通过低温原子层沉积法制备的Al?O?涂层的抗结焦性能和可重复使用性的优化

《Surface and Coatings Technology》：Tuning the anti-coking and reusability properties of Al 2O 3 coating grown by low-temperature atomic layer deposition

抗结焦Al?O?涂层通过原子层沉积技术制备，研究其在反复热解和脱碳循环中的性能保持机制。发现涂层结构致密光滑，在200℃下呈现非晶态氧化铝，可有效阻隔结焦前驱体与金属活性位点接触，抑制率达90%。尽管高温下部分晶体相转化为中间相并增加表面酸性位点，涂层仍能保持80%以上抑制效率。该成果为发动机可重复使用技术中的抗结焦涂层设计提供了新思路。

　　在高超音速飞行器的运行过程中，发动机的热保护需求日益增加。随着飞行速度的提升，冷却通道内的冷却剂温度显著升高，甚至可能超过727°C。冷却剂不仅承担着散热功能，还参与燃烧过程，因此其在高温条件下的性能表现至关重要。然而，当冷却剂温度上升时，燃料裂解反应加速，导致焦炭沉积，进而影响热传导效率，甚至可能造成通道堵塞，威胁飞行器的安全运行。为了解决这一问题，研究者们正在探索有效的焦炭抑制方法，以确保冷却系统的长期稳定性和重复使用性。

在传统的焦炭清除过程中，通常采用空气或氧气进行氧化处理。然而，这种方法可能会对冷却通道的基材造成氧化损伤，影响其机械性能，从而缩短发动机的使用寿命。因此，寻找一种能够在高温环境下有效抑制焦炭沉积，同时保持基材性能的涂层材料成为关键。在这一背景下，研究者们开始关注氧化物涂层，尤其是氧化铝（Al?O?）涂层。这类涂层具有优异的屏障性能和化学稳定性，能够有效防止基材在高温下的碳化和氧化，从而延长其使用寿命。然而，其焦炭抑制机制仍然不够明确，因此有必要深入研究。

氧化铝涂层通常采用化学气相沉积（CVD）方法制备，但该方法需要在较高的温度下进行，这可能导致基材的机械性能下降，增加飞行过程中发生故障的风险。此外，CVD涂层的生长模式较为受限，难以精确控制涂层的生长速率和整体均匀性。因此，研究者们开始关注另一种低温涂层制备技术——原子层沉积（ALD）。ALD是一种基于表面自限制化学反应的薄膜制备技术，通过周期性地引入反应性前驱气体，实现原子级别的厚度控制。这种方法不仅减少了高温处理对基材的损害，还能够制备出结构完整、致密且具有良好附着力的涂层，为高超音速飞行器的冷却系统提供了新的解决方案。

然而，ALD制备的氧化铝涂层相对较薄，无法完全阻止焦炭前驱体与金属活性位点的接触，从而影响其焦炭抑制效果。因此，研究者们需要探索不同沉积周期数对涂层性能的影响，以优化其在重复高温应用中的表现。本研究通过ALD技术在低温条件下制备了不同沉积周期数的氧化铝涂层，并对其进行了系统表征。利用扫描电子显微镜（SEM）、能量色散光谱（EDS）、X射线光电子能谱（XPS）和X射线衍射（XRD）等方法，分析了涂层的基本性质。此外，还通过重复使用正癸烷裂解和焦炭清除实验，研究了氧化铝涂层在高超音速飞行器冷却系统中的焦炭抑制性能。

实验结果显示，通过调整沉积周期数，可以获得致密且光滑的氧化铝涂层。这些涂层在200°C条件下表现出非晶态Al?O?晶体结构，能够有效阻止焦炭前驱体与金属活性位点的接触，从而实现约90%的焦炭抑制率。此外，涂层在焦炭清除处理后仍能保持整体结构的完整性，表明其具有良好的重复使用性。然而，在高温条件下，Al?O?涂层的晶相部分转化为中间相，导致表面酸性位点增加，加速了催化裂解反应，并促进了高石墨化程度的丝状焦炭的形成。尽管如此，经过多次焦炭和焦炭清除循环后，涂层的焦炭抑制效率仍保持在80%以上，表明其在高温重复使用环境中具有较高的稳定性。

本研究为低温制备的氧化铝涂层在高超音速飞行器冷却系统中的应用提供了新的思路。通过系统分析不同沉积周期数对涂层性能的影响，研究者们能够更深入地理解氧化铝涂层在重复高温应用中的作用机制。这些发现不仅有助于优化涂层的设计和性能，还为高超音速飞行器的热管理技术提供了理论支持。此外，本研究还强调了在实际应用中，如何平衡涂层的厚度与焦炭抑制效果之间的关系，以确保冷却系统的高效运行和长期可靠性。

在材料选择方面，本研究使用了正癸烷（n-decane）作为实验中的反应物，其纯度高于99%。此外，还使用了三甲基铝（TMA）和去离子水作为ALD涂层制备的前驱气体。TMA的纯度为99.99%，去离子水的纯度为99%。这些材料的选择确保了实验的准确性和可重复性。通过ALD技术，研究者们能够在低温条件下制备出具有特定厚度和结构的氧化铝涂层，从而满足高超音速飞行器冷却系统的需求。

在涂层制备过程中，310不锈钢片作为基材，经过预处理后用于气相沉积实验。预处理方法的选择对于涂层的质量和性能至关重要。通过适当的预处理，可以确保基材表面的清洁度和活性，从而提高涂层的附着力和均匀性。此外，涂层的厚度和结构也受到沉积周期数的影响。实验结果表明，随着沉积周期数的增加，涂层的厚度逐渐增加，颜色也发生变化。当沉积周期数达到1250时，涂层呈现出更致密的结构，表明其在重复使用过程中具有良好的稳定性。

在分析涂层的微观结构和元素组成时，研究者们采用了多种表征技术。扫描电子显微镜（SEM）用于观察涂层的表面形貌，能量色散光谱（EDS）用于分析涂层的元素组成，X射线光电子能谱（XPS）用于研究涂层的化学状态，X射线衍射（XRD）用于分析涂层的晶体结构。这些表征技术的综合应用，使得研究者们能够全面了解氧化铝涂层在不同沉积周期数下的性能变化。

在焦炭抑制和清除实验中，研究者们采用了正癸烷裂解和焦炭氧化清除的方法。正癸烷裂解模拟了燃料在高温下的裂解过程，而焦炭氧化清除则模拟了焦炭在高温下的清除过程。通过多次重复实验，研究者们能够评估氧化铝涂层在高温环境下的耐久性和重复使用性。实验结果显示，经过多次裂解和清除循环后，涂层仍能保持较高的焦炭抑制效率，表明其在实际应用中具有良好的稳定性。

此外，研究者们还分析了涂层在不同温度下的性能变化。在200°C条件下，涂层表现出非晶态Al?O?晶体结构，能够有效阻止焦炭前驱体与金属活性位点的接触，从而实现约90%的焦炭抑制率。然而，在高温条件下，Al?O?涂层的晶相部分转化为中间相，导致表面酸性位点增加，加速了催化裂解反应，并促进了高石墨化程度的丝状焦炭的形成。尽管如此，经过多次裂解和清除循环后，涂层的焦炭抑制效率仍保持在80%以上，表明其在高温重复使用环境中具有较高的稳定性。

综上所述，本研究通过ALD技术制备了不同沉积周期数的氧化铝涂层，并对其进行了系统的表征和性能评估。实验结果表明，调整沉积周期数可以有效改善涂层的焦炭抑制性能和重复使用性。此外，研究者们还发现，氧化铝涂层在高温环境下能够保持结构的完整性，从而确保其在重复使用过程中的稳定性。这些发现为高超音速飞行器冷却系统中抗焦炭涂层的设计和优化提供了重要的理论依据和实践指导。通过深入研究涂层的微观结构和元素组成，研究者们能够更全面地理解其在高温环境下的作用机制，为未来的热管理技术发展奠定基础。