燒蝕涂料的熱防護機理與研發(fā)應用
燒蝕防護是指在熱流環(huán)境中，涂層能夠發(fā)生分解、熔化、升華等多種吸收熱能的物理化學(xué)變化，通過(guò)材料自身的質(zhì)量損失消耗帶走大量熱量，以達到阻止熱流傳入結構內部的目的。
涂料涂層的燒蝕可分為表面燒蝕和體積燒蝕：表面燒蝕指發(fā)生在涂層表面的燒蝕，主要包括表面材料與環(huán)境氣流的熱化學(xué)反應、材料的熔化、升華、高速粒子撞擊（侵蝕）及機械剝蝕引起的質(zhì)量損失；體積燒蝕指結構內部材料在較低溫度（相對于表面燒蝕而言）下因熱化學(xué)反應導致的質(zhì)量損失。
在熱流環(huán)境中，熱量被涂層材料吸收并向內部傳遞；隨著(zhù)熱量不斷傳入，溫度逐漸升高，當達到分解、熔化、汽化或升華溫度時(shí)，涂層材料因相變吸收大量熱量。同時(shí)，材料表面及相變產(chǎn)物與附面層內的空氣發(fā)生化學(xué)反應，形成一個(gè)溫度較低的氣態(tài)層。這層氣體向附面層擴散時(shí)還要吸收一部分熱量，而且擴散增大了附面層厚度，使其平均溫度降低，從而顯著(zhù)降低向表面的熱擴散，有效減少流向被防護基體的熱量。
2. 燒蝕涂料需具備的性能
從燒蝕涂料的熱防護機理不難看出，燒蝕涂料需具備以下幾點(diǎn)性能：
(1) 成炭率高，燒蝕后能形成致密的炭層；
(2) 相變過(guò)程中能量消耗大，燒蝕破壞過(guò)程中熱量消耗高；
(3) 有一定的機械強度，耐燒蝕、抗燃氣流沖刷力強；
(4) 具有一定的韌性，足以承受燒蝕過(guò)程中被防護部位的膨脹和熱循環(huán)應變；
(5) 涂層的附著(zhù)力好，避免使用過(guò)程中發(fā)生脫落。
3. 燒蝕涂料的選材與應用
基體材料和填料，是燒蝕涂料的重要組成部分，它們的選擇影響著(zhù)燒蝕涂料的整體性能與各項參數。
從基體材料上來(lái)看，目前有機燒蝕涂料主要可分為碳基燒蝕涂料和硅基燒蝕涂料。碳基燒蝕涂料主要以環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂為基體，這類(lèi)涂料存在燒蝕速率快、質(zhì)脆易剝蝕等問(wèn)題；硅基燒蝕涂料主要以硅橡膠、硅樹(shù)脂為基體，普遍存在與底材黏接性能差、易剝離的問(wèn)題。因此需對基體材料進(jìn)行改性，使其兼具燒蝕速率低、黏接性能好等特點(diǎn)。對此，不同科研團隊分別推出了共混環(huán)氧改性有機硅樹(shù)脂、環(huán)氧改性乙烯基硅橡膠、硼酚醛樹(shù)脂等多種改進(jìn)后的基體材料，在耐燒蝕性、韌性、隔熱效果、附著(zhù)力、炭化效果等多個(gè)參數上取得了明顯的突破。
燒蝕涂料的填料，需具備較低的密度、一定的反應性及均質(zhì)穩定性，同時(shí)還應與基體材料具有較好的匹配性。石棉纖維、二氧化硅、氮化硼、金屬氧化物（氧化鋁、二氧化鋯、鈦白粉）、炭黑、玻璃纖維粉、碳化硅等多種耐高溫、耐燒蝕材料，均已被研究作為燒蝕涂料填料。這些填料不僅可以增加涂層的耐高溫性、隔熱性和機械強度，還可改進(jìn)涂層在經(jīng)受燃氣流沖刷時(shí)的表面狀態(tài)，增加高溫吸熱反應。這其中，納米技術(shù)的賦能也為填料提供了更多樣化、高性能的選擇，在抗激光燒蝕、載人飛行、艙體外殼、發(fā)動(dòng)機內壁等多種應用場(chǎng)景下取得了較好的試驗效果。
此外，燒蝕涂料的復合涂層結構近些年也受到了科研關(guān)注。將有機涂層和無(wú)機涂層或不同性能的有機涂層進(jìn)行復合使用，可以有效提高涂層的整體防護能力。有些具備耐燒蝕和防腐功能的復合涂層，不僅為艦載機、艦載導彈提供了安全良好的使用場(chǎng)景，還能對艦船的海洋腐蝕起到很好的防護效果。
