面向液体火箭发动机高温防护工况的隔热涂料在不同金属基体表面粘接性能响应规律：表面处理方式与涂料组分配比涂覆厚度的协同影响机理探究

随着国内外防护涂料科技的进步，功能型防护涂料广泛应用于航空航天、兵器、电子、核电等国防科技工业领域[1-2]。可大幅提升产品抗电磁、耐湿热、防辐射、耐老化等性能[3]，其中隔热防护涂料更是广泛应用于卫星、导弹、火箭等高温工况下核心/精密部件的防护[4-5]。在液体火箭发动机生产过程中使用的隔热涂料，涂覆于零部组件表面起到隔热防护作用，在300℃温度场中2mm涂层，冷热面温差可达250℃以上[6-7]。在使用过程中，防护涂料与金属基体需具有良好的粘接性能，才能保证其发挥优异的功能。如耐高温、耐老化、耐冷热冲击、耐腐蚀、防电磁等[8-11]。

本研究以烧蚀隔热涂料与金属基体的结合力性能作为研究对象，以隔热涂料的结合力为考核指标，通过调控固化剂用量、固化环境、涂料厚度、金属表面状态、板材表面处理方式等因素，对涂料结合力进行测定，通过数据分析明确影响涂层结合力的各因素。

1、试验部分

1.1　仪器设备

WDW-10C微机控制电子万能试验机；VHX-600E三维显微分析系统；TC-201H恒温恒湿箱。

1.2　材料试剂

烧蚀隔热涂料（A、B组分）；KH-550表面处理剂（工业纯）；无水乙醇（分析纯）；120#汽油（工业品）。

1.3　试验方案1.3.1　涂层制备

试验所选试片为5A06（LF6）铝合金板和TC4钛合金板。

试验前，对待试件进行表面处理，钛合金进行表面吹砂，铝合金进行阳极化处理。用汽油或其他合适的溶剂将产品待涂覆部位清洗。按KH-550∶无水乙醇=(1~3)∶100（wt）配制表面处理剂，用毛刷在板材表面均匀涂覆一遍。按隔热涂料∶固化剂=100∶2~2.5（wt）配比，配制隔热涂料。用玻璃棒将配制好的隔热涂料均匀涂覆在板材表面，搭接后挤出多余涂料，在涂料适用期内合拢试样加压室温固化72 h以上，胶接试件如图1所示。

1.3.2　测试剪切性能

通过剪切强度考核涂层结合性能，剪切强度按GB/T 7124-2008《胶粘剂拉伸剪切强度的测定（刚性材料对刚性材料）》进行。

1.3.3　涂层表观形貌表征

涂层表观形貌通过三维立体显微镜进行表征，分析经剪切强度试验后涂层表面形貌变化及与试板结合情况。

2、结果与分析

2.1　不同板材及处理工艺对涂层结合力影响结果

分别选择铝合金板和钛合金板作为基体板材，采用不同板材预处理方式对板材进行处理。不同金属板材表面的处理工艺与涂层结合力强度及涂层脱落情况如表1所示。

表 1 不同板材及处理工艺下涂层的剪切强度

Table 1 Shear strength of coatings underdifferent plates and processing techniques

通过涂层脱落情况及剪切强度值可以发现，基材不经处理直接制备涂层，其结合力较小，当受到剪切作用时，粘接部位涂层发生脱落，发生界面破坏。出现这种现象的原因是板材表面粗糙度太小，涂层与基材之间的机械作用弱，结合力不高。

钛合金板材吹砂后打磨并使用表面处理剂，剪切强度有所下降，这是因为吹砂造成的粗糙结构不均匀，导致表面处理剂厚度分布不均匀，出现鳞片状结构，从基材表面翘起的鳞片状结构带来应力集中的问题，极易在剪切作用下与涂层脱离，使涂层的剪切强度下降[12-13]。

从不同试板下不同表面预处理方式的对比结果可以看出，铝板经阳极化处理、钛合金板经吹砂后打磨，可以保证较大的粗糙度和平整度，有助于提高涂层的结合力。胶结接头破坏后，铝合金表面如图2所示，钛合金表面如图3所示。

从图2(a)可以看出，未处理板材上涂层残留较少。随着表面处理工艺步骤的增加，涂层在板材上的粘接情况越好。如图2(b-c)所示。铝板经表面阳极化打磨并用表面处理剂处理后，涂层在板材上基本未脱落，具有较好的结合力。

从图3(a)可以看出，未经吹砂处理的钛合金板材，由于表面粗糙程度低，涂料与板材的结合能力弱，经拉剪试验后，在板材表面的残留少，呈稀疏分散状态。试板经吹砂处理后，由于表面粗糙度得到提升，涂层的残留量进一步增多，如图3(b)所示。经表面处理剂处理前后的试板，涂层在其表面均有较多残留，如图3(c-d)所示。

2.2　稀释剂添加量对涂层结合力影响结果

隔热涂料为双组分，稀释剂为120#汽油。在涂覆过程中，通过添加一定配比含量的汽油，以保证涂料具有均匀流动性。不同稀释剂添加量下涂层的剪切强度及涂层脱落情况如表2所示。

表 2 不同稀释剂添加量下涂层的剪切强度

Table 2 Shear strength of the coating under different diluent addition amounts

当稀释剂添加量为40%时，涂层在阳极化铝板上的剪切强度最高，达到2.05 MPa；当稀释剂添加量为20%时，涂层在吹砂钛合金板上的剪切强度最高，达到1.85 MPa。对比不同板材，由于板材表面结构和粗糙程度不一致，对涂料的稀释程度有差异。稀释剂添加量较多时，涂料流动性较大，固化过程中溶剂挥发溢出会对涂层内部产生气孔，残留较少，影响结合强度[14]。不同稀释剂添加量下涂层经拉剪试验后，铝板板材及钛合金板材表面涂层残留情况如图4和图5所示。

由图4可知，随着稀释剂添加量增加，涂层在铝板表面残留量减少，且成型后涂层较薄。由于铝板表面较平整光滑，过稀的涂料不利于涂层在板材上的附着，只有板材中部残存少量涂层。

由图5可知，当稀释剂添加量在20%~40%范围内时，涂层分布呈现均匀致密状态，经拉剪试验后，涂层基本未脱落。随着稀释剂添加量的进一步增加，板材局部位置，涂料呈脱落状态。

2.3　涂料涂覆层数对涂层结合力影响结果

涂料涂覆层数对涂层结合力会产生一定影响，通过改变涂料的涂覆层数来反映涂料的剪切强度及涂层脱落情况。不同涂料涂覆层数下涂层的剪切强度如表3所示。

由表3可知，对于阳极化铝板，涂层涂覆层数在2-3层时，剪切强度可达2.27 MPa。对于吹砂钛合金板，当涂料涂覆层数为2层时，其剪切强度最大，为1.80 MPa。涂覆层数仅为1层时，涂层的剪切强度最低。这是由于当涂层厚度较薄时，最大剪应力位于基体内部或涂层与基体的界面处，极易导致涂层的分层失效；随着涂层厚度的增加，涂层内部的残余应力值即断裂能降低，使得涂层抗接触疲劳性能提高，结合力强度增高[15-16]。因此可见，施工工艺过程中在一定的范围内增加涂层的厚度可以提高涂层的结合力强度。在剪切作用下，涂层发生内聚断裂，有很大一部分涂层依然与涂层紧密结合。涂层经剪切强度试验后，涂层在铝板及钛合金板材表面残留情况如图6和图7所示。

表 3 不同涂料涂覆层数下涂层的剪切强度

Table 3 Shear strength of coatings under different numbers of coating layer

当涂覆层数较少时，涂层均集中在板材中部，从中部向周围开始出现较大面积局部脱落，如图6(a)所示。当涂层厚度进一步增加时，涂层在板材上的分布状态趋于均匀，残留量增大且呈现致密状态，这时涂层内部的裂纹密度与涂层厚度成反比。如图6(c)所示。当涂料涂覆层数为4层时，涂层孔隙率增加，涂层分布疏密区边界处出现裂纹，导致涂层的物理机械性能降低，出现脱层，进而影响涂层与板材的结合力强度[17]。

涂层在钛合金材料上的脱落形貌如图7所示。当涂层厚度较薄时，涂层在板材中部呈均匀分布状态，在不同部位出现不同程度的脱落，脱落周围涂层出现翘边情况，此时涂层结合力较低，如图7(a)所示。随着涂料涂覆层数的增加，涂层在板材的分布呈层状堆积状态，逐渐由均匀分布态转换为起翘鱼鳞态，如图7(b-d)所示。这是由于过厚的涂层在本身具有一定粗糙程度的板材表面，易分布不均匀而产生堆积，堆积较少区域则易出现脱层状态，堆积较厚区域则易结块，造成应力分布不均，使得涂层结合力性能下降。

2.4　固化剂添加量对涂层结合力影响结果

固化剂在涂料使用过程中用于增进或控制固化反应，能有效加快涂料的干燥固化速度，提高涂料的粘合度。不同固化剂添加量下涂层的剪切强度和涂层脱落情况如表4所示。

表 4 不同固化剂添加量下涂层的剪切强度

Table 4 Shear strength of the coating under different curing agent addition amounts

由表4可知，固化剂添加量为1%时，涂层在阳极化铝板及吹砂钛合金板上的剪切强度最低，涂层在板材上均匀分布，部分出现脱落。当固化剂添加量为2%~4%时，涂层的剪切强度较大且稳定，未发生明显变化，涂层在板材上基本未脱落。由此可见，固化剂添加量为2%时最适宜，随着固化剂添加量的增加，对涂料性能产生一定影响。实际施工过程中，固化剂的添加量对涂料的固化快慢会产生一定影响，因此需根据环境状态，按照合适比例添加固化剂，以保证施工过程的有序进行。经剪切强度试验后，涂层在铝板及钛合金板材表面残留情况如图8和图9所示。

由图8可知，涂层在铝板上的脱落情况为：不同固化剂添加量下的涂层均能大面积附着于板材表面。当固化剂添加量为4%时，涂层与板材结合边缘位置出现开裂、分层和脱落现象，如图8(d)所示。当固化剂含量过高时，由于涂料的固化时间过快，在板材表面粘接过程中可能会出现面积范围内不同区域涂料的固化程度不同，导致涂层与板材接触的边缘处出现分层开裂现象[19]。

由图9可知，固化剂添加量为1%时，涂层在板材中部小区域产生脱落，脱落周围涂层起翘，如图9(a)所示。固化剂添加量增加后，涂层与吹砂钛合金板材存在着良好的界面结合特性，均匀附着在板材表面，在剪切力的作用下，未出现局部脱落情况，如图9(b-d)所示。

3、结语

(1) 不同基材采用不同表面处理方式提高涂层结合性能，多种处理方式共用可最大限度提高涂层的结合性能；

(2) 涂膜厚度既不能太薄，也不能太厚，要严格按照涂膜的不同用途来采用不同的涂膜厚度，涂覆层数以不超过3层为佳；

(3) 隔热涂料根据不同基体类型，选择以稀释剂添加量为20%~40%，固化剂添加量为2%~3%控制涂料体系组分配比，将会使涂层结合性能达到最佳。

参考文献

[1] 姬梅梅，朱时珍，马壮.航空航天用金属表面热防护涂层的研究进展[J].表面技术，2021，50(1):1001-3660.

[2] 束树军.隔热涂料在工业防护中的研究进展[J].涂料工业，2022，52(11):77-82.

[3] 王芯玉，王刚，刘名瑞等.水性反射辐射复合隔热涂料的制备及性能研究[J].化工新型材料，2020，48(5):112-116.

[4] 王开石，匡松连.航天飞行器热防护涂层研究进展[J].宇航材料工艺，2016，46(6):1-5.

[5] 张卓，丘哲明.复合材料壳体外表面密封、隔热涂层材料的研究[J].宇航材料工艺,2003,33(3):25-28.

[6] 柳建，孟凡军，殷凤良等.热喷涂涂层与基体结合界面研究进展[J].材料工程,2017,45(1):101-110.

[7] 胡平信，刘国球.液体火箭发动机的技术发展与展望[J].导弹与航天运载技术，1998(2):10.

[8] 平文杰，王巍.一种新的疏水性环氧树脂建筑隔热涂层材料制备及应用性能[J].粘接,2025,52(9):112-115.

[9] HU F, WANG JK, SUI ZC, et al. A review on research progress of large area thermal protection structures for hypersonic vehicles[J]. Acta Astronautica,2025,232:541-556.

[10] 孙慧艳.GH907合金耐高温抗腐蚀表面防护涂层制备与性能研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2025.

[11] 姚建华，李波，张群莉等.表面预处理对超音速激光沉积Ti6Al4V涂层界面结合的影响[J].激光与光电子学进展，2024，61(1):0114004.

[12] 杨德翰，骆宗安，谢广明等.表面处理方式对钛/钢复合板界面结合性能的影响[J].东北大学学报:自然科学版，2018，39(10):1396-1401.

[13] 叮咛,李永梅,唐爽等.负压对钛与树脂粘接剂粘接性能的影响[J].北京口腔医学,2022,30(6):402-406.

[14] YI C, ROSTRON P, VAHDATI N, et al. Curing kinetics and mechanical properties of epoxy based coatings: The influence of added solvent[J]. Progress in Organic Coatings,2018,124:165-174.

[15] 朴钟宇，徐滨士，王海斗等.涂层厚度对喷涂层疲劳磨损寿命的影响[J].摩擦学学报，2010(5):5.

[16] 种南京，柳琪，李天庆等.厚质梯度 NiCoCrAlY/YSZ热障涂层的制备及结合性能[J].铸造技术，2021，42(7):555-559.

[17] 王旭,石秋生,李广荣等.隔热可磨耗封严涂层界面断裂行为的数值模拟[J].材料保护,2024,57(1):8-13.

[18] 张小锋,周克崧,张吉阜等.粗糙度对热障涂层冲蚀失效的影响及模型建立[J].无机材料学报，2014，29(3):294-300.

[19] 白强来，付佺，潘成刚等.高延伸率柔性耐烧蚀涂料拉伸性能分析[J].材料导报，2019，33(A01):485-487.

（注，原文标题：航天发动机隔热涂料与金属基体界面结合性能研究_王宇涵）

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