通过在 CFRP（碳纤维增强塑料）表面同时采用激光表面纹理处理和超声速大气等离子喷涂技术，制备出高性能的热控涂层

《Surface and Coatings Technology》：High-performance thermal control coating on CFRP surface fabricated by synergistic combination of laser surface texturing and supersonic atmospheric plasma spraying

　　摘要
为了解决碳纤维增强聚合物（CFRP）结构在太空环境中因高太阳吸收率而导致的过热问题，本研究通过激光表面纹理化（LST）预处理结合超音速大气等离子喷涂（SAPS）技术，在CFRP基底上成功制备了高性能的热控涂层。系统地研究了LST参数（纹理间距和激光扫描次数）对涂层附着力强度的影响。此外，还分析了纯Al、Al/Al2O3和Al/AMO涂层的沉积行为、微观结构、相组成和热控性能。在纹理间距为140 μm、激光扫描20次的情况下，获得了最大附着力强度为6.99 ± 1.1 MPa的结果。与Al/Al2O3涂层相比，Al/AMO复合涂层主要由γ-Al2O3和MgAl2O4相组成，其孔隙率显著降低至4.4 ± 1.4%，氧空位浓度也更低。该涂层具有出色的热控性能，表现为低太阳吸收率（αS）0.08 ± 0.02、高半球发射率（εH）0.84 ± 0.02以及极低的αS/εH比0.10 ± 0.02。在300秒的激光照射下，AMO涂层的表面温度升高仅为约28.8°C，远低于未涂层CFRP的约157.4°C。本研究表明，将LST辅助的界面锚定与SAPS沉积及Al/AMO涂层结构相结合，有效地实现了高界面附着力与优异热控性能的结合，为航天器应用中的CFRP结构提供了一种可行的热防护策略。

引言
碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料通过将碳纤维与环氧树脂结合制成，具有高强度、轻质、耐高温和耐腐蚀等优异性能，在航天器结构设计中具有广泛的应用前景[1][2][3][4]。然而，在太空环境中，CFRP复合材料的高太阳吸收率会导致大量太阳辐射和来自行星（如地球）的热辐射被吸收，从而导致材料软化及机械性能下降，从而限制了其在航空航天领域的应用[5][6]。作为被动热控技术的一种，热控涂层是调节航天器温度的最常用方法。这些涂层可以通过改变表面的热物理性质（如太阳吸收率和红外发射率）来有效控制表面温度。因此，在CFRP表面制备热控涂层是扩展其航空航天应用的关键。

尽管在金属表面制备热控涂层的研究已较为丰富[7][8][9]，但由于CFRP热阻较低且表面光滑、化学性质惰性，使得传统的陶瓷涂层工艺难以实施，因此相关报道相对较少。为了克服这些限制，近期研究主要采用了有机粘合剂辅助的涂层策略[10]。例如，Liu等人[11]结合原子层沉积和非溶剂极性差异诱导的相分离方法，在CFRP表面制备了具有层次多孔结构的抗静电ZrO2@AZO-ACR涂层，该涂层表现出优异的热控性能（αs ≈ 0.118，αs/ε ≈ 0.132）和低体积电阻率（2.5 × 106 Ω·m）。Yang等人[12]报道了一种重力沉积方法，在CFRP表面制备了SiO2颗粒堆叠涂层；首先在CFRP表面涂覆聚氨酯（PU）粘合剂层，然后调整SiO2填料的含量和粒径，实现了95%的最高反射率和低至0.13的太阳吸收率。同一团队还利用这种方法制备了由氧化锆和聚四氟乙烯组成的颗粒堆叠涂层，表现出高散射强度、93.5%的最高反射率和0.08的最低太阳吸收率[13]。虽然有机粘合剂解决了陶瓷填料与CFRP表面之间的附着问题，但其在太空环境中的长期稳定性往往较差。在超高真空、极热和极冷交替、紫外线辐照及带电粒子辐照等极端条件下，聚合物结构会发生变化并形成色心，导致涂层硬化、脆化、起皱，最终导致分层和失效[14][15]。因此，开发无需粘合剂、可直接在CFRP基底上沉积陶瓷涂层的技术已成为提高热控涂层在太空应用中长期可靠性的关键研究方向。

在各种无粘合剂陶瓷涂层技术中，等离子喷涂已成为沉积陶瓷涂层的最有效表面工程技术之一。许多研究者探索了直接在CFRP基底上沉积功能性陶瓷涂层的可行性[16][17]。由于大多数耐热CFRP仅能在长时间内承受371°C的温度，短时间内承受500°C的温度，因此直接在碳纤维增强聚合物（CFRP）上喷涂高熔点陶瓷涂层极具挑战性，因为高温的陶瓷熔融流可能会对基底造成损伤[18][19]。使用铝和锌等低熔点金属作为粘结层似乎是避免陶瓷涂层沉积过程中CFRP降解的有效方法[19][20][21][22][23]。Sun等人[24]成功地使用等离子喷涂在复合基底上制备了包含铝粘结层和Al2O3陶瓷顶涂层的涂层系统；通过优化喷涂参数，粘结层达到了5.21 MPa的最大剪切强度。Semmler等人[25]在涂有铝粘结层的CFRP表面沉积了多种低热导率的热障涂层材料，包括氧化钇稳定氧化锆（YSZ）、钛酸铝、堇青石和莫来石。Huang等人[26]进一步研究了铝粘结层厚度和YSZ顶涂层厚度对涂层抗热震性的影响。在400°C的热震测试中，随着铝层厚度的减小和YSZ层厚度的增加，涂层的抗热震性提高。在测试的各种配置中，由30 μm铝粘结层和130 μm YSZ顶涂层组成的涂层系统表现出最佳的抗热震性（42个循环）。Abedi等人[27]使用等离子喷涂在复合表面上制备了Cu-6Sn/NiCrAlY/TBC三层涂层；通过优化顶层YSZ层和中间NiCrAlY层的厚度，显著提高了涂层的粘结强度和抗热震性。然而，报告的拉伸附着力强度通常低于5 MPa，这一限制影响了其实际应用。

为了实现涂层与基底之间的牢固机械结合，通常需要进行表面预处理以增加基底的表面粗糙度，从而在界面形成有效的锚定点并提高附着力[28][29]。传统的预处理方法（如研磨和喷砂）可以提高附着力，但也容易引发纤维断裂和基底分层等问题[30]。随着现代技术和应用中对高效、高重复性工艺的需求增加，激光表面纹理化（LST）作为一种非接触式、高精度且环保的表面改性技术受到了越来越多的关注[31][32][33]。该技术能够在微观/纳米尺度上精确制造可控的表面形貌，同时实现表面的化学改性，从而显著促进界面机械结合和吸附/化学键合，最终提高附着力性能。Kromer等人[34]使用激光表面纹理化对两种类型的碳纤维复合材料（热固性环氧树脂基和热塑性基）进行了预处理，显著提高了后续热喷涂金属层的界面粘结强度。进一步研究表明，粘结强度随纹理化表面的实际接触面积增大而增加。Zhang等人[35]采用机械加工和激光处理相结合的混合工艺对CFRP表面进行了预处理，显著提高了后续电解铜涂层的附着力强度。拉伸试验结果表明，喷砂处理的样品附着力为2.5 MPa，而混合处理样品的附着力达到5.48 MPa，比喷砂处理样品提高了119%。Wang等人[36]在激光纹理化和喷砂处理的聚合物复合基底表面上制备了Al2O3/酚醛树脂复合涂层；通过优化纹理化参数，实现了28.4 MPa的最大粘结强度，是喷砂处理表面的两倍。尽管先前的研究通过激光预处理和表面金属化显著扩展了CFRP的应用范围，使其能够在不同环境中满足各种性能要求，但关于其在航天器表面的热控性能的研究仍较为匮乏。

为了解决这些问题，本研究将激光表面纹理化（LST）与超音速大气等离子喷涂（SAPS）相结合，在CFRP基底上制备了铝粘结层/Al2O3和铝粘结层/AMO陶瓷顶涂层系统。系统研究了LST对界面结合行为的影响，并阐明了MgO添加对涂层相演变、微观结构、氧空位特性和热控性能的影响。最终，在CFRP基底上成功制备了兼具高附着力强度和优异热控性能的高性能涂层。这种涂层为航天器提供了有效的热管理，确保其在太空环境中的可靠运行，具有广泛的应用前景。

材料
本研究使用了由大同磐兴鑫制造有限公司提供的商用CFRP基底（40 × 50 × 0.7 mm3），采用压缩成型工艺制备。如图1(a)和1(b)所示，原始表面均匀覆盖着固化的环氧树脂涂层。横截面微观结构显示碳纤维束排列整齐、相互交织，具有明显的层状结构和良好的结构完整性。碳纤维的平均直径约为9 μm。

LST处理后的CFRP表面形态
为了在CFRP基底上制备热控涂层，首先进行了激光纹理化处理，以增强CFRP与后续喷涂涂层之间的界面结合。在激光表面纹理化过程中，微槽的深度和间距是控制机械结合效果和整体结合强度的关键因素。通过反复使用高能脉冲激光扫描，在CFRP表面上创建了均匀分布的微槽阵列（图5）。

结论
本研究展示了结合LST–SAPS策略和MgO改性的AMO涂层设计，实现了附着力和热控性能的提升，为CFRP表面功能化提供了实用途径。系统研究了激光表面纹理化参数对涂层附着力性能的影响。此外，还分析了三种类型涂层（Al、Al/Al2O3和Al/AMO）的微观结构、相组成和热控性能。

作者贡献声明
Gengchao He：撰写——审稿&编辑、原始草案撰写、方法论研究；
Yanfei Huang：监督；
Minshuai Yang：验证、形式分析；
Wenxiang Shu：形式分析；
Zhihai Cai：监督；
Zhenbing Cai：方法论研究、监督；
Zhiguo Xing：监督、方法论研究；
Haidou Wang：项目管理。

利益冲突声明
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致谢
作者感谢国家自然科学基金（项目编号52275227和52575254）的财政支持。

Gengchao He | Yanfei Huang | Minshuai Yang | Wenxiang Shu | Zhihai Cai | Zhenbing Cai | Zhiguo Xing | Haidou Wang
中国西南交通大学材料先进技术国家重点实验室摩擦学研究所，成都，610031