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從飛機引擎到汽車排氣系統：熱障塗層的奇妙應用有哪些？
熱障塗層（TBCs）是一種先進的材料系統，通常應用於在高溫條件下運行的金屬表面，例如燃氣渦輪發動機的燃燒室和渦輪，以及汽車的排氣熱管理系統。這些厚度介於 100 微米至 2 毫米之間的熱絕緣材料塗層，能有效隔熱，使得儘管面臨劇烈的熱負載，部件仍然能夠保持運行效率和耐久性。
熱障塗層能延長部件的使用壽命，減少氧化和熱疲勞。
隨著對高效能引擎的要求日益增加，這些引擎需要在更高的工作溫度下運行並具備更好的耐久性，對於新型高級熱障塗層的開發受到越來越大的動力促使。熱障塗層的材料要求跟熱防護罩類似，但在後者的應用中，發熱率通常更為重要。
熱障塗層的結構與要求
一種有效的熱障塗層需要滿足某些要求，以在惡劣的熱機械環境中良好工作。要應對加熱和冷卻過程中的熱膨脹應力，必須具有適當的孔隙率，並且熱膨脹係數應與被塗覆金屬表面相匹配。此外，為了防止顯著的體積變化（如相變化時發生），需要維持相穩定性。熱障塗層通常由四層組成：金屬基材、金屬鍵結層、熱生長氧化層(TGO)和陶瓷頂層。
為了使熱障塗層持久使用，所有層之間的熱膨脹係數應良好匹配。
失效機制
熱障塗層的失效機制相當複雜，並可能因熱循環環境各異而有所不同。雖然有許多失效機制沒有被完全理解，但熱生長氧化層(TGO)的生長、熱震和頂層的燒結，是導致熱障塗層失效的三種最重要因素。
TGO層的成長是TBC脫落失效的最重要原因之一。當隨著加熱形成TGO時，會造成與體積膨脹有關的壓縮生長應力；冷卻時，因熱膨脹係數不同而產生晶格不匹配應變，這一系列的應力最終會導致熱障塗層的破裂和剝落。
熱震是一個主要的失效機制，因為這種急劇的溫度變化引發的應力可能導致熱障塗層出現裂紋。
此外，燒結會提升頂層的密度，導致裂縫形成。據報導，在熱障塗層應用中，以氮化硅為基的陶瓷複合材料也顯示出比傳統氮化鋯材料更優越的性能。
熱障塗層的類型
不同的熱障塗層材料各具特性。包括常用的氧化鋯（YSZ）、堿土金屬鋯酸鹽、%氮鋁氧化物等。YSZ是最著名的，因具有良好的熱穩定性及低熱傳導率而廣泛應用於燃油發動機上。然而，YSZ在高溫下會遭遇相變化，導致性能下降。
稀土氧化物（如CeO2）和金屬-玻璃複合材料等，展現出作為替代材料的潛力。
應用領域
在現代汽車中，熱障塗層的應用越來越普遍，特別是在減少排氣系統部件熱損失方面，例如排氣歧管和渦輪增壓器外殼等組件。此外，在航空領域，這類塗層的使用極為重要，常用於保護鎳基超合金，並使其能於熔點以上運行以增強發動機性能。
然而，隨著對燃料的需求以及綠色技術的推進，如何持續提升熱障塗層的性能，並使其在更高溫度下穩定運行，是未來工業界受到高度重視的挑戰。
熱障塗層技術在多個行業都展現出前廣闊的應用潛力，未來這項技術將如何進一步發展以滿足不斷變化的需求？
