涂层

cn彭科学（第一作者），昌吉学院讲师，山东大学材料学院在读博士研究生，专注于极端环境应用场景热/环境防护涂层领域的研究。

在本研究中，研究团队系统地开发并优化了膨胀型阻燃涂层和可陶瓷化涂层的配方。

在本研究中，西班牙马德里材料研究院王德义等系统地开发并优化了膨胀型阻燃涂层和可陶瓷化涂层的配方。

图2涂层表面的宏观形貌变化

图2涂层表面的宏观形貌变化在MoSi2和HfO2界面处形成了具有浓度梯度的三层结构的TGOs，涂层内部裂纹、孔隙等缺陷得到自愈合，TGOs内部的通道裂纹在第一层和第二层界面处得到阻断，如图3所示。

在整个火焰破坏过程中，涂层表面的炭层保持了良好的结构完整性与致密性，尤其是在测试后期，这可能归功于陶瓷炭层的极高热稳定性。

本研究提出了一种创新的双层阻燃涂层结构，仅数百微米厚，便实现了优异的阻燃性能。

因此，基于IFR层和陶瓷层构建的双层涂层系统，有望在火灾初期快速响应，后期提供稳定防护，从而实现出色的综合阻燃屏障效果。

基于上述背景，研究团队思考如何开发既能快速响应实现阻燃，又能经受长时间火焰暴露的涂层系统。

涂层策略是一种理想的阻燃解决方案，能在几乎不影响聚合物复合材料机械性能的前提下提升其耐火性。

•未涂层电池中锂金属和SPE均已熔化，说明其内部温度至少达到了锂金属熔点(180.5°C)；

•未涂层电池：25秒；

•涂层电池中的SPE仍保留机械强度与柔性(详见视频S6)，说明其内部温度未达到60°C。

•涂层电池：105秒。

在燃烧测试中，如图6c所示，随着火焰加热，两块电池横截面附近的温度持续上升，但涂覆双层涂层的电池升温速度明显更慢，且保持稳定，而未涂覆电池温度则一直上升。

当温度继续升高至一定程度后(如未涂层电池约38秒)，SEI层开始分解，引发OCV的第二次波动：

因此，SiOC/Ag涂层在电磁防护领域具有潜在的应用价值。

图3(a)PEC板、(b)SiOC/Ag-1涂层PEC、(d)SiOC/Ag-2涂层PEC、(d)SiOC/Ag-3涂层PEC的RCS模拟结果，(c)在入射角为-60°~60°范围内，PEC板和SiOC/Ag复合材料PEC的雷达截面模拟曲线，(f)SiOC/Ag涂层PEC在不同入射角下的雷达截面减小值。

当电磁波入射角为20°时，镀有SiOC/Ag-2涂层的PEC板的RCS降幅最大，为29.36dB·m2，镀有SiOC/Ag-3涂层的RCS降幅最大，为30.01dB·m2，表明SiOC/Ag涂层由于多重反射、导电损耗和界面极化的协同作用，具有优越的雷达隐身性能。

显然，SiOC/Ag-3涂层的PEC板（图3(e)）的雷达散射信号最弱，这与SiOC/Ag-3复合材料优越的电磁波吸收性能是一致的。

特别是，SiOC/Ag-3涂层的PEC在-60°至60°角范围内的RCS值均低于-20dB·m2。

此外，RCS仿真结果表明，在-60°~60°入射角范围内，SiOC/Ag-3涂层PEC的RCS值均低于-20dB·m2，具有较强的雷达隐身性能。

对于未涂覆的PU泡沫样品，如图3a所示，仅与火焰接触1秒便出现大面积火焰，而涂覆了涂层的样品未立即被点燃或碳化，说明基于硅橡胶的涂层材料比PU基体具有更好的热稳定性。

基于上述结果，30G2T6Z2A被认为是构建陶瓷涂层的最佳候选配方。

当陶瓷涂层遭受火焰攻击时，虽然先形成了残余层，但很快被烧穿，导致部分PU基体直接暴露于火焰下，从而引发强烈燃烧现象，如10秒时出现的大火。

至于测试中观察到的较高的总热释放(THR)和总烟释放(TSR)值，则可能与双层涂层材料自身的热分解与燃烧行为有关。

为了扩大所构建的双层涂层在实际中的应用潜力，研究者将厚度仅为数百微米的双层涂层施加在铝板表面，并进行了燃烧穿透测试。

因此，本研究将双层阻燃涂层施加于广泛应用于轻质结构承载场合的玻纤增强环氧树脂(GFEP)表面。

为了进一步评估不同涂层形成的隔热层的热绝缘性能，研究者将炭化残渣从PU基体中小心分离，图3i–k展示了基体的碳化程度。

所有这些数据充分证明，由双层涂层形成的炭层不仅具备极佳的热稳定性与隔热性能，还能显著提高铝板的抗火烧保护效率。

此外，图S14e进一步表明，双层涂层形成的热屏障层显著延长了达到关键温度所需的时间，这意味着在火灾环境中，GFEP复合材料的结构完整性能维持更长时间。

该双层涂层的优异性能源于膨胀炭层的气相猝熄与稀释作用以及陶瓷层的高致密性与热稳定性，机制明确，结构设计合理，未来可广泛推广至其他聚合物基涂层体系中，用于多场景下的高效阻燃防护。

双层涂层GFEP在燃烧开始15秒后火焰变弱

为应对这一挑战，已有研究尝试使用超过1毫米厚度的涂层，但这无疑会降低材料的强度-重量比。

首先值得注意的是，双层涂层显著降低了样品在燃烧初期的火焰强度。

双层涂层明显抑制了质量损失的趋势，说明形成的炭层具备良好的隔热性，减缓了PU基体的热分解速度。

对于总热释放(THR)和总烟释放(TSR)，PU与双层PU样品之间的差异并不明显，这是因为该涂层本身较薄，主要起到的是延迟与抑制分解燃烧的作用。

从图S14还可看出，双层涂层显著抑制了GFEP背面的碳化程度。

其主要机制在于：双层涂层分别在气相与凝聚相中改变了质量损失与燃烧行为：在凝聚相方面：所形成的炭层显著延缓EP基体的热分解过程，如图S16d中质量损失曲线所示，涂层抑制了最大分解速率；

在高温火焰(1200–1400°C)下，涂层能在10秒内实现自熄，并有效抑制基底材料如聚氨酯泡沫、铝片和玻纤增强环氧树脂的烧蚀和碳化，显著提升了其点燃时间、炭残率、热释放性能等火灾安全指标。

在10秒火焰攻击期间，未涂层PU泡沫的燃烧强度迅速增加，原因在于其富含可燃碳链结构且具有多孔性结构。

通过施加阻燃涂层，材料表面形成一层保护层，有效隔绝热量和氧气这两种燃烧所必需的关键要素。

双层涂层的级联响应实现了快速响应与长效保护。

膨胀型阻燃涂层在高温下会膨胀形成炭层，这些炭层作为热屏障，有效保护下层材料免受热量侵袭。

这类涂层在火灾或高温条件下发生化学反应，形成致密的陶瓷层，从而保护下层基材。

为了评估双层阻燃涂层对全固态软包电池(SPB)的保护作用，研究者搭建了如图6a所示的实验系统，通过热红外相机进行温度监测，同时使用万用表测量开路电压(OCV)，该电压是判断电池是否短路的重要参数。

为进一步验证双层涂层的保护效果，两块电池在2小时内于手套箱中拆解。

令人惊讶的是，测试结果表明，该超薄的双层涂层对铝基体提供了卓越的保护性能。

而在涂层SPB中，由于受到双层涂层保护，SEI分解不充分，因此电池保持完整。

（3）涂层中玻璃相的生成及流动促进了MoSi2和HfO2层中缺陷的自愈合。

最终，未涂层SPB在约58秒出现短路，而涂层SPB在126秒后的电压仍能两次重新稳定，充分说明双层涂层的隔热作用延缓了SEI分解的时间。

这说明未涂层SPB的电解质一开始就已熔化，而涂层SPB则因双层涂层的隔热作用，延迟了105秒才开始熔化。

目前，膨胀型阻燃涂层(IFR)和可陶瓷化涂层是两种典型的防火解决方案，它们各自具有独特的作用机制和性能表现。

对于总热释放(THR)和总烟释放(TSR)，PU与双层PU样品之间的差异并不明显，这是因为该涂层本身较薄，主要起到的是延迟与抑制分解燃烧的作用。

膨胀型阻燃涂层与可陶瓷化涂层各自的优缺点启发研究团队设计出一种双层结构涂层，利用“接力式响应”机制(relayresponse)，使涂层在整个火灾过程中的各阶段都能保持有效防护作用。

为了评估双层阻燃涂层对全固态软包电池(SPB)的保护作用，研究者搭建了如图6a所示的实验系统，通过热红外相机进行温度监测，同时使用万用表测量开路电压(OCV)，该电压是判断电池是否短路的重要参数。

该双层涂层的优异性能源于膨胀炭层的气相猝熄与稀释作用以及陶瓷层的高致密性与热稳定性，机制明确，结构设计合理，未来可广泛推广至其他聚合物基涂层体系中，用于多场景下的高效阻燃防护。