防护涂层,可以降低基体工作温度,提高基体抗高温腐的蚀能力,延长部件的使用寿命[1,2,3]。为此,对热障涂层的陶瓷隔热材料、粘结层材料、涂层结构、制备工艺和涂层失效机理等进行了广泛而深入的研究[4,5]。ZrO2陶瓷涂层由于具有较高的热膨胀系数和很低的热导率,同时具有抗高温氧化和抗冲击能力,已成为热障涂层的首选材料。在各种制备表面涂层的技术中,热喷涂,特别是等离子喷涂(APS),由于其焰流温度高,特别适合喷涂陶瓷等高熔点材料,且涂层成分和厚度易于控制,对工件尺寸和形状限制小,功效高,已经成为表面工程领域制备热障涂层的一种重要技术方法。超音速火焰喷涂(HVOF)的主要特点是高动能和相对较低的温度,最终可以获得具有高结合强度、高密度、高硬度和低氧化物含量的高质量涂层[6]。热障涂层的结合强度是热障涂层性能评价的重要指标。铜基体与热障涂层的结合强度较低,一直是限制其在高炉风口等应用的重要因素。为了提高铜基设备与热障涂层的结合强度,本工作分别采用超声速火焰喷涂和等离子喷涂制备金属粘结层,采用等离子喷涂制备热障涂层,分析测试了不同粘结层喷涂方法对涂层结合强度的影响,为提高铜基体与热障涂层的结合强度提供依据。
1 试 验
1.1 材 料
TBC通常由金属底层(粘结层)和陶瓷面层组成。金属底层的主要作用是将陶瓷面层牢固地粘结在基体金属上,陶瓷面层起隔热和抗腐蚀等作用。
基体材料 以提高高炉风口寿命为目的,采用紫铜基体材料,尺寸为ϕ25 mm×6 mm。
喷涂材料 热障涂层材料包括金属粘结层NiCrAlY和陶瓷面层ZrO2 - 8%Y2O3。金属粘结层NiCrAlY的化学成分见表1。用于等离子喷涂的NiCrAlY粉末粒度分布为63～106 μm,用于超音速火焰喷涂的NiCrAlY粉末粒度小于45 μm。陶瓷面层ZrO2 - 8%Y2O3粉末为常规微米级陶瓷粉末,其粒度为45～100 μm。
1.2 试样制备
首先用丙酮清洗基体试样,然后用24号刚玉砂进行吹砂预处理,再用丙酮清洗,晾干。
分别用APS - 2000A型等离子喷涂机和DJ - 2700型超音速火焰喷涂机喷涂金属粘结层,涂层厚度为0.15 mm;用APS - 2000A型等离子喷涂机喷涂陶瓷面层,涂层厚度为0.35 mm。超音速火焰喷涂工艺参数见表2,等离子喷涂工艺参数见表3。
1.3 测试方法
根据热喷涂涂层结合强度试验方法(HB 5476-91),用环氧树脂胶把制备好的热障涂层试样粘到已喷砂粗化的对偶拉伸棒上(见图1),80 ℃保温4～5 h,待胶完全固化后,在TY - 8000微控式材料试验机上进行拉伸试验。拉伸速度:2 mm/min,标距:6.0 mm,温度:20 ℃,湿度:30%。
2 结果与分析
2.1 结合强度
2种不同粘结层对应的热障涂层的结合强度试验数据见表4。由表4可见,与等离子制备粘结层相比,用HVOF制备粘结层可明显提高涂层的结合强度,约提高54%。其原因是HVOF的高动能使熔滴具有更高的飞行速度、撞击基材表面后变形充分,增加了涂层与基体之间的物理结合作用。
2.2 断口形态
通过试样的断口特征可以看出,拉伸断裂位置均位于涂层与基体的结合界面处,涂层与基体发生了机械分离。这说明NiCrAlY底层与铜基体以机械结合为主,其结合界面是整个涂层 - 基体体系中最薄弱之处。涂层的结合强度包括涂层与基体的结合强度,涂层颗粒之间的黏聚结合强度以及片层之间的结合强度。试样断裂发生在涂层与基体的界面处,个别基体上粘有少量陶瓷,表明涂层本身的结合强度大于涂层与基体的结合强度。
图2为热障涂层的截面结构形貌。从图2中可以看出热障涂层由3层构成,从左至右依次为陶瓷层、粘结层和基体。图3为拉伸试样断口,断口平行于涂层,断裂为脆性断裂。对断口进行成分分析见图4。从图4看出,断面上的主要成分为Cu,Cr,Al,可以确定断裂面为粘结底层与基体间的界面。
3 结 论
(1)与等离子喷涂粘结层相比,采用HVOF喷涂粘结层可有效提高铜基体上ZrO2热障涂层的结合强度,比等离子喷涂约提高54%。
(2)热障涂层的结合以机械结合为主,粘结层与基体铜的结合界面是整个涂层 - 基体体系中最薄弱之处。
参考文献
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高强度涂层 篇6
热障涂层(TBC)是指沉积在耐高温金属表面、具有良好隔热效果的陶瓷涂层,其能使基体材料免受高温氧化和腐蚀,并能降低基体的工作温度,在航空航天、发电、冶金、船舰、汽车制造等领域有着广泛的应用[1]。实际应用的热障涂层大多采用由陶瓷隔热表层和金属黏结底层组成的双层结构,ZrO2 - Y2O3是目前使用最广的陶瓷隔热表层材料,金属黏结底层主要为MCrAlY合金,其中M代表Ni、Co或NiCo。ZrO2成为首选,是因为其具有很高的熔点、良好的高温稳定性、较低的热导率以及与基体材料最为接近的热膨胀率[2]。
结合强度直接关系到修复和强化零件使用的可靠性,是优化工艺参数的重要依据之一。涂层的结合强度不佳会引起涂层的剥落,不仅影响工件的外观质量,还会使涂层的防护性和功能失去作用[3]。因此,涂层的结合强度是决定材料整体强度的关键,也是评价涂层质量的关键指标[4]。等离子喷涂是制备ZrO2热障涂层的常规方法,具有工艺成熟、基体材料不受限制、沉积速率高、成分可控等优点。但其涂层孔隙率较大,涂层中常存在未熔化的颗粒和孔洞;同时由于快速冷却,在涂层内部易产生热应力和微裂纹。此外,涂层与基体的结合以物理机械嵌合为主[5],因而涂层可能发生失效。因此,如何提高等离子喷涂热障涂层的结合强度成为备受关注的问题。
1电弧超声原理及作用
吴敏生首先提出了电弧超声的概念[5],并通过电弧焊接试验进行了验证,该理论同样适用于等离子喷涂。等离子喷涂过程中,利用等离子弧的变阻性负载特征,在具备良好动特性电源的驱动下,使等离子电弧接受外加高频调制,并激发出电弧超声,使得超声可以在等离子喷涂过程中实时导入,从而得以研究超声激励对等离子喷涂热障涂层性能的影响。
前期的研究试验表明,加入超声激励后,改变激励频率对喷涂涂层的结合强度、热震性能、表面残余应力等有影响。但对于电弧超声,除了超声激励频率之外,超声激励电压也是非常重要的影响因素。因此,本工作就同一频率下改变超声激励电压进行了试验研究。
2试 验
试验采用METCO - 7MC喷涂设备进行涂层制备,底层材料为NiCrAlY,面层材料为ZrO2 - Y2O3。喷涂过程中利用超声激励源在频率50 kHz下分别施加40,60,80,100,120 V电压进行喷涂,并与不加入超声的进行对比。NiGrAlY底层的喷涂工艺参数为:主气Ar压力0.48 MPa、流量2.26 m3/h,次气H2压力0.42 MPa、流量0.28 m3/h;电流500 A、电压50 V、送粉气Ar、送粉速率40 g/min、喷涂距离120 mm、喷涂角度90°。
ZrO2 - Y2O3面层喷涂工艺参数为:主气Ar压力0.50 MPa、流量2.80 m3/h;次气H2压力0.42 MPa、流量0.50 m3/h,电流550 A、电压60 V、送粉气Ar、送粉速率40 g/min、喷粉距离110 mm、喷涂角度90°。
喷涂制备的试样参照GB/T 8642-2002进行拉伸结合强度测定,基体材料为GH4169,试样尺寸ϕ=25 mm×6 mm,测定结果取均值,并计算每组各自的标准偏差。此外,利用扫描电镜对试样显微形貌进行观察分析。
3结果与讨论
3.1涂层拉伸结合强度测定
试样拉伸结合强度结果见表1。
喷涂过程中不加超声制备的试样拉伸结合强度值相对较低,平均为33 MPa。施加超声激励试样的拉伸结合强度值除120 V组为31 MPa略低于不加超声组数值外,其余四组均高于不加超声组试样:其中50 kHz 40 V组平均值最高,为42 MPa,比不加超声组试样平均值高27.3%;60,100 V组试样平均值为41 MPa,比不加超声组试样平均值高24.2%;80 V组平均值为36 MPa,比不加超声组试样平均值高9.1%。对每组参数四块试样的拉伸结合强度值进行标准偏差计算可以看出,不加超声组标准偏差较高,为3.8。加入超声激励后,数据离散程度整体减小,更为集中稳定,除40 V组标准偏差为5.8外(高于不加超声组),其余四组60,80,100,120 V分别为2.4,1.5,2.1和1.7,低于不加超声组。
由结果可以看出,在等离子喷涂过程中加入超声激励后,涂层结合强度整体有较大提高,且性能更加稳定。
3.2涂层截面扫描电镜观察
涂层的显微结构是涂层宏观性能的基础,是判定涂层质量的主要依据之一。通过微观观察可以测量涂层的厚度、判断涂层与基体的结合情况,进而研究和判断工艺、涂层结构和性能之间的关系[6]。
图1为试样涂层截面扫描电镜图。不加超声的试样涂层底层很薄,面层、底层厚薄不均匀,孔隙明显,有较多较大的孔洞,裂纹明显,在与涂层平行、垂直的方向都有较长的裂纹(图1a)。施加50 kHz 40 V超声的试样涂层孔隙略有减少,底层厚度明显增加(图1b);施加60 V超声的试样涂层均匀致密,底层、面层熔合情况良好,面层偶尔出现孔隙(图1c);施加80 V超声的试样涂层厚度均匀性一般,底层与基体之间有未熔合粉末颗粒(图1d);施加100 V超声的试样涂层厚度均匀、孔隙明显减少、涂层致密、底层熔合良好(图1e);施加120 V超声的试样涂层与基体出现了未熔合颗粒,面层出现了较多孔隙,与不加超声类似(图1f)。
由此可见,施加超声激励与不加超声相比,涂层厚度变得均匀,孔隙、裂纹减少,涂层更加致密,且涂层截面显微形貌情况与拉伸结合强度有较好的吻合。不加超声的试样涂层薄且孔隙、裂纹多,因此拉伸结合强度值低;施加50 kHz 40,60,100 V超声之后,涂层较为致密、均匀,较不加超声的试样改善明显。因此,涂层拉伸结合强度比不加超声的试样高出20%以上;加入120 V超声后,试样孔隙、裂纹与不加超声试样相比变化不大,拉伸结合强度值也较为相近。
超声具有热效应与机械效应,引入超声后超声能量使喷涂粉末粒子的加热和加速环境得到改善。同时,超声波是机械振动在介质中的传播,在波的传播过程中力学参数(如质点位移、质点速度及声压)都可能与介质发生作用。超声的振动作用使粉末粒子受热,受力更加均匀,加热、加速更加显著,进而熔化效果更好,形成的涂层致密、结合更好,性能得到优化。
4结 论
(1)与不加超声试样相比,施加超声激励后试样拉伸结合强度普遍提高,其中50 kHz 40 V超声试样比不加超声试样提高27.3%。同时,施加超声之后试样结合强度值标准偏差比不加超声降低,数据更加集中稳定,离散程度减小。
(2)在同一频率(50 kHz)施加40,60,100 V超声后,涂层均匀、孔隙减少、裂纹细小、结合良好,与之对应的拉伸结合强度表现出较高的数值。
(3)试验说明,过高的激励电压不利于提高等离子喷涂热障涂层的结合强度,适当的超声激励电压对等离喷涂工艺的优化与稳定都有促进作用。
参考文献
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高发射率涂层研究的进展 篇7
随着世界范围内能源短缺,国家在重视一次能源开发的同时, 将能源节约摆在关系到国计民生、子孙后代的战略高度上[1]。高发射率材料目前广泛应用于工业炉中,提高窑炉热效率,有着“工业炉技术发展里程碑”之称,全球能耗中工业炉能耗占2/5,常规窑炉热效率较低,提高炉壁的发射率可取得5%~30%的节能效果,因为提高炉壁发射率可降低其反射率(ε+ρ=1),减少废气对反射能量的吸收;炉壁表面的高发射率涂层中的晶格振动及电子跃迁能够对辐射能的波段重新调整,增加强热效应波段所占比例,有利于被加热物吸收,但常规炉壁的发射率随着温度的升高会急剧降低,所以选择合适材料对提高高温发射率及节能至关重要。此外,高发射率材料在航空航天领域也有重大需求,作为飞行器的新型防热结构,能够以红外辐射形式将基体的热量快速高效地辐射出去,降低基体温度,解决飞行器穿过大气层返回地面过程蒙皮过热的问题。太空航天器的应用中高发射率材料亦尤为重要,在高真空环境中,系统产生的热量只能以辐射能的形式排出,所以太空条件中的防热结构只能依赖高发射率材料。
1 高发射材料种类
高发射率材料有单一材料和复合材料两类。碳化硅或碳化硅基材料有较高的发射率,但仅限于中温范围,对SiC高发射率材料进行改进,通过添加化学试剂通过预烧,形成氧化膜保护层,可提高其高温下的发射率。根据基恩位移定律,单一材料仅对有限波段有较高发射率,全波段内平均发射率较低,所以通过材料复合的设计思想,可实现材料优势互补,扩展波段响应范围。
日本对高发射率材料研究统计,廉价氧化物作为高发射率材料主要分两类:(1)矿物质原料,如2MgO·2Al2O3·5SiO2、锆英砂等,在8~14 μm波段发射率可达0.9左右,但短波区发射率较低;(2)过渡金属氧化物,由于存在较多的电子层,根据电子跃迁机制将会产生短波红外辐射,如Fe2O3、NiO、Co2O3、MnO2、Cr2O3等多价态的过渡金属氧化物互相复合可以形成缺位,产生杂质辐射机制,提高短波段的发射率。
2 提高涂层发射率的途径
2.1 涂层表面结构粗糙化
涂层的形貌显著影响发射率,C.DWen[2]建立铝合金模型分析涂层粗糙度与发射率之间的关系,将表面分为理想表面和实际表面。对于理想表面,通过菲涅耳方程和基尔霍夫定律得到。
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式中 n——折射率;
k——消光系数。
实际表面可分为镜面区域(σ/λ<0.2),几何区域(σ/λ>1),中间区域(0.2<σ/λ<1)。镜面区域,运用衍射理论,高斯对表面粗糙度和反射系数进行研究得出。
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式中 ρr——粗糙表面反射率;
ρp——抛光表面反射率。
由上可知,随σ/λ的增大ρr减小,发射率则是增大的。中间区域,根据能量守恒定律及基尔霍夫定律得出单方向上的发射率表示为。
ε′λ(θd)=1-ρ′λ(θd) (3)
从而该区域内,随着表面粗糙度的提高涂层发射率也呈增大趋势。Z.Huang[3]等研究了粗糙度对金薄膜发射率的影响,通过溅射沉积在镍合金表面形成不同粗糙度的金薄膜,证明粗糙度大的薄膜随温度的升高发射率显著增加,这归因于高粗糙度表面的辐射面积增大,且薄膜完整性遭到破坏,降低镜面反射。
2.2 适当的涂层厚度
当一定波段的光谱打入物体时,可能发生吸收、反射和透射,定义光的穿透深度为dp。
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穿透深度与消光系数成反比,要提高涂层发射率,则涂层厚度至少大于dp,否则会发生一定的透射。通过实验研究厚度与发射率的关系,发射率随涂层厚度增加存在临界值,临界值时的涂层厚度为dc,dc之前有增加趋势,之后保持稳定甚至有所降低;而多层涂层时,两层之间可能发生反射,关系较为复杂。
2.3 表面纹理优化
表面纹理对材料发射率有较大影响,通过几何形貌来分析发射率,通常利用V形沟槽、圆弧形沟槽、锥形沟槽等建立模型,沟槽的斜面角度对发射率有较大的影响;在辐射散射方面,理论和试验表明当H(Hight)/W(Width)>5,其发射率较高,显示了黑体性能,对于非球形粒子(Hight/Dimension=5)有较高的发射率。
2.4 涂层的纳米复合化
纳米粒子大的比表面导致平均配位数下降,不饱和键和悬键增多,能够增强红外吸收和热发射率,同时纳米化增大粒子之间的平均间距,物质纳米化后破坏原来物质内部固有的各种化学键, 减弱粒子之间的各种相互作用力, 增大组成物质的基本微观粒子之间的平均间距, 致使单位体积内的粒子数会显著减小, 可提高热辐射的透射深度从而降低吸收指数和吸收系数, 提高物体的发射率与吸收率。
2.5 掺杂改善
大量的工作证明有效的掺杂可以显著提高材料在特定波段的发射率,归结其原因:(1)自由载流子吸收,杂质载流子吸收通常分布在1~5 μm波段,特别是多八面体结构的d-d轨道间的电子转移,一般情况下由于半导体材料的电子转移,该波段的发射率较高,自由载流子浓度对发射率的提高存在最佳值,过度将会起到负面影响;(2)掺杂离子的不同半径能够使得晶体产生缺陷,使原有的晶格发生扭曲,降低晶格振动对称性,增强偶极的非简谐振动,晶体的声子振动类型发生转变,另外,在杂质及缺陷处会形成局部振动的模式,产生杂质能级,诱导电子发生跃迁,产生光谱吸收;(3)掺杂稀土离子或过渡金属离子可以调整辐射波段,过渡金属及稀土镧系和锕系元素拥有未填满d及f层电子,可发生d态或f态跃迁,当其掺入适当的晶体中时产生电偶极矩,在晶场作用下使难以发生的跃迁得以实现。
3 高发射率涂层的制备方法
3.1 溶胶-凝胶法
该方法制品具有纯度高、颗粒细、化学均匀性好、成分容易控制、工艺设备简单等优点。X.Zhao等[4]选择溶胶凝胶法将B掺杂进SiO2薄膜,晶化过程中B元素形成Si-O-B,提高了膜层粗糙度和发射率以及使用寿命;还制备了多壁碳纳米管掺杂双层SiO2/SiO2-PbO的溶胶凝胶涂层,纳米管的多向排列增加了涂层的粗糙度,降低反射因子,可提高长波段的发射率,溶胶-凝胶法是典型的化学合成技术,节能降耗十分显著,还可以实现无机纳米氧化物的改性,得到高性能的有机-无机杂化涂层,是制备纳米粉体的一种有效方法。但它也有一定的局限性,合成过程使用的金属醇盐比较昂贵,难以实行大型化的生产,制备粉体时,粒子团聚现象明显,影响烧结体的致密度和微观结构的均匀性,降低材料的高温性能。
3.2 物理气相沉积法
采用高能电子束轰击前驱物产生气态分解物,沉积在基体表面形成均匀薄膜,Jian Yi等[5]以SiC为原料在无缝钢管上通过EB-PVD沉积SiC/SiO2薄膜,薄膜表面光滑紧密,全波段内发射率和反射率分别为0.7和0.35。此种方法制备的涂层性能优越,但成本高,对基体材料性能要求较高,难以普及。
3.3 阳极氧化法
罗列超等[6]在硫酸中利用阳极氧化制备了光亮的铝阳极氧化涂层,对阳极氧化电压及电解液温度和组成等参数进行优化,制备了高发射率和反射率的热控涂层,通过后续微孔封闭技术,使涂层抗紫外线和原子氧能力显著提高。但阳极氧化膜层通常较薄,隔热性能略有不足,而且对金属基体有要求,必须为阀金属。
3.4 高温熔烧法
通过基体金属熔化冷却过程将陶瓷粉体嵌合在基体表面,这种涂层容易制备且损坏后易修复,王黔平等[7]以玻璃熔块、粘土、Cr2O3、ZrSiO3为原料,在不锈钢管表面制备耐磨、耐高温涂层,涂层剪切强度和抗热震能力也非常优越。但这种方法要求基体材料熔点高,并且熔烧过程导致基体发生热处理,使基体力学性能降低。
3.5 微弧氧化法
一种通过在金属基体表面发生等离子体放电烧结进行氧化物陶瓷沉积的方法。哈工大Z.Jiang 和F.Wang等[8]以电解液Na3PO4和CO(CH3COO)2在钛合金上微弧氧化制备膜层,其发射率在3~8 μm最高可达0.94,3~20 μm波段内平均可达0.9,且剪切强度大于10 MP;微弧氧化过程中在电解液体系加入添加剂SiC,能够沉积在膜层中,提高短波段的发射率。该种方法制备的膜层在基体表面原位生长,膜层与基体界面形成离子键结合和高机械咬合,具有较高的结合力,并且表面粗糙度、掺杂种类和晶型易于调节,是未来高发射率膜层发展的主要趋势。
4 结论
高发射率涂料作为一种新型耐热环保涂料,主要通过快速高效的将基体的热量以红外辐射的形式辐射出去,从而降低基体温度,在节能领域中有着广泛的应用。同时高发射率材料在航空航天领域中作为降低飞行器机体温度的新型防热涂层,是一种不可替代的材料。
本文系统的总结了高发射率涂层的制备方法,并分别指明各种制备方法的优缺点。纳米化、复合化以及薄膜化将是高发射率涂层的发展趋势,具有良好的应用前景。
参考文献
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