随着航空航天技术的发展，耐高温的低发射率涂料在航天军事方面的应用越来越广。飞机发动机热零部件在3~5 μm波段的红外发射率普遍较高，解决该问题的主要途径是在其表面涂覆一层耐高温低发射率涂层，通过降低发动机热零部件的红外特征达到红外隐身的目的，同时该涂层具有制作简单、不受部件大小形状限制和对飞行器性能影响小等优点，是现代武器红外隐身研究的重要部分^[1-2]。飞机发动机部件还常常受到急冷急热的热冲击作用，抗热震性能就成为评定耐高温涂层寿命的重要指标^[3-4]。因此研究3～5 μm波段耐高温低发射率涂层的抗热震性能具有重要的意义，而国内外对于耐高温低发射率涂层的抗热震性能研究相对较少。

根据作者课题组前期对耐高温低发射率涂层的研究，CeO₂粉体制备的涂层在3~5 μm波段具有较低发射率，但在800 ℃空冷情况下抗热震性能差，第5次后就全部崩裂脱落^[5]。所以本文重点解决CeO₂基低发射率涂层在800 ℃下的抗热震性能，使其基本满足工程应用要求。

涂层与基板热膨胀系数的匹配是影响涂层抗热震性能的关键因素^[6]。热膨胀系数不匹配将引起很大的残余热应力，导致涂层与基板结合强度低，涂层产生裂纹甚至剥落^[7-12]。一般来说，金属基板的热膨胀系数比较大，而耐高温无机涂层的热膨胀系数相对较小^[13]，为了使得涂层与基板的热膨胀系数匹配，本文考虑引入热膨胀系数较大的MgO作为第二相来提高涂层的热膨胀系数，降低残余热应力，最终改善涂层的抗热震性能。本文以氧化铈、硅酸盐粘合剂为基料，不同含量的氧化镁为添加剂，制备了耐高温低发射率涂层，测试了涂层的抗热震性能和发射率，并用DIL 402C型热膨胀仪及扫描电镜(Scanning electron microscope,SEM)对涂层做了机理探究。

1 实验过程 1.1 实验原料

硅酸盐粘合剂ZS-1071，北京志盛威华化工有限公司；氧化铈，分析纯，南京化学试剂有限公司；氧化镁，分析纯，南京化学试剂有限公司；聚乙二醇400，分析纯，南京化学试剂有限公司；无水乙醇，分析纯，南京化学试剂有限公司；蒸馏水，实验室自制。

1.2 实验设计

涂料配方中加入聚乙二醇400为分散剂，可以减小填料团聚，使涂料分散均匀，提高稳定性^[14]。本文在确定助剂不变的前提下，研究不同含量的MgO对涂层抗热震性能的影响。不同物质物理参数及涂料组分含量如表 1，2所示。

1.3 涂层制备

首先对高温合金基板(GH3039，直径45 mm，厚度1 mm)进行预处理：化学除油—水洗—砂纸打磨—水洗—烘干；然后选用硅酸盐粘合剂和CeO₂为基料，按表 2配方加入MgO及少量聚乙二醇400混合搅拌均匀，并采用高速分散机进行分散，加入少量酒精和水作为溶剂调节粘度，用刮涂法制备涂层。涂层表干12h后放入高温炉中以5℃/min的升温速率升至120℃固化3h^[15]，然后随炉降温待用。

1.4 测试与表征

(1)抗热震性能(空冷)：将固化后的涂层样板直接放入炉温为800℃的马弗炉中，保温15min后取出，待涂层冷却至室温后检查涂层表面是否开裂、脱落，不断重复上述空冷过程，直至涂层出现开裂、脱落等失效现象。

(2)3～5μm波段的红外发射率：IR-2双波段发射率测量仪以及BC-I型精密温度控制器，中科院上海技术物理研究所。

(3)热膨胀系数：样品的线热膨胀系数α由高温热膨胀仪测定，主要是通过高精度位移计测量样品在升温(ΔT)过程中长度的变化ΔL，然后按式(1)计算得到。所用仪器型号为DIL 402C(德国Netzsch公司)，试样制成圆柱形(直径4 mm，厚度为25 mm)，严格要求试样端面与圆柱轴线垂直。测试温度范围为20~800 ℃，升温速度5 ℃/min，测试气氛为空气。

$ \alpha = \frac{{\Delta L}}{{L\Delta T}} $

(1)

(4)微观形貌：场发射扫描电子显微镜，Hitachi S4800。

2 结果与讨论 2.1 抗热震性能测试

不同涂层的抗热震性能测试结果如表 3所示。由表 3可知，涂层a在800 ℃空冷的情况下抗热震次数只能达到1次。随着MgO含量由1%增加到3%，涂层的抗热震性能提高，抗热震次数由7次提升到50次；MgO含量的继续增加到5%，7%和9%时，涂层的抗热震性能却出现下降的趋势，抗热震次数分别降为31次，2次及仅有1次。由此可知，涂层的抗热震性能随着MgO含量的增大先提高再降低，当MgO含量为3%时，涂层c的抗热震性能最优。

2.2 热膨胀系数测试

本文涂层的热膨胀系数是被测样品在800 ℃经过15 min后测定的，此时助剂和水已全部失去^[16]，消除了在测定过程中有机物的相变挥发对热膨胀系数产生的影响。因为本文测试的是800 ℃下涂层的抗热震性能，所以这里主要选取了600～800 ℃温度区间的平均热膨胀系数，见表 4。

随着MgO含量的增加，涂层热膨胀系数出现先增大后减小的趋势。加入热膨胀系数较大的MgO，可以提高涂层的热膨胀系数；当MgO添加量过大时，与各物质热膨胀系数差异大，结合变弱，经过高温后涂层容易开裂，导致受热过程中膨胀的部分体积弥补了原本的裂纹空隙，又会使涂层的热膨胀系数减小^[17]。当MgO含量为3%时，涂层与基板的热膨胀系数差最小，为2.78%，所以抗热震性能最优。

2.3 SEM测试

不同涂层抗热震前后表面图如图 1所示。由图 1可见，涂层a固化后涂层完好，如图 1(a)所示，但经过1次抗热震就整片剥落，如图 1(b)所示；涂层c固化后表面完好，如图 1(c)所示，在经过50次抗热震后涂层只有边缘剥落，如图 1(d)所示。图 2为涂层a和涂层c固化后的截面SEM图，可看出涂层与基板之间的结合界面有明显的分界线，没有发生相应的化学作用和扩散作用，结合力比较弱；它们之间的结合主要就是依靠普通的分子键结合，主要的结合力是范德华力，键能比较低。这种情况下涂层与基板热膨胀系数的匹配尤为重要。涂层a在固化后与基板连接处就有了裂纹，如图 2(a)所示，这是因为涂层a热膨胀系数跟基板的热膨胀系数差异相对较大，材料的内部产生了不同的微观和宏观热应力，同时材料的力学性能、微观组织以及热物理性能不同，内因和外因两方面的作用因素导致了材料不同方式的失效，引发涂层裂纹、脱落等^[18]；涂层c的热膨胀系数跟基板相对接近，所以固化后涂层与基板结合良好，如图 2(b)所示，且经过一系列抗热震性能测试后，涂层开始脱落时都是从边缘开始慢慢脱落，然后向涂层的中心部位移动脱落，明显不同于涂层a。

2.4 发射率测试

涂层a和c在不同温度下3～5 μm波段红外发射率如表 5所示。从表 5中可以看出，涂层c的发射率在不同测试温度下都高于涂层a。这说明MgO的加入在一定程度上影响了涂层的发射率，但是仍然满足低发射率的要求，涂层c在500 ℃的测试温度下发射率最低为0.212，可作为耐高温低发射率涂层使用。

3 结束语

本文研究了MgO添加量对涂层抗热震性能的影响。通过实验得出，添加3%的MgO可适当提高涂层的热膨胀系数，与基板的热膨胀系数相差最小，此时的抗热震性能最佳，在800 ℃空冷情况下可达50次。MgO的加入虽然使涂层在3~5 μm波段的发射率略有提高，但是影响不大，仍然满足工程应用需求。