一文了解陶瓷涂层
陶瓷涂层作为无机非金属涂层的统称，特指以陶瓷材料为核心制成的喷覆涂层，其构成包含氧化物涂层、非氧化物涂层、硅酸盐系列涂层及复合陶瓷涂层四大类。其中，氧化物陶瓷常用的涂层材料涵盖Al₂O₃、TiO₂、ZrO₂、Cr₂O₃、SiO₂、MgO、BeO、Y₂O₃等；碳化物陶瓷的主要品类有SiC、WC、BC、TiC等；氮化物陶瓷则以Si₃N₄、TiN、BN、AlN为代表；硼化物陶瓷中，TiB、ZrB₂是较为常用的类型。
从功能分类来看，陶瓷涂层主要包括高温绝热涂层、耐磨抗冲刷涂层、热处理防护涂层、高温润滑涂层及原子能涂层；得益于其材料本身的特殊属性，这类涂层还具备耐磨、耐蚀、防粘连、高硬度、耐高温以及良好生物相容性等优势。在制备工艺上，其技术路径包含熔烧涂层工艺、喷涂涂层工艺、气相沉积涂层工艺、电化学工艺涂层、溶胶-凝胶涂层及原位反应涂层等。
一、陶瓷涂层的核心性能特点
1. 材料特性融合性强：可灵活融合陶瓷材料的耐高温、耐磨、耐蚀等特性与金属材料的高强韧性、可加工性、导电导热性等优势，最大限度发挥两类材料的综合价值，满足机械产品对结构性能与环境适应性的双重需求。
2. 材料选择与适配灵活：适用于制备陶瓷涂层的材料品类丰富，且陶瓷与陶瓷、陶瓷与金属、陶瓷与塑料等不同材料可根据实际需求组合应用；同时，该技术易与现有金属加工工装条件结合，便于企业开展技术升级改造。
3. 成型与喷涂可控性高：陶瓷涂层成型简便，沉积速度较快，且涂层厚度可精准控制；既能通过不同烧结工艺在薄壁件、空心件及异形件表面喷涂，也能实现制品局部的喷涂强化处理。
4. 基材适配范围广：可在多种基材表面制备陶瓷涂层，加工性能优良。例如各类金属、水泥、耐火材料、石料石膏等无机材料，塑料、有机材料，以及木材、纸板等，其性能均可通过喷涂陶瓷涂层得到改善；且涂层损坏后，若基材无损伤，金属基体及其他类型基材均可二次利用。
5. 物料消耗与成本优势：陶瓷涂层的厚度通常处于几十微米至几毫米的范围，加之陶瓷材料密度较小，整体物料消耗较低，同时产品附加值较高，经济性显著。
6. 施工场景无限制：喷涂产品的尺寸、造型不受约束，既可在热喷涂工厂内完成施工，也能在现场直接作业，适配不同生产与维护需求。
二、纳米陶瓷涂层的性能优势
随着纳米技术的不断发展，纳米技术与涂层技术的融合可充分发挥两者的综合优势，使材料在力学、热学、电磁学等方面呈现优良性能，满足结构性能（强度、韧性等）与环境性能（耐磨、耐腐蚀、耐高温等）的高阶需求。纳米陶瓷涂层具备特殊的物理化学性能，在功能保护层面展现出常规材料所不具备的特性，因此在隔热保温、防腐防锈、绝缘保护、自洁防污、吸收节能、封闭耐高温等领域拥有广阔应用前景。
（1）断裂韧性
断裂韧性是衡量材料抵抗裂纹失稳扩展能力的关键指标。纳米陶瓷涂层内部存在两相结构，其一为纳米颗粒经熔化、凝固形成的基体相，其二为未完全熔化的纳米颗粒。当裂纹扩展至未熔或半熔颗粒与基体相组织的界面处时，这些颗粒不仅能吸收裂纹扩展所需能量，还能对裂纹扩展起到阻碍与偏转的作用。相比之下，常规陶瓷涂层的片层状组织间结合力较弱，裂纹易沿层间扩展，因此纳米陶瓷涂层的韧性显著优于常规陶瓷涂层。
（2）硬度
硬度是陶瓷涂层的核心性能指标之一。纳米涂层的硬度对喷涂工艺参数及涂层组织结构非均质性的依赖程度较低，而晶粒的细化作用，使得纳米陶瓷涂层的硬度显著高于微米级陶瓷涂层。
（3）耐磨性
纳米结构涂层硬度与韧性的提升，是其耐磨性增强的主要原因。在磨损过程中，纳米陶瓷涂层可能出现微凸体剪切，或孔隙处未完全熔化的颗粒从涂层表面脱落的现象；这些细小颗粒会在涂层与摩擦件之间的润滑油膜中分散，起到“微轴承”的作用，有效降低涂层的摩擦系数，进而提升耐磨性能。
（4）结合强度
陶瓷涂层的结合强度包含涂层与基体的界面结合强度，以及涂层自身的粘结强度。未扩展的层间裂纹对涂层残余应力的释放效果，以及纳米结构原料在喷涂过程中飞行速度高于普通粉末的特点，均有助于提升结合强度；同时，喷涂粉末实现纳米化后，可改善粒子的熔化状态，显著减少涂层孔隙，且部分孔隙位于变形粒子内部，进一步增强了涂层的结合强度。
（5）孔隙率
涂层中适量的孔隙对需要润滑摩擦及高温隔热的工件有益，但对需具备耐腐蚀性、高温抗氧化性及高温抗冲刷性的工件则不利。研究表明，孔隙率与火焰温度、火焰速度相关，同时也与粒子速度有关——随着粒子速度的提升，孔隙呈现下降趋势，可通过调控工艺参数优化孔隙率。
（6）热导率
热导率是衡量热障涂层性能的关键指标，其数值会随晶粒尺寸减小而降低。这是因为晶粒尺寸减小时，涂层内部微观界面数量增加，界面间距缩小，导致热传导过程中粒子的平均自由程缩短，进而使材料热导率随之下降，更适用于高温隔热场景。
三、陶瓷涂层的主要应用领域
（1）高性能热障涂层
“热障涂层”的概念最早在1950年由美国某研究中心提出，20世纪80年代初期，热障涂层的研究工作与制备工艺获得重大突破，为其在涡轮叶片上的应用奠定了技术基础。陶瓷材料凭借良好的高温化学稳定性、高熔点、高硬度、低热导率等性能优势，成为制备热障涂层的常用材料。
热障涂层（thermal barrier coatings，TBCs）采用高熔点、低导热性的陶瓷材料，涂覆于航空发动机叶片的金属基体（多为镍基高温合金）表面，可降低高温环境中金属基体的表面工作温度，保护基体免受高温氧化与热腐蚀影响。目前，TBCs已成为高性能航空发动机涡轮叶片的三大核心技术之一。
TBCs材料的发展历经三个阶段：
– 第一阶段：直接以ZrO₂作为热障涂层材料，尽管其隔热温度可达444K左右，但ZrO₂在高温环境下易发生t-ZrO₂向m-ZrO₂的相变，产生内应力，导致涂层开裂失效；
– 第二阶段：在ZrO₂陶瓷中掺杂6%～8%（质量分数，下同）的Y₂O₃（简称YSZ），通过稀土Y₂O₃的掺杂实现ZrO₂的部分稳定，阻止其高温相变，同时形成点缺陷结构，获得低热导率、高热膨胀等优异性能，服役寿命较长，成为目前应用最广泛的热障涂层材料。但传统方法制备的YSZ热障涂层为柱状晶或多孔层状结构，易受熔盐腐蚀渗透，引发反应并产生应力，最终导致涂层开裂脱落；
– 第三阶段：研发新型热障涂层材料，例如La₂Zr₂O₇、Gd₂Zr₂O₇、RE-ZrO₂等。这类材料对熔盐腐蚀具有一定化学惰性，但热膨胀系数、力学性能及隔热效果仍需进一步提升。随着航空发动机向高推重比方向发展，燃烧室温度将超过2100K，现有热障涂层已无法满足需求，开发超高温、高隔热、长寿命的新型热障涂层成为当前研究重点。
（2）耐磨陶瓷涂层
磨损、腐蚀与断裂是设备零部件失效的主要诱因，这类问题在冶金、建筑、电力、机械等领域中普遍存在，其中磨损对零部件的影响最为严重——以运输设备为例，约80%的零件失效由材料磨损导致，因此磨损问题受到材料学界的广泛关注。
为适配制造业发展需求，表面工程技术应运而生，该技术能以较低投入实现材料性能的大幅提升，经济效益显著。近年来，在基体表面制备耐磨陶瓷涂层已成为国内外学者的研究热点。陶瓷材料具备高熔点、高硬度、高强度、高化学稳定性、高绝缘能力、低热导率、低热膨胀系数等特点，用作涂层可有效提升基体材料的耐磨损、耐高温、耐腐蚀及抗高温氧化性能；同时，耐磨陶瓷涂层融合了陶瓷的优势与金属材料的韧性，在材料表面喷涂后，可使材料兼具金属的强韧性、可加工性与陶瓷的耐磨损、耐高温、耐腐蚀及绝缘性，对延长零部件使用寿命、提升社会经济效益具有重要意义。
在具体应用中，电力行业是耐磨陶瓷涂层的重要场景：火力发电站的风机在涂覆耐磨陶瓷涂层后，使用寿命可大幅延长；大型水利工程启闭机采用涂覆耐磨陶瓷涂层的活塞杆，可有效解决传统活塞杆长期使用后出现的漏油、卡死问题。在电子行业，高介电常数涂层（如钛酸钡涂层）在电容器领域应用广泛；利用氧化铝涂层的高温电绝缘性能制备的集成电路基板高性能封装材料，同样应用十分普遍。
（3）阻气陶瓷涂层
核裂变存在核安全及核废料放射性污染等问题，而核聚变则是一类较为理想的清洁能源，具有能量释放量大、热公害小、运行安全、产物无污染等优势。但核聚变堆所用材料在聚变反应过程中，会受到高温、热机械应力、强中子辐照等因素的影响，因此堆用结构材料需具备较强的抗高温氧化性、抗热冲击性与抗辐射性等性能，同时需选用或开发低活性材料，确保服役后具有低放射性。
此外，聚变燃料在金属结构材料中具有较强的穿透能力，会发生化学吸附、脱附与扩散现象，进而对材料造成破坏（如氢脆），且燃料本身具有放射性，泄漏后会污染环境。因此，从辐射安全、环境保护及核燃料节约的角度出发，需选用渗透率低的材料，从而减少气体泄漏、优化气体平衡，并降低容器氢脆的风险。
目前，阻气涂层的首选材料为陶瓷及其复合材料——陶瓷材料对氢同位素（气）的溶解度极低，还能减轻磁流体力学（MHD）效应，减少液态金属增殖剂引发的腐蚀。随着研究深入，陶瓷阻气涂层早期以硅化物、铌基等陶瓷材料为主，目前已发展为以氧化物及其复合物为核心的陶瓷阻气材料。
（4）防腐蚀陶瓷涂层
具备软性保护功能的纳米陶瓷涂层，在防护领域中具有重要作用。目前，纳米陶瓷涂层已用于腐蚀条件恶劣环境下的防腐场景，可有效保护航标灯座、船舶、石油化工设施、各类储罐、桥梁、桥墩、铁路涵洞、钻井设备、海上油田设施等，以及强酸、强碱生产设备的外表面，能在较长时间内抵御强酸碱、盐雾、冻融、霉菌等因素的侵蚀。
1. 化学热流体输送管道系统防腐
相较于其他涂层，陶瓷涂层的最大优势在于耐高温。在部分含腐蚀介质的热流体输送场景中，对管道、阀门、储罐等设备采用纳米陶瓷涂层进行特殊防护处理，可大幅增强设备的抗腐蚀能力，进而降低设备故障率，减少设备停机维修的频次，提升生产效率，同时保障设备运行安全。
2. 油气运输管道系统防腐
管道运输是五大运输方式之一，在全球已有超过一百年的发展历史，目前发达国家的原油管道运输量占其总输送量的80%，成品油长距离运输基本实现管道化，天然气管道运输占比更是高达95%。由于天然气、石油产出地地质环境存在差异，引发输油、输气管道及设备腐蚀的因素较多，例如盐碱地、潮湿环境、微生物、电流等（外腐蚀），以及H₂S、CO₂、S、O₂、H₂O等（内腐蚀），其中硫化氢的破坏作用最为显著，轻则导致输气管道漏气，重则引发管道、油管及套管断裂、爆炸等事故，因此管道防腐工作至关重要。
管道防腐通常采用防腐层与阴极保护相结合的保护方式，其中防腐层是管道防腐的第一道屏障，直接决定管道的防腐性能与运行寿命，加强防腐层研究对管道腐蚀控制具有重大意义。目前，管道防腐所用涂层以有机涂层为主，但有机涂层存在老化变质、耐热抗寒性能差等问题，限制了管道使用寿命；而纳米陶瓷涂层具备抗老化、耐温、抗腐蚀等特性，可显著延长管道的使用寿命。此外，在恶劣地段及易故障位置采用纳米陶瓷涂层加强防护，可大幅降低事故发生率；同时，石油天然气管道对涂层的阴极剥离能力要求不断提高，有机涂层的抗阴极剥离能力较弱，进一步凸显了纳米陶瓷涂层的优势。
3. 海洋环境设备防腐
海洋环境中，高盐高湿环境下产生的电化学腐蚀，可在极短时间内使钢铁船体锈蚀成废铁。因此，海洋环境中的设备防护通常采用阴极保护与防腐涂层相结合的方式，保护船体及其他暴露在腐蚀性烟雾等环境中的工件、设备或部件。纳米陶瓷涂层的抗阴极剥离能力优良，可适配海洋恶劣工作环境，有效保障设备寿命。
4. 航天高温设备防腐
航天发动机设备长期处于高温工作环境中，金属合金涡轮叶片易受到砂石熔体等物质的侵蚀。在这类恶劣工作状态下，采用纳米陶瓷涂层即可满足防护需求，保护涡轮叶片免受侵蚀，保障航天发动机稳定运行。
（5）环保陶瓷涂层及其他领域应用
传统陶瓷涂层使用六价铬溶液，主要目的是使机械元器件达到高光洁度与防锈效果；为替代金属铬，研究人员将陶瓷研磨成超细纳米级微粒，再通过流动作用使其形成一层致密薄膜，并通过反复调整陶瓷基材表面的粗糙度、陶瓷薄膜的厚度及基材硬度等参数，最终形成与元器件表面贴合紧密、兼具高耐磨性与防锈性能的高光无铬陶瓷涂层，大幅提升了涂层的环保性。
除上述领域外，陶瓷涂层在其他行业也有广泛应用：在生物医学领域，在医用金属合金表面涂覆具备人体生物相容性的陶瓷涂层，不仅能延长医疗材料的使用寿命，还可有效解决医用材料在人体内的生物相容性问题，使材料植入体内后性能更稳定；在印刷行业，通过在不同类型的辊筒表面（如墨斗辊、胶印辊等）涂覆陶瓷涂层，可有效延长辊筒的使用寿命，降低印刷设备的维护成本。
超声波喷涂技术是一种先进的陶瓷涂层制备工艺。它利用高频超声波能量将陶瓷浆料或悬浮液雾化成微米级、高度均匀的细微雾滴，然后通过喷涂系统将其沉积在基材表面。
与传统喷涂相比，其核心优势在于雾化过程不依赖高压，而是通过压电换能器的振动实现。这使得喷涂过程更加温和、可控，能显著减少浆料飞溅和反弹，材料利用率可高达90%以上。同时，它能形成极其均匀、致密且厚度可控的薄膜涂层，有效避免了“橘皮”现象和流挂等缺陷。
该技术非常适用于在复杂形状的基材上制备高质量陶瓷涂层，广泛应用于固体氧化物燃料电池、热障涂层、功能陶瓷薄膜以及精密电子元件等领域。超声波喷涂不仅能提升涂层性能，还能大幅节约昂贵的陶瓷原材料，是实现高效、精准和低成本涂覆的理想选择。
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