摘要

在織物材料上開發基于陶瓷的熱障涂層（TBCs）具有挑戰性，因為織物材料缺乏可實現高質量涂層的穩定表面。本文提出了將TBCs直接沉積在碳纖維織物表面，隨后制備碳纖維增強塑料（CFRP）復合材料，并對其高溫性能進行評估的方法。

本研究通過大氣等離子噴涂（APS）實現了釔鋁石榴石（YAG）TBCs直接沉積在3K碳織物（CF）上，孔隙度由聚醚醚酮（PEEK）孔隙成型劑調節，隨后通過真空輔助樹脂轉移成型（VARTM）進行碳纖維增強塑料（CFRP）復合材料制造。

優化的多孔YAG TBC（約35%孔隙率）在25–400℃下實現了0.57–0.64W/m?K的超低熱導率。在500–700℃火焰暴露下，CFRP-TBC試樣的背面溫度控制在253–305℃，而原始CFRP試樣在所有測試溫度下均發生點燃并完全燃燒。復合材料在500℃時保持了全部初始強度，暴露于700℃后仍保持約25%的強度。本研究驗證了將多孔YAG TBCs直接集成于碳纖維織物（CFs）上，以提升CFRP復合材料耐高溫性能的可行性，同時該方法可兼容傳統VARTM工藝，保持了材料的可制造性。

一、研究背景及研究意義

1.1 CFRP的應用價值

由于CFRP具有低比重、高比強度/剛度和耐腐蝕性，已被廣泛應用于汽車和航空航天領域。其輕量化特性可實現20–30%的結構減重，顯著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復合材料具有正交各向異性的熱導率特性：纖維縱向熱導率為2~3 W/m?K，而厚度方向熱導率僅為0.5~0.6 W/m?K。

1.2 應用瓶頸

當前CFRP在航空發動機部件中的應用仍受到嚴格限制，核心面臨三大挑戰：沖蝕性能不足、耐高溫性能差、電導率偏低。CFRP較差的高溫抗性極大限制了其在航空發動機等高溫部件中的應用。其環氧基體閃點約252℃，分解溫度約300℃，導致高溫下性能迅速下降。

1.3 技術痛點

APS是陶瓷TBC制備的高效方法，但其在CFRP上的應用面臨關鍵挑戰，在固化CFRP上直接涂層沉積會導致基體變形、纖維分裂和熱降解；中間金屬鍵涂層可以提高粘附力，但會降低熱障性能；CFRP表面自由能低導致涂層附著力和耐久性較差。

1.4 研究創新

本研究首次采用大氣等離子噴涂（APS）技術，將陶瓷TBC直接沉積在單層碳纖維織物（CF）上，隨后通過傳統VARTM工藝制備了CFRP-TBC復合材料。該策略有效避免了在高溫噴涂過程中對固化后的碳纖維增強塑料（CFRP）基體的熱損傷，同時實現了出色的熱防護效果，且不會影響復合材料的機械可靠性。研究人員對材料選擇、基材處理、等離子噴涂參數的優化以及最終制備的CFRP-TBC復合材料的綜合性能進行了系統的實驗研究。本研究選用釔鋁石榴石（YAG）作為熱障涂層主料，而非行業傳統的氧化釔穩定氧化鋯（YSZ），核心原因在于YAG熔點更低，且熱導率與YSZ相當；更低熔點的涂層材料可在更低的等離子功率下實現沉積，從而最大程度降低噴涂過程對碳纖維基底的熱損傷與性能降解。

二、實驗概述

2.1 多孔TBC的等離子噴涂

1. 基底材料

采用日本東麗公司生產的3K平紋單層碳纖維織物CF（T300級，200 g/m2），對織物進行脫膠處理，以消除紗線間孔隙、提升涂層均勻性，噴涂過程中采用專用夾具固定脫膠后的CF。

2. 原料

以釔鋁石榴石（Y3Al5O12，YAG，粒徑為10–63微米）為噴涂主料，以聚醚醚酮（PEEK，粒徑小于150微米）為成孔劑。這兩種原料按體積比10:0、8:2、6:4、4:6混合，并通過球磨機研磨24小時以確保充分混合。

3. 涂層工藝與熱處理

將混合好的原料在預熱至250℃的碳纖維基材表面進行噴涂；隨后在500℃下熱處理4小時，利用PEEK的熱分解反應在基材表面形成孔隙結構。最終形成的涂層具有雙層結構：致密的Y3Al5O12中間層（厚度為100–120微米）和多孔的Y3Al5O12表層（厚度為380–400微米）。

4. CFRP-TBC復合材料的制備

原始的CFRP（碳纖維增強塑料）以及CFRP-TBC復合材料均采用真空輔助樹脂傳遞模塑成型（VARTM）工藝制造而成。最終，原始CFRP的厚度約為2.98毫米，而CFRP-TBC的厚度約為3.5毫米。等離子噴涂工藝、雙層TBC結構設計及CFRP-TBC復合材料制備流程如圖1所示。

圖1 （a）YAG涂層碳纖維的等離子噴涂工藝示意圖；（b）含/不含成孔劑的雙層結構TBC示意圖；（c）用于CFRP-TBC制備的真空輔助樹脂傳遞模塑成型工藝示意圖

2.2 性能表征

通過掃描電子顯微鏡（SEM）、光學顯微鏡（OM）及Image J軟件對材料的微觀結構及孔隙率進行表征。

1. 熱物理性能測試

測量材料的導熱系數、密度及比熱容。采用X射線光電子能譜（XPS）分析了噴涂、熱處理前后碳纖維織物的表面氧化狀態與化學結構變化，驗證碳纖維在工藝過程中的結構穩定性；

2. 機械性能測試

包括低速沖擊試驗（沖擊能量為3 J）、涂層附著力測試以及三點彎曲試驗（測試前后的熱震效應）；

3. 熱障性能測試

采用甲烷燃燒器產生500℃、600℃、700℃的火焰，對試樣進行熱沖擊測試，通過紅外熱成像儀監測試樣背表面的溫度變化。本次熱障性能測試的裝置原理及測試過程如圖2所示。

圖2 熱測試示意圖及原始CFRP、CFRP-TBC試樣熱測試前后的實拍圖像

三、實驗結果

3.1 TBC的微觀結構與熱物理性質

制備的致密YAG涂層與碳纖維基底的附著力強度為5.45±0.5 MPa，失效模式為碳纖維層內的內聚失效，而非涂層與碳纖維界面的脫粘，證明涂層與基底具有良好的界面結合。等離子噴涂制備的致密YAG涂層顯微硬度為898.46±34.76 HV0.1。實驗所用YAG涂層主料與PEEK成孔劑的微觀形貌如圖3所示。

圖3 YAG（10–63微米）和PEEK（10–150微米）的微觀結構圖像

1. 孔隙率隨PEEK含量增加：YAG、Y8P2、Y6P4、Y4P6涂層的總孔隙率分別為4.16±1.02%、28±4.25%、43.4%±5.13%和57±7.38%。由于結構穩定性不足，Y4P6被排除在進一步測試之外。

2. 多孔結構顯著降低熱導率：致密YAG涂層在25–400℃范圍內熱導率為2.2–2.7 W/m?K；Y8P2涂層為1.08–1.14 W/m?K；Y6P4涂層在結構完整性充足時熱導率最低，為0.57–0.64 W/m?K。

3. 通過優化的APS工藝成功沉積均勻且附著的YAG涂層，碳纖維無燃燒、變形或熱降解。

3.2 抗沖擊性能

在3 J的沖擊載荷下，CFRP-TBC復合材料的抗沖擊性能顯著優于未經處理的原始CFRP材料：

1)原始CFRP的峰值沖擊力為2,371 N；

2)CFRP-YAG（致密涂層）的峰值沖擊力為3,479 N；

3)CFRP-Y6（多孔涂層）的峰值沖擊力最高，達到4,073 N；

4)TBC（涂層）中的可控孔隙結構有助于分散沖擊載荷、減輕局部應力、抑制裂紋擴展，從而使能量耗散過程更加平緩且均勻。

3.3 熱障性能

在所有測試溫度下，CFRP試樣均點燃并完全燃燒：500℃時，試樣140s后被點燃，170 s內完全燃盡；600℃和700℃下，點燃與完全燃燒的速度更快。在相同的測試條件下，所有帶有熱障涂層（TBC）的CFRP樣品均未發生燃燒或火焰蔓延現象，表現出優異的熱防護性能。各樣品的背火面溫度詳見表1。

表1 樣品背火面溫度

CFRP-TBC試樣在700℃火焰暴露下的最大前后溫差達到406℃，且熱障效果提升速度超過溫度上升。多孔涂層在熱絕緣方面持續優于致密涂層。

3.4 熱沖擊后的殘余力學性質

原始CFRP在熱沖擊后完全分層，且無剩余機械性能可供測試。所有CFRP-TBC試樣均保持結構完整性，其中CFRP-Y6表現出最佳的高溫機械穩定性：

1) 在500℃熱沖擊后，幾乎保留了100%的初始彎曲強度和90%的模量；

2) 在600℃下保持64%的初始彎曲強度和46%的模量；

3) 即使在700℃暴露后，仍保持約25%的強度和43%的模量。

在700℃火焰下暴露200秒，CFRP-Y6保留了約82%的初始彎曲強度，而致密的CFRP-YAG僅保留約36%。多孔的TBC有效減輕了熱傳遞和基體熱降解。

這種高孔隙率、低導熱系數的CFRP-Y6 TBC復合材料綜合性能最優，實現了最佳的熱障效果。本研究為在大面積、任意形狀的碳纖維表面制備涂層，以及制備用于高溫防護的CFRP-TBC復合材料提供了直接可行的方法，研究結果提升了CFRP材料的熱障性能，也為開發隔熱性能更優、與CFRP材料適配性更好的熱障涂層體系鋪平了道路。

四、主要結論與未來展望

4.1 結論

1)通過APS成功在碳纖維表面沉積均勻且附著的YAG陶瓷涂層，噴涂過程中碳纖維無燃燒、變形或熱降解跡象。

2)在60毫米×60毫米CF面積上開發了無裂紋的YAG涂層。含有最高PEEK含量的Y4P6涂層成分表現出極高的孔隙率和機械脆性，不適合后續的機械和熱測試。

3)Y6P4多孔YAG涂層在保持足夠結構完整性的同時，實現了約0.57 W/m?K的最低熱導率。

4)在高溫火焰測試中，原始CFRP復合材料在所有測試溫度下均發生點燃與性能退化，而CFRP-TBC復合材料保持了結構完整性，在500~700℃火焰暴露下未發生表面點燃與燃燒。

5)CFRP-Y6復合材料在分別在500℃、600℃和700℃的熱沖擊測試中保留了90%、46%和43%的原始彎曲模量，顯示出優異的高溫機械穩定性。

4.2 未來展望

后續研究將重點圍繞兩個方向展開：一是進一步提升YAG熱障涂層體系的熱障效率；二是系統評估CFRP-TBC復合材料的多功能服役性能，包括耐腐蝕性、耐磨性與抗沖蝕性能，以拓展其在航空航天、汽車及其他高溫服役場景中的應用。

作者與資金來源信息：

-第一作者：Kandasamy Praveen、Heejin Kim（兩人貢獻平等）

-通訊作者：Juhyeong Lee、Ji-Hyun Cha、Min Wook Lee

-資金支持來源：韓國科學技術院（KIST）的機構項目、韓國國家研究基金會（NRF）的資助計劃，以及2023年漢華集團（Hanwha）頒發的“非終身教職教師獎”。

此文由中國復合材料工業協會搜集整理編譯，部分數據來源于網絡資料。文章不用于商業目的，僅供行業人士交流，引用請注明出處。