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“包氏三步法”化解陶瓷涂层“三无”难题

作者:admin 发布时间:2019-08-06 19:36 浏览:

  一提到涂层,老百姓往往想到的是油漆、塑料薄膜▷•●等。不管是在科○▲-•■□技、国防还是民用领域,随着技术的进步,人们对工程材料表面性能要求越来越高,涂层正发挥着越来越重要的作用。

  作为一种重要的现代表面处理技术和材料复合技术,涂层与基体形成的复合体,可使它们在性能上“取长补短”。例如陶瓷涂层复合构件具有耐高温、耐磨损、耐腐蚀等特性,广泛地应用于石油化工、国防军工、航天▼▲航空、机械电子等领域。

  然而时至今日,人们对陶瓷涂层的认识还不能说了如指掌。对各种陶瓷涂层物理性能的准确评价,一直是◆●△▼●困扰国内外工程界的难题。

  经过多年潜心研究,中国建材检验认证集团股份有限公司(国检集团)首席科学家、教授包亦望设计了一套巧妙的技术方法,在国际上率先突破了陶瓷涂层物理性能检测的难题。

  随着近几十年国民经济的飞速发展,我国陶瓷涂层领域的研究也有了长足的进步。在陶瓷涂层的研究和应用领域,特别是在航天航空和发动机等高温机械方面,国内的发展速度越来越快。

  “可是,无论国内还是国外,陶瓷涂层性能评价技术的发展还远远跟不上涂层研发和应用推广的速度。这严重制约了涂层设计安全和应用可靠性的提高。”包亦望说。

  对于陶瓷涂层而言,物理性能直接关系到涂层设计和制备以及▪•★应用过程中的可靠性和耐久性。例如,涂层的弹性模量直接关系到内应力的计算;膨胀系数影响热应力和界面可靠性;热导率是检验热障涂层的关键指标;残余应力评价更是判别构件强度和抗损伤能力的重要指标。

  陶瓷涂层通常很难从基体上直接剥离,因此无法作为单独块体试样进行各种物理性能测试。很多情况下,科研人员都是用同类块体材料的性能检测数据代替涂层的性能,但这样做的误差很大。陶瓷涂层的物理性能评价成了国内外陶瓷涂层及其相关领域亟待解决的问题。

  由于这一领域的重要战略意义,各国都希望在涂层检测技术上抢先一步占领制高点。如日本政府专门成立陶瓷涂层技术委员会进行攻关研究,意大利国家研究委员会陶瓷研究所、德国航空太空中心等机构也在热障涂层领域开展了大量研究。

  然而各方的研究均进展缓慢。直到本世纪初,陶瓷涂层的性能检测一直▲●…△处于无方法、无标准、无设备的“三无”★-●=•▽状态。2010年,国际标准组织先进陶瓷技术委员会专门成立了陶瓷涂层工作组,向全球征集关于陶瓷涂层的评价方法和技术。

  这样的现状,让包亦望感到危机与机遇并存。“我们国家在陶瓷涂层的研究方面长期处于跟跑阶段,近年来才有所起色。如果我们能够在涂层性能检测上取得关•☆■▲键突破,将是为国家赢得先机的绝佳机会。”

  能不能通过容易测试的参数,来计算难以测试的参数?包亦望一直在思考这个问题。在他的构想中,虽然涂层本身的性能难以测试,但是基体材料的性能和镀涂层后的复合体的性能均能通过常规方法和标准测试获得。“如果这两个性能参数与涂层的性能之间存在解析关系,我们是不是就可以直接计算出涂层的性能了?”

  基于这一思路,针对每一项物理性能,建立和推导基◇…=▲体、复合体和涂层三者之间关系就成为最为关键的课题。

  经过多年潜心研究,包亦望在大量力学建模和数学推导后逐个确定了涂层性能的计算公式,陆续解决了陶瓷涂◆▼层的弹性模量、强度、密度、膨胀系数、导热系数、界面结合强度以及残余应力等系列性能评价与测试难题。

  他和团队成员进一步将这些技术突破进行凝练,最终形成了一套“包氏三步法”的测试方法。这套测试▼▼▽●▽●方法在操作上简单易行,最多只需要三个步骤基体材料性能测试、复合体性能测试、涂层性◁☆●•○△能计算。

  “基体和复合体的性能均是采用常规的方法和标准,都没有难度,只要通过第三步计算,就可以用传统的测试技术来评价难以测试的材料性能,也就是所谓的老技术、新方法。”包亦望说,他们还针对各种涂层性能,给出了一套计算公式参照表,这样人们就▲★-●可以用传统的方法,轻松实现涂层性能评价。

  此外,如果基体的性能是已知的,三步法还可以进一步简化为两步法;对多层涂层,则可以重复这种步骤,得到下一层的性能。

  在工程应用中,包氏三步法还可以推广应用到其他表面性能评价领域。例如,要评价混凝土表面的腐蚀和岩石表◆◁•面的风化,可以把表面腐蚀层看作一涂层,用三步法可以评价该腐蚀层的性能和腐蚀损伤速度,以及超高温极端环境下的力学性能评价。

  又如,对当前在电子工业和手机领域广泛应用的超薄•□▼◁▼玻璃的性能评价,由于其性能检测不能用与块体玻璃相同的方法,也可以将玻璃粘贴在金属表面看作是一涂层,利用涂层的物理性能测试方法确定超薄玻璃的各种性能。这种借鉴移植涂层测试技术用于解决其他材料性能评价的方法也称为拟涂层法。

  10年前,包亦望被任命为国际标准组织先进陶瓷技术委员会历史上首个以中国为召集国的工作组组长,同时连续四届担任全国工业陶瓷标准化技术委员会副主任委员。他深刻地认识到,虽然这种陶瓷涂层的性能测试方法简单易用,但毕竟检测技术不是一种产品,很难直接转化。“科研成果从引用到应用是道坎儿,测试技术推广应用最有效的途径还是标准化。”

  近年来,包亦望团队集中力量致力于标准的制定,最终他们的涂层测试法受到国际和国内专家的认可,先后被制定成系列国际标准和3项国家标准。这些标准的发布,对于指导涂层设计及工艺优化、陶瓷涂层的结构设计与计算、陶瓷涂层构件的服役安全性与寿命预测均具有重要意义。

  由于对推动标准建立做出的突出贡献,2014年,包亦望被中●国标协评为“国际标准化十佳推动者”;2018年获中国标准创新贡献一等奖,成为我•●国无机材料领域的首例。

  最近,这一成果还成功走向了海☆△◆▲■外。3月5日,包亦望团队申请的国际发明专利“涂层残余应力试验方法与装置”在美国获得授权。该专利技术应用极为广泛,如石油化工、国防军工、航天航空、机械电子等领域,不仅在国际上建立了新的涂层残余应力测试方法,还研制设计了多功能涂层膨胀系数和残余应力测试系统,突破性地解决了涂层材料残余应力测试这一国际性难题。

  至此,包亦望带领团队成功地将自有专利技术研究成果转化为国际标准,并逐步建立了一套结构陶瓷力学性能测试与评价技术标准体系,率先在国◆■际上取得陶瓷涂层材料物理性能评价领域的标准领先优势,也将我国建材行业的知识产权技术成功推上国际舞台,开创了一条拥有中国创新技术的国际化新路。


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