Большинство металлов демонстрируют замечательную термостойкость. Но при длительном воздействии высоких температур они в конечном итоге поддаются окислению и термической усталости. Эта уязвимость является распространенной причиной отказов металлических компонентов в высокотемпературных средах, таких как аэрокосмическая и автомобильная промышленность.
К счастью, решить эту проблему помогают термобарьерные покрытия (TBC). Эти специализированные материалы защищают металлические компоненты, уменьшая их воздействие тепла, что делает их ключевой технологией в современных авиационных двигателях.
Источник: Unsplash
Среди различных материалов TBC передовая керамика является одним из наиболее предпочтительных вариантов из-за ее низкой теплопроводности и способности выдерживать высокие температуры лучше, чем металлы. В следующих разделах мы рассмотрим применение керамических материалов в теплоизолирующих покрытиях.
Что такое термобарьерное покрытие?
Теплозащитное покрытие — это материал, который помогает снизить воздействие экстремального тепла на компонент. Он образует защитный слой, который изолирует детали машины от высоких температур.
Обычно термические покрытия состоят из материалов с повышенной термостойкостью, долговечностью и низкой проводимостью. Эти особенности делают их чрезвычайно эффективными для повышения тепловой эффективности устройств и продления срока службы критических деталей.
Керамические теплозащитные покрытия, в частности, нашли широкое применение в различных отраслях промышленности: от турбин реактивных двигателей в аэрокосмической отрасли до автомобильных выхлопных систем и промышленных газовых турбин.
Например, керамические покрытия для автомобилей применяются, в частности, в производстве керамической полироли для автомобилей и керамической защиты лакокрасочного покрытия автомобилей.
Но как работают керамические покрытия? Что делает их предпочтительным выбором термобарьерных покрытий в большинстве отраслей?
Почему керамические материалы хороши для теплоизоляционных покрытий?
Несколько факторов способствуют повышению предпочтения керамических материалов в теплоизоляционных покрытиях. Ниже приведены три основные причины:
Высокая температура плавления
Как часто вы сталкиваетесь с расплавленной керамикой? Наверное, не так уж и часто, поскольку керамические материалы имеют исключительно высокие температуры плавления.
Наиболее типичные керамические термобарьерные покрытия, состоящие из циркония (ZrO₂) со стабилизаторами иттрия (Y₂O₃), могут выдерживать температуры до 1200°C–1250°C, даже не растрескиваясь. Это намного превосходит возможности многих металлов и полимеров.
Источник: Freepik
Способность керамических материалов оставаться неповрежденными при температурах, которые расплавили бы большинство металлов, делает их особенно подходящими для защиты высокотемпературных деталей двигателей. Это делает их идеальными термобарьерами для корпусов аэрокосмических челноков и турбинных вентиляторов реактивных двигателей.
Низкая теплопроводность
Хотя многие металлы обладают высокой термической стойкостью, они являются отличными проводниками тепла, что делает их подверженными высокотемпературной коррозии.
С другой стороны, усовершенствованная керамика является плохим проводником тепла, что является ключевым требованием для эффективной работы в агрессивных термомеханических средах. Благодаря своей низкой теплопроводности она не испытывает напряжения теплового расширения, которое возникает при быстром нагреве и охлаждении компонентов.
Кроме того, их пористость позволяет им подстраиваться под коэффициент теплового расширения материалов подложки, что помогает предотвратить откалывание.
В целом, низкая проводимость керамики способствует ее способности поддерживать низкую температуру основания даже при воздействии экстремальных температур.
Стойкость к окислению и коррозии
Керамика по своей природе устойчива к окислению и коррозии, что делает ее идеальной для длительного использования в суровых условиях.
Химические реакции, происходящие из-за высокой температуры, со временем приводят к деградации металлов в условиях высоких температур. Вот почему некоторые покрытия краской транспортных средств ржавеют или теряют яркость при длительном воздействии тепла и других суровых условий окружающей среды.
В большинстве случаев окисление и коррозия ослабляют металлические компоненты, нарушая их целостность и увеличивая риск выхода из строя. Но керамические тепловые покрытия, обладающие присущей им устойчивостью к коррозии, могут обеспечить замечательную защиту от этих эффектов.
Благодаря сочетанию этих свойств керамические материалы превосходят другие варианты, такие как полимеры или металлические покрытия, в экстремальных температурных условиях.
Чтобы увидеть примеры того, как керамические термобарьерные покрытия работают в автомобильной промышленности, ознакомьтесь с обзорами Cerakote for Cars.
Как применяются керамические ТБП?
Инженеры разработали три основных метода нанесения керамических барьерных покрытий на компоненты машин. Эти методы включают специализированное оборудование для обеспечения оптимальной производительности и адгезии. Они следующие:
Плазменное напыление покрытия
Метод плазменного напыления имеет самый высокий рейтинг популярности среди всех методов керамического TBC. Используя этот подход, поставщики/техники по нанесению термобарьерных покрытий расплавляют керамические порошки с помощью плазменной горелки, а затем распыляют расплавленные частицы на поверхность подложки.
Источник: Freepik
Эта технология позволяет создать прочный изолирующий слой керамики на широком спектре материалов.
Технология плазменного напыления демонстрирует исключительную прочность сцепления и минимальный риск деформации подложки. Несмотря на высокую скорость осаждения, она также гарантирует замечательную гибкость толщины покрытия.
Универсальность этого метода делает его применимым в различных профессиональных случаях использования керамических покрытий, включая автомобильные лакокрасочные покрытия. Однако процесс требует точного контроля для достижения равномерного покрытия по всей поверхности подложки.
Электронно-лучевое физическое осаждение из паровой фазы (EB-PVD)
EB-PVD включает в себя почти идентичную процедуру плазменного напыления. Разница в том, что для испарения керамических материалов используется электронный луч вместо плазменной горелки, что позволяет пару конденсироваться на подложке.
Основным преимуществом этого метода является создание столбчатой структуры, которая обеспечивает ТБП превосходную стойкость к термической усталости и одновременно улучшает его механические характеристики.
Однако эта технология часто ограничивается дорогостоящими приложениями из-за высокой стоимости оборудования и других сопутствующих расходов. Тем не менее, она гарантирует высочайшее качество керамических покрытий.
Золь-гель методы
Технология золь-гель подразумевает нанесение жидкого прекурсора на подложку, которая затем подвергается сушке и термической обработке для создания твердого керамического слоя. Этот новый метод нанесения TBC представляет собой экономически эффективную альтернативу двум другим.
Благодаря низкой стоимости и простоте использования эта технология демонстрирует большой потенциал для применения в автомобильной промышленности, с различными вариантами использования при создании профессиональных керамических покрытий для автомобилей и верхних керамических покрытий для другого промышленного оборудования.
Кроме того, способность золь-гель технологии обеспечивать получение тонких и однородных покрытий делает ее перспективным вариантом для нанесения керамических покрытий на ветровые стекла.
Заключительные мысли
Керамические материалы переопределяют применение термобарьерных покрытий. Они обладают исключительной термостойкостью, долговечностью и способностью противостоять окислению. Эти свойства делают керамику критически важным компонентом в отраслях, требующих надежной работы в экстремальных условиях.
Достижения в области технологий будут способствовать постоянным инновациям в области керамических материалов и методов нанесения. Это будет способствовать более широкому использованию керамики в автомобильных лакокрасочных покрытиях.