悬浮液等离子喷涂Ti3AlC2/Al2O3涂层高温吸波性能研究

Lots of high temperature components and parts of aircraft and spacecraft expose to radar wave, they need subject strong thermal shock in the service process, the radar stealth requirement of these components and parts strongly require the development of both new advanced coatings with combination excellent high temperature microwave absorbing properties and resistance to thermal shock, and novel manufacturing technology. Base on the facts of excellent high temperature stability and resistance to high temperature oxidation of Ti3AlC2, the primary emphasis of this proposal is to prepare the Ti3AlC2/Al2O3 coating by suspension plasma spraying under the guidance of coating microstructure design concept of “small size splat”. Firstly, the microstructure controlling mechanism of coating will be studied, and responding mechanism of removable charge will be recognized in electromagnetic field, in order to establish the correlation model between the Ti3AlC2 distribution, coating service temperature and complex permittivity, reflection loss. Secondly, the defect characteristics and their forming mechanisms should be revealed for achieving quality control methodologies. Furthermore, mechanical properties and thermal shock properties under different temperature will be evaluated for illuminating the mechanisms of thermal shock failure. The research results of project will provide fundamental basis and technological support for advanced coating manufacturing technology.

各类航空或航天器中存在大量暴露于雷达波中的高温部件或部位，它们在服役过程中需经受强烈的热冲击，这些部位或部件的隐身急需同时具有优异高温吸波性能和抗热冲击性能的新型高温吸波涂层及其制备技术。本项目依据Ti3AlC2优异的高温稳定性和抗高温氧化性，以“小尺寸扁平粒子”为涂层微观结构设计思路，同时在涂层中引入垂直裂纹，采用悬浮液等离子喷涂技术制备Ti3AlC2/Al2O3涂层，重点研究涂层微观结构控制机制，认清材料微观结构中可移动电荷在电磁场中的响应机制，建立Ti3AlC2的分布状态、服役温度与涂层复介电常数和反射率之间的关联性模型，揭示悬浮液等离子喷涂涂层过程中内部缺陷特征及其形成机理，提出优质涂层内部质量控制方法，完成Ti3AlC2/Al2O3涂层力学性能与不同温度下的热冲击性能试验，进而阐明高温吸波涂层的热冲击失效机制，为先进高温吸波涂层制备技术提供理论基础和技术支撑。

各类航空或航天器中存在大量暴露于雷达波中的高温部件或部位，它们在服役过程中需经受强烈的热冲击，这些部位或部件的隐身急需同时具有优异高温吸波性能和抗热冲击性能的新型高温吸波涂层及其制备技术。本项目通过等离子喷涂制备了不同含量的Ti3SiC2/Al2O3涂层，XRD分析结果表明，涂层主要以a-Al2O3和γ-Al2O3，Ti5Si3，TiC和Ti3SiC2为主，涂层微观组织致密，无明显裂纹。Ti3SiC2低含量时在涂层中分散较为均匀，但Ti3SiC2含量增加到25wt.%时，在涂层中出现了少量的团聚现象，形成了局部导电网络。力学性能测试结果表明，随着Ti3SiC2含量的增加，涂层的弹性模量，硬度等力学性能逐渐降低，但是降低幅度较小，这主要是由于等离子喷涂涂层的力学性能主要受涂层微观组织结构的影响。涂层高温氧化结果表明，经过长时间氧化，涂层表面形成了典型的针状TiO2。电磁性能测试结果表明，随着Ti3SiC2含量的增加，涂层的实部和虚部值都逐渐增长，Ti3SiC2含量为20wt.%时，涂层有着最佳的吸波性能，超过-10dB的吸收率频率为10.1-12.4GHz。划入摩擦性能测试结果表明，不同含量Ti3SiC2涂层的划入性能差别不大，这主要是由于涂层的性学性能碎Ti3SiC2含量的增加虽有所降低，但降低幅度较小有关。涂层破坏情况主要以脆性断裂为主，没有发现贯穿性的主裂纹，这有助于提高涂层的抗热冲击性能。另外，本项目也研究了GNPs作为增强相提高涂层的强韧化性能，石墨烯作为典型的二维碳材料有用及其优良的力学性能，且石墨烯也有望成新一代电磁吸收剂，本项目试图通过添加不同含量石墨烯，制备兼具优良力学性能和吸波性能的高质量涂层。结果表明，等离子喷涂制备GNPs/Al2O3涂层保留了部分石墨烯，但涂层中的石墨烯结果发生了改变，涂层微观组织结果分析表明，涂层呈现典型的双态结构，涂层中可以明显观察到石墨烯被熔融液滴所包裹，石墨烯与基体结合极为紧密，力学性能测试表明，涂层弹性模量和硬度都有明显地提升，加入1 wt. %的GNPs使Al2O3涂层的硬度值增加了~35.4% (~10.46 GPa)，弹性模量增加了~13.8% (~189.4 GPa)，另外，石墨烯的加入也有助于提高涂层的摩擦磨损性能。