大气等离子喷涂制备碳纤维增强塑料用高性能陶瓷热障涂层

摘要

在织物材料上开发基于陶瓷的热障涂层（TBCs）具有挑战性，因为织物材料缺乏可实现高质量涂层的稳定表面。本文提出了将TBCs直接沉积在碳纤维织物表面，随后制备碳纤维增强塑料（CFRP）复合材料，并对其高温性能进行评估的方法。

本研究通过大气等离子喷涂（APS）实现了钇铝石榴石（YAG）TBCs直接沉积在3K碳织物（CF）上，孔隙度由聚醚醚酮（PEEK）孔隙成型剂调节，随后通过真空辅助树脂转移成型（VARTM）进行碳纤维增强塑料（CFRP）复合材料制造。

优化的多孔YAG TBC（约35%孔隙率）在25–400℃下实现了0.57–0.64W/m⋅K的超低热导率。在500–700℃火焰暴露下，CFRP-TBC试样的背面温度控制在253–305℃，而原始CFRP试样在所有测试温度下均发生点燃并完全燃烧。复合材料在500℃时保持了全部初始强度，暴露于700℃后仍保持约25%的强度。本研究验证了将多孔YAG TBCs直接集成于碳纤维织物（CFs）上，以提升CFRP复合材料耐高温性能的可行性，同时该方法可兼容传统VARTM工艺，保持了材料的可制造性。

一、研究背景及研究意义

1.1 CFRP的应用价值

由于CFRP具有低比重、高比强度/刚度和耐腐蚀性，已被广泛应用于汽车和航空航天领域。其轻量化特性可实现20–30%的结构减重，显着降低燃油消耗和污染物排放（如二氧化碳、氮氧化物、硫氧化物等）。CFRP复合材料具有正交各向异性的热导率特性：纤维纵向热导率为2~3 W/m・K，而厚度方向热导率仅为0.5~0.6 W/m・K。

1.2 应用瓶颈

当前CFRP在航空发动机部件中的应用仍受到严格限制，核心面临三大挑战：冲蚀性能不足、耐高温性能差、电导率偏低。CFRP较差的高温抗性极大限制了其在航空发动机等高温部件中的应用。其环氧基体闪点约252℃，分解温度约300℃，导致高温下性能迅速下降。

1.3 技术痛点

APS是陶瓷TBC制备的高效方法，但其在CFRP上的应用面临关键挑战，在固化CFRP上直接涂层沉积会导致基体变形、纤维分裂和热降解；中间金属键涂层可以提高粘附力，但会降低热障性能；CFRP表面自由能低导致涂层附着力和耐久性较差。

1.4 研究创新

本研究首次采用大气等离子喷涂（APS）技术，将陶瓷TBC直接沉积在单层碳纤维织物（CF）上，随后通过传统VARTM工艺制备了CFRP-TBC复合材料。该策略有效避免了在高温喷涂过程中对固化后的碳纤维增强塑料（CFRP）基体的热损伤，同时实现了出色的热防护效果，且不会影响复合材料的机械可靠性。研究人员对材料选择、基材处理、等离子喷涂参数的优化以及最终制备的CFRP-TBC复合材料的综合性能进行了系统的实验研究。本研究选用钇铝石榴石（YAG）作为热障涂层主料，而非行业传统的氧化钇稳定氧化锆（YSZ），核心原因在于YAG熔点更低，且热导率与YSZ相当；更低熔点的涂层材料可在更低的等离子功率下实现沉积，从而最大程度降低喷涂过程对碳纤维基底的热损伤与性能降解。

二、实验概述

2.1 多孔TBC的等离子喷涂

1. 基底材料

采用日本东丽公司生产的3K平纹单层碳纤维织物CF（T300级，200 g/m2），对织物进行脱胶处理，以消除纱线间孔隙、提升涂层均匀性，喷涂过程中采用专用夹具固定脱胶后的CF。

2. 原料

以钇铝石榴石（Y3Al5O12，YAG，粒径为10–63微米）为喷涂主料，以聚醚醚酮（PEEK，粒径小于150微米）为成孔剂。这两种原料按体积比10:0、8:2、6:4、4:6混合，并通过球磨机研磨24小时以确保充分混合。

3. 涂层工艺与热处理

将混合好的原料在预热至250℃的碳纤维基材表面进行喷涂；随后在500℃下热处理4小时，利用PEEK的热分解反应在基材表面形成孔隙结构。最终形成的涂层具有双层结构：致密的Y3Al5O12中间层（厚度为100–120微米）和多孔的Y3Al5O12表层（厚度为380–400微米）。

4. CFRP-TBC复合材料的制备

原始的CFRP（碳纤维增强塑料）以及CFRP-TBC复合材料均采用真空辅助树脂传递模塑成型（VARTM）工艺制造而成。最终，原始CFRP的厚度约为2.98毫米，而CFRP-TBC的厚度约为3.5毫米。等离子喷涂工艺、双层TBC结构设计及CFRP-TBC复合材料制备流程如图1所示。

图1 （a）YAG涂层碳纤维的等离子喷涂工艺示意图；（b）含/不含成孔剂的双层结构TBC示意图；（c）用于CFRP-TBC制备的真空辅助树脂传递模塑成型工艺示意图

2.2 性能表征

通过扫描电子显微镜（SEM）、光学显微镜（OM）及Image J软件对材料的微观结构及孔隙率进行表征。

1. 热物理性能测试

测量材料的导热系数、密度及比热容。采用X射线光电子能谱（XPS）分析了喷涂、热处理前后碳纤维织物的表面氧化状态与化学结构变化，验证碳纤维在工艺过程中的结构稳定性；

2. 机械性能测试

包括低速冲击试验（冲击能量为3 J）、涂层附着力测试以及三点弯曲试验（测试前后的热震效应）；

3. 热障性能测试

采用甲烷燃烧器产生500℃、600℃、700℃的火焰，对试样进行热冲击测试，通过红外热成像仪监测试样背表面的温度变化。本次热障性能测试的装置原理及测试过程如图2所示。

图2 热测试示意图及原始CFRP、CFRP-TBC试样热测试前后的实拍图像

三、实验结果

3.1 TBC的微观结构与热物理性质

制备的致密YAG涂层与碳纤维基底的附着力强度为5.45±0.5 MPa，失效模式为碳纤维层内的内聚失效，而非涂层与碳纤维界面的脱粘，证明涂层与基底具有良好的界面结合。等离子喷涂制备的致密YAG涂层显微硬度为898.46±34.76 HV0.1。实验所用YAG涂层主料与PEEK成孔剂的微观形貌如图3所示。

图3 YAG（10–63微米）和PEEK（10–150微米）的微观结构图像

1. 孔隙率随PEEK含量增加：YAG、Y8P2、Y6P4、Y4P6涂层的总孔隙率分别为4.16±1.02%、28±4.25%、43.4%±5.13%和57±7.38%。由于结构稳定性不足，Y4P6被排除在进一步测试之外。

2. 多孔结构显著降低热导率：致密YAG涂层在25–400℃范围内热导率为2.2–2.7 W/m⋅K；Y8P2涂层为1.08–1.14 W/m⋅K；Y6P4涂层在结构完整性充足时热导率最低，为0.57–0.64 W/m⋅K。

3. 通过优化的APS工艺成功沉积均匀且附着的YAG涂层，碳纤维无燃烧、变形或热降解。

3.2 抗冲击性能

在3 J的冲击载荷下，CFRP-TBC复合材料的抗冲击性能显着优于未经处理的原始CFRP材料：

1)原始CFRP的峰值冲击力为2,371 N；

2)CFRP-YAG（致密涂层）的峰值冲击力为3,479 N；

3)CFRP-Y6（多孔涂层）的峰值冲击力最高，达到4,073 N；

4)TBC（涂层）中的可控孔隙结构有助于分散冲击载荷、减轻局部应力、抑制裂纹扩展，从而使能量耗散过程更加平缓且均匀。

3.3 热障性能

在所有测试温度下，CFRP试样均点燃并完全燃烧：500℃时，试样140s后被点燃，170 s内完全燃尽；600℃和700℃下，点燃与完全燃烧的速度更快。在相同的测试条件下，所有带有热障涂层（TBC）的CFRP样品均未发生燃烧或火焰蔓延现象，表现出优异的热防护性能。各样品的背火面温度详见表1。

表1 样品背火面温度

CFRP-TBC试样在700℃火焰暴露下的最大前后温差达到406℃，且热障效果提升速度超过温度上升。多孔涂层在热绝缘方面持续优于致密涂层。

3.4 热冲击后的残余力学性质

原始CFRP在热冲击后完全分层，且无剩余机械性能可供测试。所有CFRP-TBC试样均保持结构完整性，其中CFRP-Y6表现出最佳的高温机械稳定性：

1) 在500℃热冲击后，几乎保留了100%的初始弯曲强度和90%的模量；

2) 在600℃下保持64%的初始弯曲强度和46%的模量；

3) 即使在700℃暴露后，仍保持约25%的强度和43%的模量。

在700℃火焰下暴露200秒，CFRP-Y6保留了约82%的初始弯曲强度，而致密的CFRP-YAG仅保留约36%。多孔的TBC有效减轻了热传递和基体热降解。

这种高孔隙率、低导热系数的CFRP-Y6 TBC复合材料综合性能最优，实现了最佳的热障效果。本研究为在大面积、任意形状的碳纤维表面制备涂层，以及制备用于高温防护的CFRP-TBC复合材料提供了直接可行的方法，研究结果提升了CFRP材料的热障性能，也为开发隔热性能更优、与CFRP材料适配性更好的热障涂层体系铺平了道路。

四、主要结论与未来展望

4.1 结论

1)通过APS成功在碳纤维表面沉积均匀且附着的YAG陶瓷涂层，喷涂过程中碳纤维无燃烧、变形或热降解迹象。

2)在60毫米×60毫米CF面积上开发了无裂纹的YAG涂层。含有最高PEEK含量的Y4P6涂层成分表现出极高的孔隙率和机械脆性，不适合后续的机械和热测试。

3)Y6P4多孔YAG涂层在保持足够结构完整性的同时，实现了约0.57 W/m⋅K的最低热导率。

4)在高温火焰测试中，原始CFRP复合材料在所有测试温度下均发生点燃与性能退化，而CFRP-TBC复合材料保持了结构完整性，在500~700℃火焰暴露下未发生表面点燃与燃烧。

5)CFRP-Y6复合材料在分别在500℃、600℃和700℃的热冲击测试中保留了90%、46%和43%的原始弯曲模量，显示出优异的高温机械稳定性。

4.2 未来展望

后续研究将重点围绕两个方向展开：一是进一步提升YAG热障涂层体系的热障效率；二是系统评估CFRP-TBC复合材料的多功能服役性能，包括耐腐蚀性、耐磨性与抗冲蚀性能，以拓展其在航空航天、汽车及其他高温服役场景中的应用。

作者与资金来源信息：

-第一作者：Kandasamy Praveen、Heejin Kim（两人贡献平等）

-通讯作者：Juhyeong Lee、Ji-Hyun Cha、Min Wook Lee

-资金支持来源：韩国科学技术院（KIST）的机构项目、韩国国家研究基金会（NRF）的资助计划，以及2023年汉华集团（Hanwha）颁发的“非终身教职教师奖”。

此文由中国复合材料工业协会搜集整理编译，部分数据来源于网络资料。文章不用于商业目的，仅供行业人士交流，引用请注明出处。