De meeste metalen vertonen een opmerkelijke hittebestendigheid. Maar wanneer ze langdurig aan hoge temperaturen worden blootgesteld, bezwijken ze uiteindelijk aan oxidatie en thermische vermoeidheid. Deze kwetsbaarheid is een veelvoorkomende oorzaak van defecten aan metalen componenten in omgevingen met hoge temperaturen, zoals in de lucht- en ruimtevaart en de auto-industrie.
Gelukkig helpen thermische barrièrecoatings (TBC's) dit probleem op te lossen. Deze gespecialiseerde materialen beschermen metalen componenten door hun blootstelling aan hitte te verminderen, waardoor ze een belangrijke technologie zijn in geavanceerde vliegtuigmotoren.
Bron: Niet meer spetteren
Van de verschillende TBC-materialen is geavanceerde keramiek een van de meest geprefereerde opties vanwege hun lage thermische geleidbaarheid en hun vermogen om hoge temperaturen beter te weerstaan dan metalen. In de volgende paragrafen onderzoeken we de toepassing van keramische materialen in thermische barrièrecoatings.
Wat is een thermische barrièrecoating?
Een thermische barrièrecoating is een materiaal dat de blootstelling van een component aan extreme hitte helpt verminderen. Het vormt een beschermende laag die machineonderdelen isoleert tegen hoge temperaturen.
Thermische coatings bestaan doorgaans uit materialen met een verhoogde temperatuurbestendigheid, duurzaamheid en lage geleidbaarheid. Deze eigenschappen maken ze opmerkelijk effectief in het verhogen van de thermische efficiëntie van apparaten en het verlengen van de levensduur van kritieke onderdelen.
Met name keramische thermische barrièrecoatings worden veelvuldig toegepast in uiteenlopende sectoren, van straalmotorturbines in de lucht- en ruimtevaartsector tot uitlaatsystemen van auto's en industriële gasturbines.
Toepassingen van keramische coatings voor auto's zijn bijvoorbeeld onder andere de productie van keramische autopoetsmiddelen en keramische autolakbescherming.
Maar hoe werken keramische coatings? Waarom zijn ze in de meeste industrieën de meest gekozen thermische barrièrecoatings?
Waarom zijn keramische materialen geschikt voor thermische barrièrecoatings?
Verschillende factoren dragen bij aan de toenemende voorkeur voor keramische materialen in thermische barrièrecoatings. Hieronder volgen drie belangrijke redenen:
Hoog smeltpunt
Hoe vaak kom je gesmolten keramiek tegen? Waarschijnlijk niet zo vaak, omdat keramische materialen uitzonderlijk hoge smeltpunten hebben.
De meest voorkomende keramische thermische barrièrecoatings, samengesteld uit zirkoniumoxide (ZrO₂) met yttriumoxide (Y₂O₃) stabilisatoren, zijn bestand tegen temperaturen tot 1200°C–1250°C voordat ze zelfs maar scheuren. Dit overtreft de mogelijkheden van veel metalen en polymeren ruimschoots.
Bron: Freepik
Het vermogen van keramische materialen om intact te blijven bij temperaturen waarbij de meeste metalen vloeibaar zouden worden, maakt ze bijzonder geschikt voor het beschermen van motoronderdelen die bestand zijn tegen hoge temperaturen. Dit maakt ze perfecte TBC's voor de carrosserie van ruimteveerboten en turbineventilatoren van straalmotoren.
Lage thermische geleidbaarheid
Hoewel verschillende metalen een hoge thermische weerstand hebben, zijn ze ook uitstekende warmtegeleiders, waardoor ze gevoelig zijn voor corrosie bij hoge temperaturen.
Geavanceerde keramiek is daarentegen een slechte warmtegeleider, een belangrijke vereiste voor efficiënte prestaties in agressieve thermomechanische omgevingen. Dankzij hun lage warmtegeleidingsvermogen ondervinden ze niet de thermische uitzettingsspanning die optreedt bij snelle verwarming en afkoeling van componenten.
Bovendien zorgt hun porositeit ervoor dat ze zich aanpassen aan de thermische uitzettingscoëfficiënt van het substraatmateriaal, waardoor afbrokkeling wordt voorkomen.
Over het algemeen zorgt de lage geleidbaarheid van keramiek ervoor dat de temperatuur van het substraat laag blijft, zelfs als het wordt blootgesteld aan extreme hitte.
Oxidatie- en corrosiebestendigheid
Keramiek is van nature bestand tegen oxidatie en corrosie, waardoor het ideaal is voor langdurig gebruik in zware omstandigheden.
Chemische reacties die optreden als gevolg van hoge temperaturen zorgen ervoor dat metalen na verloop van tijd in omgevingen met hoge temperaturen degraderen. Dit is de reden waarom sommige autolakken roesten of hun glans verliezen wanneer ze langdurig worden blootgesteld aan hitte en andere agressieve omgevingsinvloeden.
In de meeste gevallen verzwakken oxidatie en corrosie metalen componenten, waardoor hun integriteit in gevaar komt en het risico op falen toeneemt. Maar keramische thermische coatings kunnen, met hun inherente corrosiebestendigheid, een opmerkelijke bescherming bieden tegen deze effecten.
Door de combinatie van deze eigenschappen presteren keramische materialen beter dan andere opties, zoals polymeren of metaalcoatings, in extreme thermische omgevingen.
Bekijk deze Cerakote for Cars-recensies voor voorbeelden van hoe keramische thermische barrièrecoatings in de auto-industrie werken.
Hoe worden keramische TBC's toegepast?
Ingenieurs hebben drie primaire technieken ontwikkeld voor het aanbrengen van keramische barrièrecoatings op machineonderdelen. Deze methoden maken gebruik van gespecialiseerde apparatuur om optimale prestaties en hechting te garanderen. Deze zijn:
Plasmaspraycoating
De plasmaspuitcoatingmethode heeft de hoogste populariteit van alle keramische TBC-technieken. Bij deze aanpak smelten leveranciers/technici van thermische barrièrecoatings keramische poeders met een plasmabrander en spuiten de gesmolten deeltjes vervolgens op het oppervlak van het substraat.
Bron: Freepik
Met deze techniek kan een robuuste, isolerende keramische laag op een breed scala aan materialen worden aangebracht.
De plasmaspraytechniek biedt een uitzonderlijke hechting en een minimaal risico op substraatvervorming. Ondanks de hoge depositiesnelheid garandeert het ook een opmerkelijke flexibiliteit in de laagdikte.
De veelzijdigheid van deze methode maakt hem toepasbaar in diverse professionele toepassingen voor keramische coatings, waaronder autolakcoatings. Het proces vereist echter nauwkeurige controle om een uniforme coating over het gehele oppervlak van het substraat te bereiken.
Elektronenbundel-fysische dampdepositie (EB-PVD)
EB-PVD is een vrijwel identieke procedure als plasmaspuitcoating. Het verschil is dat er een elektronenbundel in plaats van een plasmatoorts wordt gebruikt om de keramische materialen te verdampen, waardoor de damp op het substraat condenseert.
Het belangrijkste voordeel van deze methode is dat er een kolomvormige structuur ontstaat, waardoor de TBC een superieure thermische vermoeiingsweerstand krijgt en tegelijkertijd de mechanische prestaties worden verbeterd.
Deze techniek is echter vaak beperkt tot hoogwaardige toepassingen vanwege de hoge apparatuurkosten en andere gerelateerde kosten. Desondanks garandeert het de hoogste kwaliteit keramische coatings.
Sol-Gel-technieken
De sol-geltechniek omvat het aanbrengen van een vloeibare precursor op het substraat, dat vervolgens wordt gedroogd en verhit om een vaste keramische laag te creëren. Deze opkomende TBC-applicatiemethode biedt een kosteneffectief alternatief voor de andere twee.
Dankzij de lagere kosten en het gebruiksgemak heeft deze techniek een groot potentieel voor toepassing in de auto-industrie, met diverse toepassingsmogelijkheden voor het creëren van keramische coatings van professionele kwaliteit voor auto's en keramische toplagen in andere industriële machines.
Bovendien is de sol-geltechniek, vanwege de mogelijkheid om dunne, gelijkmatige coatings aan te brengen, een veelbelovende optie voor keramische coatings op voorruiten.
Laatste gedachten
Keramische materialen herdefiniëren de toepassing van thermische barrièrecoatings. Ze beschikken over een uitzonderlijke thermische weerstand, duurzaamheid en oxidatiebestendigheid. Deze eigenschappen maken keramische componenten tot cruciale componenten in industrieën die betrouwbare prestaties in extreme omgevingen vereisen.
Technologische vooruitgang zal leiden tot voortdurende innovatie in keramische materialen en applicatiemethoden. Dit zal bijdragen aan een grotere toepassing van keramiek in autolakcoatings.