新型热双屏障涂层让发动机效率飙升20%

2026-03-18 科技资讯

在高温工业领域，热障涂层（TBCs）是燃气轮机和航空发动机的“守护神”，能保护涡轮叶片免受超过1700°C的燃烧气体侵蚀。然而，传统TBCs主要关注降低热传导，却在高温下忽视了辐射热传递的威胁——而辐射热随着温度升高呈四次方增长，成为效率的“隐形杀手”。

近日，一项研究提出热双屏障涂层（TDBCs），通过引入金属硅化物超材料，首次实现传导与辐射热量的双重阻断。这项技术不仅让涂层在1200°C高温下保持稳定，更模拟出20K的温度梯度提升，有望将发动机效率提高10-15%！

01 传统TBC的瓶颈：辐射热成了“漏网之鱼”

传统TBCs依赖多孔氧化钇稳定氧化锆（YSZ）降低热传导，但在1000°C以上，辐射热传递贡献超过30%的总热流。正如研究指出，“光子层面的辐射热转移长期以来被忽视”。

图1f显示，TBC性能提升对应着千亿级市场规模——2021年燃气轮机市场达1010亿美元。而图1g中，涂层冷侧通过流体冷却，热侧承受辐射负荷，这种“双环境”配置正是TDBC的设计初衷。

TDBC的核心是在YSZ基质中嵌入三层超薄金属超材料（每层50-100 nm），层间以YSZ间隔（75-100 nm）。这种设计巧妙分离了热传导和辐射抑制功能：

YSZ基质保持低热导率（0.7-1.5 W·m⁻¹·K⁻¹）；

金属层反射可见至中波红外辐射，阻断辐射热。

图3c的模拟显示，单层YSZ在1-5 μm波段透射率高，与黑体辐射谱重叠，而超材料可实现近零透射。通过混合热传递模型（图3d），团队预测理想TDBC支持额外20K温度梯度，对应显著能效提升。

高温下氧化是超材料的“阿喀琉斯之踵”。研究引入Pilling-Bedworth Ratio（PBR）作为材料筛选标准：PBR=1-2时，氧化物层形成保护性钝化膜（如TiO₂），否则易氧化或剥落。

图4a中，钛（Ti, PBR=1.7）处于保护范围，而钨（W）等虽熔点高但PBR非保护性。SEM图像（图4b-d）证实：Ti/YSZ在1000°C退火后结构完整，而W基材料严重降解。红外透射谱（图4e）显示Ti/YSZ透射率仅7%，远低于W基材料。

为进一步提升氧化抗性，团队转向金属硅化物（如TiSi₂、W₃Si₄）。这类材料通过形成低氧渗透性SiO₂钝化层，实现超强稳定性。

图5a-c中，W₃Si₄在大气中反射率几乎不变，而Ti/YSZ显著退化。图5d-f显示W₃Si₄在1200°C下结构稳定，仅顶部颗粒化。反射谱（图5g）表明再结晶反而增强金属性。

微观分析（图6）揭示机制：W₃Si₄层中W集中于中心，Si在边缘形成SiO₂钝化层，有效阻氧。

TDBCs技术不仅适用于燃气轮机，还可扩展至：

航空发动机：提升效率，延长寿命；

高温工业炉：减少能源损失；

热光伏系统：提高光热转换效率。

研究通过可扩展的薄膜沉积技术（如溅射），使TDBCs易于大规模应用，兼顾性能与成本。