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从飞机引擎到汽车排气系统：热障涂层的奇妙应用有哪些？
热障涂层（TBCs）是一种先进的材料系统，通常应用于在高温条件下运行的金属表面，例如燃气涡轮发动机的燃烧室和涡轮，以及汽车的排气热管理系统。这些厚度介于 100 微米至 2 毫米之间的热绝缘材料涂层，能有效隔热，使得尽管面临剧烈的热负载，部件仍然能够保持运行效率和耐久性。
热障涂层能延长部件的使用寿命，减少氧化和热疲劳。
随着对高效能引擎的要求日益增加，这些引擎需要在更高的工作温度下运行并具备更好的耐久性，对于新型高级热障涂层的开发受到越来越大的动力促使。热障涂层的材料要求跟热防护罩类似，但在后者的应用中，发热率通常更为重要。
热障涂层的结构与要求
一种有效的热障涂层需要满足某些要求，以在恶劣的热机械环境中良好工作。要应对加热和冷却过程中的热膨胀应力，必须具有适当的孔隙率，并且热膨胀系数应与被涂覆金属表面相匹配。此外，为了防止显著的体积变化（如相变化时发生），需要维持相稳定性。热障涂层通常由四层组成：金属基材、金属键结层、热生长氧化层(TGO)和陶瓷顶层。
为了使热障涂层持久使用，所有层之间的热膨胀系数应良好匹配。
失效机制
热障涂层的失效机制相当复杂，并可能因热循环环境各异而有所不同。虽然有许多失效机制没有被完全理解，但热生长氧化层(TGO)的生长、热震和顶层的烧结，是导致热障涂层失效的三种最重要因素。
TGO层的成长是TBC脱落失效的最重要原因之一。当随着加热形成TGO时，会造成与体积膨胀有关的压缩生长应力；冷却时，因热膨胀系数不同而产生晶格不匹配应变，这一系列的应力最终会导致热障涂层的破裂和剥落。
热震是一个主要的失效机制，因为这种急剧的温度变化引发的应力可能导致热障涂层出现裂纹。
此外，烧结会提升顶层的密度，导致裂缝形成。据报导，在热障涂层应用中，以氮化硅为基的陶瓷复合材料也显示出比传统氮化锆材料更优越的性能。
热障涂层的类型
不同的热障涂层材料各具特性。包括常用的氧化锆（YSZ）、堿土金属锆酸盐、%氮铝氧化物等。 YSZ是最著名的，因具有良好的热稳定性及低热传导率而广泛应用于燃油发动机上。然而，YSZ在高温下会遭遇相变化，导致性能下降。
稀土氧化物（如CeO2）和金属-玻璃复合材料等，展现出作为替代材料的潜力。
应用领域
在现代汽车中，热障涂层的应用越来越普遍，特别是在减少排气系统部件热损失方面，例如排气歧管和涡轮增压器外壳等组件。此外，在航空领域，这类涂层的使用极为重要，常用于保护镍基超合金，并使其能于熔点以上运行以增强发动机性能。
然而，随着对燃料的需求以及绿色技术的推进，如何持续提升热障涂层的性能，并使其在更高温度下稳定运行，是未来工业界受到高度重视的挑战。
热障涂层技术在多个行业都展现出前广阔的应用潜力，未来这项技术将如何进一步发展以满足不断变化的需求？
