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            液料等離子噴涂微納結構功能涂層

            更新時間  2021-12-06 14:13:19 閱讀

            一般而言,微納結構有兩種形式:一種是同時具有納米和微米粒子的二元結構,兩種尺度的粒子相互獨立分布 ;另一種是分級結構,其微米結構由納米結構單元組裝而成 。通常二元結構可由復合液料等離子噴涂制備,而分級結構可由普通液料等離子噴涂制備而成。文章介紹了這兩種液料等離子噴涂技術制備微納結構涂層的原理、優勢與挑戰,以及它們在上述兩種結構涂層制備上的進展。

            液料等離子噴涂 (LPS) 解決了傳統大氣等離子噴涂 (Atmospheric Plasma Spray, APS) 不適用于精細結構涂層制備的問題。液態原料不存在因噴涂粉末過細引起的堵塞、載氣流量過大的問題,且液料可保護微結構免受高溫破壞。液料等離子噴涂通常分為懸浮液等離子噴涂 (Suspension Plasma Spray, SPS) 和溶液前驅體等離子噴涂 (Solution Precursor Plasma Spray, SPPS)。相較于APS,LPS更加復雜,但具有更大的操作空間,能夠更加精確控制最終涂層的化學計量比、涂層厚度和形貌,所以常被用于微納結構涂層的制備上。
            復合液料等離子噴涂方法提供了一種將微納兩種尺度的結構組合在一起的可能。將常規的微米級大氣等離子粉末噴涂 (APS) 與納米級液料等離子噴涂 (LPS) 結合起來制備微納結構涂層,可以實現涂層性能的提升。典型的復合液料等離子噴涂示意圖,液體和粉末分別注入等離子焰流。

            是ASP+SPPS沉積二元微納結構熱障涂層的示意圖。第一層為SPPS制備的各種納米小顆粒以及APS形成的微米扁平粒子。隨著噴涂的進行不同的納米小顆粒重新固結為納米扁平粒子,最終獲得分層堆疊起的具有雙尺度結構的涂層。

            與傳統的大氣等離子噴涂相比,復合液料等離子噴涂將面臨很多挑戰,主要表現在噴涂工藝和噴涂方法兩個方面。工藝上,APS與LPS在噴涂功率、噴涂距離等參數上區別很大,此外會對基體溫度和送料速度產生影響。因此,在復合的情況下,需要一個參數來同時滿足二者。要獲得最佳的噴涂工藝參數,首先要通過調整參數來分析涂層的單顆扁平粒子或單層的成型情況。只有當這些涂層單元達到理想的結構和成分時,才能制備出高質量的涂層。噴涂方法主要考慮的是進料問題,軸向與徑向的進料各有優劣,此外,進料口位置也需要充分考慮。應根據所需的涂層結構和功能特性靈活調整相關工藝。

            分級微納結構涂層
            疏水涂層是最早的仿生微納結構之一,即“蓮花效應”。由于基體的粗糙度以及溶劑材料的影響能夠通過LPS制備分級微納結構,這種雙重尺度的分級結構提供了超疏水性能。通過溶液前驅體真空等離子噴涂 (SPVPS) 制備的Yb2O3涂層,涂層的微觀表面形貌為細小的納米顆粒以及顆粒組成的球形微米團簇。

            基于金屬氧化物的半導體氣敏涂層技術正成為最具吸引力的傳感技術之一。其原理是將傳感器在空氣以及目標氣體中電阻的變化轉換為電信號。氣敏傳感器需要微小多孔的涂層結構來提供氣體高比表面積和氣體流動通道,以利于表面反應位點與氣體的接觸。制備氣敏涂層時,LPS噴涂電流應相對較低,噴涂過程中顆粒只有部分熔化,形成氣敏涂層所需的多孔結構,同時保留更多的細小晶粒,提高性能。液料噴涂制備的WO3涂層,呈現典型的多孔結構,納米顆粒形成了微米團簇。

            等離子噴涂

            在生物醫學領域,由于分級微納結構具有自然骨相似的分級結構,LPS涂層制備的TiO2以及羥基磷灰石涂層被廣泛應用于醫用植入物中。由于微納結構的存在,涂層的人體細胞粘附性和增殖性較光滑表面有明顯提高。在光催化材料領域,微納結構因其更大的比表面積和更高的光催化活性受到越來越多的關注。通過調整噴涂工藝參數及溶液前驅體,可以有效地改變光催化涂層的微觀形貌和組成。

            二元微納結構 通常有三種類型的涂層:層狀涂層、混合涂層和梯度涂層。層狀涂層采用交替沉積的方法,將微米結構和納米結構逐層結合,兩種不同尺寸的結構是相對分開的,這種結構可以是簡單的上下兩層或多層疊加;混合涂層是由兩種不同的噴涂原料同時進料制備而成,微觀結構通常為分散的納米粒子粘附在微米結構的表面;梯度涂層的制備當同時注入兩種原料時,調整一種或兩種原料的進料速度,可實現涂層結構及成分由下至上的漸變。

            在制氫電極涂層方面,利用APS+SPS復合LPS制備層狀涂層二元微納結構鎳涂層。在粗糙多孔微米涂層上添加納米級的團聚體,增加了表面粗糙度與比表面積,具有超親水性的特征。使得在增加反應位點的同時,生成的氫氣氣泡更易析出,避免阻礙溶液與電極接觸,從而顯著提高電極的電催化活性。

            在熱障涂層方面,使用APS和SPPS交替噴涂的方式制備分層結構YSZ涂層。在傳統的層狀涂層中,通過SPS引入高縱橫比的均勻納米顆粒堆以替代大孔隙,來解決熱障涂層起隔熱作用的孔隙利用率低的問題。
            在耐磨涂層方面,可以通過復合LPS在普通耐磨基體中加入納米級高溫穩定硬質顆粒來形成微納結構。如通過APS+SPS/SPPS在鉬合金涂層及氧化鋁涂層中加入納米YSZ顆粒來制備混合微納結構,涂層的耐磨性等機械性能都有明顯提升。類似的也有通過復合液料等離子噴涂在NiCrAlY涂層或鎳鉻合金涂層中引入納米氧化鋁顆粒形成雙尺度結構以提升性能。
            在氣敏涂層方面,二元微納結構通過形成異質結等不僅能提高涂層氣敏性能,還能提升其熱穩定性。APS+SPPS制備的微納混合結構的WO3涂層的熱穩定性相較于SPPS涂層有了很大的提高。納米顆粒獨立分布在微米結構的表面上,避免了納米粒子的物理接觸,以防其遷移、團聚和長大。金屬氧化物的結合也可以降低工作溫度避免顆粒團聚。

            通過復合液料等離子噴涂制備微納結構涂層受到的關注越來越多。由于復合液料等離子噴涂具有涂層所需求的特定結構與對成分的調控能力,以及使用材料的廣泛性,其在微納結構功能涂層制備上有著良好的前景。
            現有的大多數研究僅限于該類涂層的結構和性能的初步表征,只有在充分了解了涂層的成形機理之后,才可以有效地調節涂層的微觀結構以獲得所需的性能。因此有關微納結構涂層沉積和調控機理的研究需要更加深入,以形成完善的工藝體系。
            復合液料等離子噴涂可以更簡單地結合兩種不同尺度的材料,以直接改變整個涂層的微觀結構和成分,從而最終改善其性能,其重要價值之一就是為微納結構涂層的微觀設計和制備提供一種新技術。

                文章來源:http://www.azprivatemedicine.com/


            標簽:   等離子噴涂

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