燒蝕涂料的熱防護機理與研發(fā)應(yīng)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，通過材料自身的質(zhì)量損失消耗帶走大量熱量，以達(dá)到阻止熱流傳入結(jié)構(gòu)內(nèi)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(yīng)、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(jié)構(gòu)內(nèi)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(yīng)導(dǎo)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(nèi)部傳遞；隨著熱量不斷傳入，溫度逐漸升高，當(dāng)達(dá)到分解、熔化、汽化或升華溫度時，涂層材料因相變吸收大量熱量。同時，材料表面及相變產(chǎn)物與附面層內(nèi)的空氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成一個溫度較低的氣態(tài)層。這層氣體向附面層擴散時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性能：
(1) 成炭率高，燒蝕后能形成致密的炭層；
(2) 相變過程中能量消耗大，燒蝕破壞過程中熱量消耗高；
(3) 有一定的機械強度，耐燒蝕、抗燃?xì)饬鳑_刷力強；
(4) 具有一定的韌性，足以承受燒蝕過程中被防護部位的膨脹和熱循環(huán)應(yīng)變；
(5) 涂層的附著力好，避免使用過程中發(fā)生脫落。
3. 燒蝕涂料的選材與應(yīng)用
基體材料和填料，是燒蝕涂料的重要組成部分，它們的選擇影響著燒蝕涂料的整體性能與各項參數(shù)。
從基體材料上來看，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)氧樹脂、酚醛樹脂為基體，這類涂料存在燒蝕速率快、質(zhì)脆易剝蝕等問題；硅基燒蝕涂料主要以硅橡膠、硅樹脂為基體，普遍存在與底材黏接性能差、易剝離的問題。因此需對基體材料進行改性，使其兼具燒蝕速率低、黏接性能好等特點。對此，不同科研團隊分別推出了共混環(huán)氧改性有機硅樹脂、環(huán)氧改性乙烯基硅橡膠、硼酚醛樹脂等多種改進后的基體材料，在耐燒蝕性、韌性、隔熱效果、附著力、炭化效果等多個參數(shù)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(yīng)性及均質(zhì)穩(wěn)定性，同時還應(yīng)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，還可改進涂層在經(jīng)受燃?xì)饬鳑_刷時的表面狀態(tài)，增加高溫吸熱反應(yīng)。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)動機內(nèi)壁等多種應(yīng)用場景下取得了較好的試驗效果。
此外，燒蝕涂料的復(fù)合涂層結(jié)構(gòu)近些年也受到了科研關(guān)注。將有機涂層和無機涂層或不同性能的有機涂層進行復(fù)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(fù)合涂層，不僅為艦載機、艦載導(dǎo)彈提供了安全良好的使用場景，還能對艦船的海洋腐蝕起到很好的防護效果。
