面向高温应用的一种轻质无机涂层的制备及其热防护性能研究

《Coatings》：Preparation and Thermal Protection Performance of a Lightweight Inorganic Coating for High-Temperature Applications

　　

摘要

新能源汽车(NEV)系统对热防护材料日益增长的需求，推动了兼具隔热与耐火性能的轻质涂层的发展。本研究通过将空心玻璃微珠(HGMs)、膨胀蛭石和陶瓷纤维掺入硅酸钠基体中，制备了一种轻质陶瓷状无机涂层。研究人员通过改变膨胀蛭石/陶瓷纤维的比例及涂层厚度，评估了这些因素对热防护性能的影响。在所研究的配方中，配方C表现出最低的平均热导率，1 mm厚C-1涂层的热导率达到0.0649 ± 0.0004 W·m^?1·K^?1。代表性配方C涂层的表观密度为0.54 ± 0.02 g·cm^?3（n = 3）。在代表性单试样直接丁烷火焰暴露试验中，2 mm厚C-2试样经600 s后的空间平均背面温度为147.1 °C，而未涂覆铝板为420.1 °C，对应273.0 °C的温差。截面扫描电子显微镜(SEM)观察显示，火焰暴露后涂层内部结构演变不均匀，靠近火焰一侧区域形态变化更为显著，而内部区域保留了更多的微球结构。代表性配方C涂层在氮气和空气气氛下，800 °C时的质量保留率均超过80%。上述结果表明，空心玻璃微珠、膨胀蛭石、陶瓷纤维与硅酸钠基体的协同存在，能够在高温暴露条件下有效抵抗热传递。因此，该涂层为高温热防护提供了一种轻质无机技术途径。

论文解读：面向高温应用的轻质无机涂层——制备、热防护性能与结构演变研究

一、研究背景与意义

随着新能源汽车(NEV)产业的快速发展，锂离子电池因其高能量密度和优异的电化学性能，已成为该领域核心的储能元件。然而，电池安全问题始终是制约其大规模应用的关键瓶颈。在实际使用过程中，过热、过充、内短路及机械损伤等滥用条件均可能诱发电池热失控，伴随剧烈的热量释放、起火甚至爆炸危险。热失控一旦发生，还可能在相邻电芯之间传播，造成更为严重的安全事故。因此，开发有效的热防护策略以降低热传递并延缓热失控传播，对提升新能源汽车电池系统安全性至关重要。在各类热防护方案中，防火隔热涂层因其能够提供局部热防护、附加质量相对较低且施工便捷，受到越来越广泛的关注。

热防护与防火涂层按基体组成可大致分为有机体系和无机体系两类。有机防火涂层通常采用聚合物粘结剂并添加阻燃助剂，受热时可形成碳质或无机保护屏障以延缓热和火焰的传递。然而，长期暴露于高温环境会导致聚合物基体降解，同时燃烧过程中产生的烟气及挥发性产物也限制了其在严酷热环境中的应用。相比之下，无机防火涂层主要采用硅酸盐类等无机粘结剂，结合功能性填料与助剂，凭借其不燃性和高温稳定性，在严酷加热条件下具有显著优势。

基于上述背景，研究人员以空心玻璃微珠(HGMs)作为轻质隔热填料、氟硅酸钠(Na₂SiF₆)作为水玻璃固化剂、膨胀蛭石和陶瓷纤维作为补充无机组分，制备了一种轻质硅酸钠基热防护涂层。该研究旨在通过组分调控与厚度优化，实现涂层高效隔热与轻量化的统一，为高温热防护提供一种可行的无机涂层方案。

二、关键技术方法

研究人员在涂层制备过程中，采用真空脱泡搅拌工艺实现多组分粉体在水玻璃基体中的均匀分散，并通过刮涂法在铝基板上精确控制涂层厚度。性能表征方面，主要采用了以下关键技术手段：利用冷场发射扫描电子显微镜(SEM)结合能谱(EDS)对原料形貌、涂层表面及截面微观结构进行观察；采用TC3000E热常数分析仪测量有效热导率；通过直接丁烷火焰暴露试验结合红外热像仪记录试样背面温度场演化；运用热重分析(TGA)评估涂层在氮气和空气气氛下的高温质量保持能力；使用热膨胀仪测定涂层在升温过程中的尺寸变化。需说明的是，样本为实验室制备的涂层试样，无临床样本队列来源。

三、研究结果与分析

（一）微观形貌与结构演变

SEM观察显示，空心玻璃微珠呈规则的球形形貌，陶瓷纤维呈细长纤维状，膨胀蛭石则表现出特有的层片状结构。这些特征结构在掺入硅酸钠基体后得以保留，所制备涂层表面呈现含有微球和纤维组分的非均质无机结构。对代表性C-2涂层火焰暴露前后的截面观察揭示了明显的结构梯度演变：火焰暴露前，涂层呈现相对连续的多相结构，HGMs及其他无机组分均匀分布于硅酸钠基体中；经过火焰暴露后，靠近火焰一侧区域的形态变化更为显著，而内部区域则保留了相对完整的微球结构。EDS面分析显示，火焰后截面中O和Si元素广泛分布，与涂层富含硅酸盐的无机特性相吻合。这一结果表明涂层对热输入的微观结构响应存在空间非均匀性。

（二）热导率

热导率测试结果显示，不同配方和厚度试样的有效热导率存在差异。在所测试的配方中，C-1试样表现出最低的平均热导率，为0.0649 ± 0.0004 W·m^?1·K^?1，C-2次之，为0.0656 ± 0.0006 W·m^?1·K^?1。代表性配方C涂层的表观密度仅为0.54 ± 0.02 g·cm^?3（n = 3），充分体现了涂层轻质化的设计目标。值得注意的是，热导率并未随膨胀蛭石含量增加和陶瓷纤维含量减少而单调下降，这表明膨胀蛭石/陶瓷纤维比例的变化会综合影响填料堆积状态、固-固接触、基体分布及内部热传导路径，从而产生复杂的热导率响应。

（三）防火性能

直接丁烷火焰暴露测试（火焰喷射距离10 cm，暴露时间600 s）结果表明，未涂覆铝板背面温度快速攀升，而两种涂层试样在整个测试期间均维持在显著较低的温度水平。在600 s时，未涂覆铝板、C-1和C-2的空间平均背面温度分别为420.1 °C、232.1 °C和147.1 °C，C-2涂层将背面温度降低了273.0 °C。红外热像图进一步直观显示，两个涂层试样在各时间点的背面温度均低于裸铝板，其中C-2在所有选定时间点均呈现最低温度。C-1与C-2的对比表明，涂层厚度从1 mm增加到2 mm可有效提升热屏蔽性能。需要指出的是，直接火焰温度数据来自代表性单试样测试，主要用于比较当前测试条件下的热响应差异。

四、讨论与结论

热重分析表明，代表性配方C涂层在氮气和空气气氛下呈现相似的质量损失规律。100 °C以下的质量损失主要归因于物理吸附水和残留水分的脱除；100–600 °C之间的缓慢失重与无机基体进一步脱水和热致结构变化有关；600 °C以上曲线趋于平稳，表明大部分热不稳定组分已去除。在800 °C时，两种气氛下的残余质量均保持在80%以上，反映了涂层以无机组分为主的本质特征。热膨胀分析则显示，涂层在100–300 °C区间呈近似线性膨胀，在约425 °C达到最大尺寸后随温度升高而出现净收缩，这与硅酸钠富集无机基体在高温下的持续脱水和结构重排行为相一致。

综合本研究结果可以得出以下结论：研究人员开发了一种以HGMs、膨胀蛭石和陶瓷纤维为功能组分的轻质硅酸钠基无机涂层。在所研究的配方中，配方C具有最低的平均热导率（C-1为0.0649 ± 0.0004 W·m^?1·K^?1），其表观密度为0.54 ± 0.02 g·cm^?3。在直接火焰测试条件下，代表性C-2试样600 s后的空间平均背面温度为147.1 °C，较未涂覆铝板的420.1 °C降低了273.0 °C。截面SEM揭示了火焰暴露后涂层内部的空间非均匀微观响应。该涂层在氮气和空气气氛下800 °C时的质量保留率均超过80%。上述结果表明，所设计的涂层集低有效热导率、轻质特性和高效阻热性能于一体，为高温热防护领域提供了一种具有应用前景的轻质无机技术方案。该研究成果发表于《Coatings》期刊。