12月 15, 2011

从团聚纳米结构颗粒、悬浮液和溶液中制造新型热喷涂纳米微结构: 特邀评论

从 1973 年麦克弗森(McPherson)在热喷涂传统氧化铝涂层(使用数十微米大小的喷涂颗粒)中发现纳米级特征的开创性工作,到最近旨在利用纳米级原料颗粒制造纳米结构涂层的最先进工作,热喷涂界与纳米级特征和原料的关系已有 30 多年的历史。

无论是原料的开发(特别是通过低温研磨,以及能够制造亚微米级或纳米级涂层结构的工艺,例如由纳米级颗粒制成的微米级团聚体作为原料),还是热喷涂工艺(例如悬浮和液体前驱体热喷涂技术)的出现,都是出于制造性能更强涂层的需要。这些技术产生了两种不同类型的涂层:一种是具有所谓双峰结构的涂层,纳米级区域嵌入微米级区域,其喷涂工艺与传统涂层类似;另一种是通过悬浮或溶液喷涂实现的亚微米级或纳米结构涂层。与悬浮喷涂相比,溶液前驱体喷涂使用分子混合的前驱体作为液体,避免了制备粉末的单独加工路线,可以合成各种氧化物粉末和涂层。这些涂层可用于各种应用,从改进的隔热层和耐磨表面到固体氧化物燃料电池系统的稀薄固体电解质,等等。

与此同时,与传统的热喷涂工艺相比,这些工艺对参数变化更为敏感,因此操作更为复杂。建模活动、诊断工具和策略的演变以及实验进展的独特结合,使得该领域取得了进展,开发出了多种涂层结构,在许多情况下都表现出独特的性能。本文详细介绍了几个实例。本文将陆续介绍以下几个方面:(i) 用于制造此类涂层的两种喷涂技术:热等离子体和 HVOF;(ii) 为飞行中诊断微米级颗粒和液体与热气流相互作用而开发的传感器;(iii) 三种喷涂工艺:使用纳米级颗粒的微米级团聚体进行传统喷涂、悬浮喷涂和溶液喷涂;(iv) 这些材料的特殊结构带来的新问题,特别是这些涂层的表征;(v) 潜在的工业应用。

要取得进一步的进展,需要科学界和工业界开展新的研发活动,以解决、了解和控制复杂的机理,特别是在考虑悬浮和液体前驱体热喷涂技术时,热流-液滴或液流的相互作用。仍需努力开发新的测量设备,以诊断平均直径低于 2 微米的飞行中液滴或颗粒,并验证对液体-热气相互作用的假设。

此外,还需要努力进一步开发一些适用于此类纳米结构涂层特性的表征协议,因为一些通常用于热喷涂涂层的现有 “传统 “协议已不再适用,特别是在处理空隙网络结构时,因为许多涂层特性都是从空隙网络结构中衍生出来的。

论文链接 (英文)

最初发表于《Journal of Physics D. Applied Physics》(第 44 卷,第 9 期)
作者:P Fauchais、G Montavon、R S Lima、B R Marple