无机粘结剂的热稳定性对氧化铈涂层红外辐射性能的影响

《Applied Surface Science》：Effect of thermal stability of inorganic binders on infrared radiation performance of cerium oxide coatings

　　

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  红外发射率受自由载流子、氧空位、晶粒尺寸和孔隙尺寸的协同调控。
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  硅酸盐涂层在高温下发射率下降，而磷酸盐涂层保持稳定的辐射性能。
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  硅酸盐发射率下降是由于交联 Si–O–Si 网络限制载流子以及孔隙粗化导致中红外波段失配。
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  磷酸盐的稳定性源于 CePO₄ 的生成引入了氧空位，且孔隙尺寸与中红外波段始终保持耦合。

引言

高效的热管理对于确保先进飞行器在极端气动加热条件下的生存能力和可靠性至关重要 [1]。热端部件的表面温度及其空间分布直接影响材料的结构稳定性和服役性能 [2]、[3]。通过在部件表面涂覆高红外发射率涂层以增强辐射散热，是实现高效高温热管理的关键途径 [4]、[5]、[6]。在现有研究中，可通过组分设计（如 LaMnO₃ 和 LaCrO₃ 等钙钛矿型功能填料及其掺杂体系 [7]、[8]）和结构设计（如多孔结构设计或粉末形貌复杂化 [9]、[10]）有效提高材料表面的红外发射率。某些体系在特定波段的平均发射率可超过 0.9 [11]、[12]。然而，当前研究更多聚焦于发射率的调控，对材料在高温环境下相和微观结构演化对涂层发射率稳定性的影响仍缺乏探索。随着热端部件服役温度不断升高，如何在高温条件下保持稳定的红外辐射性能，是高发射率涂层进一步应用的重要问题。

浆料法被广泛用于制备复杂部件表面的涂层，如发动机热端部件和尾喷管 [11]。其优势包括工艺简单、设备要求低、对复杂不规则表面适应性好以及易于原位修复。浆料衍生涂层主要由填料和粘结剂组成。对于填料，已有研究表明 CeO₂ 具有稳定的萤石结构，其可逆的 Ce⁴?/Ce³? 价态转变和强氧空位形成能力可以有效调控红外吸收和发射，使其成为一种具有巨大应用潜力的红外功能填料 [12]–[16]。对于粘结剂，与有机粘结剂相比，以硅酸盐和磷酸盐为代表的无机粘结剂具有更好的抗氧化性和高温稳定性，在高温环境下展现出显著优势。现有研究主要集中在无机粘结剂对涂层力学性能（如结合强度和抗热震性）[17]–[19] 和抗氧化性 [20]、[21] 的影响，而其高温下物理化学演化对涂层红外辐射特性的影响仍鲜有探索。因此，研究无机粘结剂在不同温度阶段的结构演化对其红外发射率的影响，对于提高浆料法制备的高发射率红外涂层的高温服役稳定性具有重要意义。

基于上述考虑，本研究采用两种典型的无机粘结剂——硅酸钠和磷酸二氢铝，通过浆料法在 YSZ 涂覆基体上制备了 CeO₂ 辐射散射涂层。随后在不同温度下进行热处理以诱导粘结剂产生不同程度的交联。通过分析涂层的相组成、微观结构和光谱发射率，系统研究了不同粘结剂高温演化对涂层红外辐射特性的影响机制。进行了火焰加热测试以评估不同涂层体系在高温条件下的温度响应和热防护能力。研究结果为高温服役条件下高发射率涂层的组分设计和性能优化提供了理论基础。

章节摘要

涂层制备

采用大气等离子喷涂（APS，A-2000；Oerlikon Metco，瑞士）在喷砂处理的镍基合金基体（φ25 mm × 3 mm）上沉积了 50 μm 的 NiCrAlY 结合层和 200 μm 的 YSZ 热障涂层。随后，以 CeO₂ 为填料、硅酸钠和磷酸二氢铝为粘结剂、氟硅酸钠和氧化镁为固化剂、去离子水为溶剂配制浆料。填料与粘结剂的质量比为 7:3，固化剂与

相组成

加热过程中无机粘结剂的交联反应引起的相组成和结构变化是影响涂层性能的关键因素。本研究采用差示扫描量热法（DSC）分析了硅酸钠和磷酸二氢铝从室温到 1100 °C 范围内的热行为，结果如图 2 所示。

硅酸钠的 DTA 曲线在 93 °C 和

热防护性能

为评估高发射率涂层对涂层系统热防护性能的影响，对 YSZ、SC 和 PC 样品进行了火焰加热测试。由于实验装置稳定运行范围的限制，火焰温度设定为 800 和 1000 °C。在 800 °C 下，当表面温度稳定在约 800 °C 后，持续加热 300 s。在 1000 °C 下，当表面温度

机制分析

涂层发射率受多种因素影响，且影响发射率的因素在近红外、中红外和远红外波段各不相同。上述实验表明，热处理温度的变化可以显著改变涂层的相组成和微观结构。为研究涂层结构特征与其发射率变化之间的关系，我们分析了经不同温度热处理的涂层

结论

本研究研究了两种无机粘结剂——硅酸钠和磷酸二氢铝的高温演化对浆料法制备的 CeO₂ 基涂层红外辐射性能和热防护性能的影响。两种涂层发射率的差异主要出现在 2.5–8 μm 范围内，而两种涂层在 8–15 μm 范围内均保持较高且相对稳定的发射率。随着热处理温度的升高，

作者贡献

H.L. 和 Y.R.N. 提出了本研究的构想并监督了项目。K.R.Y. 在 D.H. 和 L.P.H. 的指导下进行了建模，并完成了所有实验工作。K.R.Y. 和 Y.R.N. 撰写了论文，D.H. 进行了英文检查和润色。所有作者（包括 X.B.Z.）讨论了研究结果并对论文进行了评论。

CRediT 作者贡献声明

Yu Kairui：写作 – 审阅与编辑、写作 – 初稿、方法论、调查研究、形式化分析、概念化。Hong Du：调查研究。Huang LiPing：。Li Hong：监督、项目管理。Niu Yaran：写作 – 审阅与编辑、资源、数据整理。Zheng Xuebin：写作 – 审阅与编辑、监督、项目管理。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争经济利益或个人关系可能会影响本文所述工作。

致谢

本工作得到国家重点研发计划资助（项目编号：2025YFF0521403）

Kairui Yu|Du Hong|LiPing Huang|Hong Li|Yaran Niu|Xuebin Zheng