پوشش‌های سرامیکی با دمای بالا، فناوری اسپری حرارتی را ارتقا می‌دهند.

در کاربردهای صنعتی مدرن، مواد با محیط‌های کاری به طور فزاینده‌ای سختی مواجه می‌شوند، جایی که شرایط شدیدی مانند دماهای بالا، فشار، خوردگی و سایش، چالش‌های بی‌سابقه‌ای را ایجاد می‌کنند. برای پاسخگویی به این نیازها، دانشمندان و مهندسان به کاوش در مواد سرامیکی پیشرفته ادامه می‌دهند که مقاومت حرارتی، محافظت در برابر خوردگی و دوام در برابر سایش استثنایی را نشان می‌دهند. در میان پوشش‌های اسپری حرارتی، سرامیک‌های کوردیریت، مولایت و فورستریت به دلیل مزایای عملکردی منحصربه‌فردشان به عنوان راه‌حل‌های به‌ویژه امیدوارکننده ظاهر شده‌اند.

اسپری حرارتی نشان‌دهنده یک تکنیک مهندسی سطح است که مواد مذاب یا نیمه‌مذاب را روی زیرلایه‌ها رسوب می‌دهد تا پوشش‌های کاربردی ایجاد کند. در مقایسه با روش‌های پوشش‌دهی سنتی، اسپری حرارتی کاربرد گسترده‌تر، انتخاب مواد متنوع و پردازش انعطاف‌پذیر را ارائه می‌دهد – که به طور قابل توجهی خواص زیرلایه از جمله مقاومت در برابر سایش، محافظت در برابر خوردگی و پایداری حرارتی را افزایش می‌دهد.

مواد سرامیکی چندین مزیت حیاتی را در کاربردهای اسپری حرارتی ارائه می‌دهند:

• مقاومت حرارتی استثنایی: سرامیک‌ها یکپارچگی ساختاری خود را در دماهای بالا به دلیل نقاط ذوب بالا و پایداری حرارتی حفظ می‌کنند
• مقاومت در برابر خوردگی برتر: آنها بی‌اثری شیمیایی عالی در برابر اسیدها، قلیاها و نمک‌ها نشان می‌دهند
• مقاومت در برابر سایش برجسته: سختی بالای آنها محافظت بادوام در برابر سایش مکانیکی را فراهم می‌کند
• عایق الکتریکی: سرامیک‌های خاصی به عنوان مواد دی‌الکتریک موثر در الکترونیک عمل می‌کنند

این خواص، سرامیک‌های اسپری حرارتی را در صنایع هوافضا، خودروسازی، انرژی، فرآوری شیمیایی و الکترونیک ضروری می‌سازد.

کوردیریت (Mg₂Al₄Si₅O₁₈) در میان سرامیک‌های اسپری حرارتی به دلیل ضریب انبساط حرارتی بسیار پایین و مقاومت قابل توجه در برابر شوک حرارتی برجسته است. ساختار کریستالی شبه شش‌ضلعی ارتورومبیک آن حاوی فضاهای خالی قابل توجهی است که به چگالی کم 2.53 گرم بر سانتی‌متر³ و نقطه ذوب 1470 درجه سانتی‌گراد کمک می‌کند.

ضریب متوسط انبساط حرارتی (CTE) این ماده بین 1.5-4.0 × 10^-6 درجه سانتی‌گراد^-1 از 25-700 درجه سانتی‌گراد متغیر است، با کوردیریت پلاسما اسپری شده که 2.94 × 10^-6 درجه سانتی‌گراد^-1 اندازه‌گیری می‌شود. این انبساط فوق‌العاده کم، تنش حرارتی را در طول نوسانات سریع دما به حداقل می‌رساند و از ترک خوردن و خرابی ساختاری جلوگیری می‌کند.

مقاومت کوردیریت در برابر شوک حرارتی، کاربردهای متنوعی را امکان‌پذیر می‌کند:

• توربین‌ها و موتورهای گازی: به عنوان پوشش‌های مانع حرارتی (TBCs) برای کاهش دمای اجزا عمل می‌کند
• الکترونیک: تولید عایق‌های فرکانس بالا و مواد دی‌الکتریک مایکروویو
• مواد نسوز: در برابر شرایط شدید در کوره‌های صنعتی مقاومت می‌کند
• لوازم خانگی: در آسترهای اجاق مایکروویو و المنت‌های حرارتی استفاده می‌شود

اختراعات اروپایی روش‌هایی را برای ایجاد پوشش‌های کوردیریت متخلخل از طریق اسپری حرارتی توصیف می‌کنند. مطالعات نشان می‌دهد که کوردیریت پلاسما اسپری شده در ابتدا ساختارهای آمورف را تشکیل می‌دهد که در بالای 830 درجه سانتی‌گراد به ساختارهای μ-کوردیریت متبلور می‌شوند و در نزدیکی 1000 درجه سانتی‌گراد به طور برگشت‌ناپذیری به کوردیریت بالا تبدیل می‌شوند.

مولایت (3Al₂O₃·2SiO₂) پایداری حرارتی و شیمیایی استثنایی را در سراسر محدوده دمای کریستالی خود بدون تغییرات چندشکلی که باعث تغییرات حجمی می‌شود، حفظ می‌کند. ساختار شبکه ارتورومبیک آن چگالی 3.0 گرم بر سانتی‌متر³، نقطه ذوب 1810 درجه سانتی‌گراد و CTE 5.3 × 10^-6 درجه سانتی‌گراد^-1 را نشان می‌دهد.

پیوندهای قوی Al-O و Si-O سختی و استحکام مکانیکی بالایی را فراهم می‌کنند، در حالی که مقاومت عالی در برابر خزش، ظرفیت تحمل بار را در دماهای بالا امکان‌پذیر می‌کند.

پایداری مولایت از کاربردهای حیاتی پشتیبانی می‌کند:

• آسترهای کوره با دمای بالا: در برابر فرسایش فلز مذاب و سرباره در فرآیندهای متالورژی مقاومت می‌کند
• محصولات نسوز: تولید آجر نسوز و مواد ریختنی برای محیط‌های شدید
• اجزای هوافضا: ساخت نازل‌های موتور موشک که نیاز به مقاومت در برابر شوک حرارتی دارند
• کامپوزیت‌های ماتریس سرامیکی: خواص مکانیکی و حرارتی را به عنوان فاز تقویت‌کننده افزایش می‌دهد

تحقیقات ناسا تأیید می‌کند که TBCهای مولایت مقاومت در برابر شوک حرارتی برتری را در زیر 1100 درجه سانتی‌گراد نشان می‌دهند، اگرچه تغییرات فاز SiO₂ باعث تخریب در بالای 1200 درجه سانتی‌گراد می‌شود. آزمایش موتور دیزل نشان می‌دهد که پوشش‌های مولایت ترک‌های کمتری نسبت به جایگزین‌های مبتنی بر زیرکونیا تحت چرخه حرارتی یکسان ایجاد می‌کنند.

فورستریت (Mg₂SiO₄) استحکام مکانیکی بالا و تانژانت تلفات کم را نشان می‌دهد که آن را برای کاربردهای الکتریکی با فرکانس بالا ایده‌آل می‌کند. فورستریت صنعتی معمولاً به عنوان فاز انستاتیت با ساختار ارتورومبیک، چگالی 3.21 گرم بر سانتی‌متر³ و نقطه ذوب 1557 درجه سانتی‌گراد وجود دارد.

پیوندهای قوی Mg-O و Si-O به سختی قابل توجه کمک می‌کنند، در حالی که تلفات دی‌الکتریک فوق‌العاده کم، انتقال سیگنال با فرکانس بالا را تضمین می‌کند.

فورستریت نقش‌های حیاتی را در موارد زیر ایفا می‌کند:

• عایق‌های فرکانس بالا: یکپارچگی سیگنال را در تجهیزات ارتباطی حفظ می‌کند
• اجزای رادیویی: تولید سلف‌ها و خازن‌ها برای سیستم‌های بی‌سیم
• زیرلایه‌های الکترونیکی: بردهای مدار با عملکرد بالا و مینیاتوری شده را فعال می‌کند

رسوبات فورستریت پلاسما اسپری شده حاوی فازهای آمورف با ساختار لایه‌ای کمتر متمایز نسبت به سرامیک‌های آلومینا یا زیرکونیا هستند. عملیات بازپخت ترکیب فاز و خواص انبساط حرارتی را تغییر می‌دهد، اگرچه سینتیک تبلور نیاز به بررسی بیشتری دارد.

پیشرفت‌های مستمر در فناوری اسپری حرارتی، کاربردها را برای این سرامیک‌های تخصصی گسترش می‌دهد:

• بهینه‌سازی پارامترهای اسپری برای افزایش چگالی و چسبندگی پوشش
• توسعه فرمولاسیون‌های سرامیکی جدید با خواص بهبود یافته
• بررسی مکانیسم‌های شکست تحت شرایط شدید
• بررسی کاربردها در زمینه‌های نوظهور مانند انرژی تجدیدپذیر و دستگاه‌های زیست پزشکی

از طریق نوآوری مداوم، سرامیک‌های اسپری حرارتی کوردیریت، مولایت و فورستریت همچنان حفاظت قابل اعتمادی را برای اجزای صنعتی حیاتی که با چالش‌های عملیاتی شدید مواجه هستند، ارائه خواهند داد.