聚硅氮烷：高温防腐涂层的革新性材料

聚硅氮烷是一种以硅-氮（Si-N）键为主链的有机-无机杂化聚合物，其分子由硅、氮、碳三种元素构成。这种独特的分子结构赋予了聚硅氮烷卓越的性能，使其在众多材料中脱颖而出。它同时具备硅的化学稳定性、耐高温性、耐腐蚀性和疏水性，以及氮的化学惰性和疏水性。与大多数有机聚合物相比，有机聚硅氮烷（OPSZ）在热稳定性、机械性能和化学稳定性方面表现更为出色。

有机聚硅氮烷不仅具备高硬度，固化后硬度可达到8H以上，还拥有极强的附着力。其优异的抗氧化、防腐蚀、绝缘、阻燃、隔热、耐磨和疏水等特性，使其理论耐高温极限可达1800℃。在800-1000℃的高温环境下，聚硅氮烷会发生转变，转化为无机聚硅氮烷（PHPS），原位生成Si-C-N等无定形态陶瓷致密涂层。当温度升至1400℃以上时，聚硅氮烷可部分生成碳化硅（SiC）和氮化硅（Si₃N₄）等陶瓷材料。这些陶瓷材料在高温炉组件、燃气轮机部件和切削工具等领域有着广泛的应用。

聚硅氮烷的分子结构还使其能够与基材表面形成紧密的结合。其分子中的NH基团可以与基材表面的极性基团（如-OH）发生反应，固化后形成三维交联结构，并以共价键形式与基材紧密结合。这种结合方式将涂层与钢铁基体连成一体，为基材提供电化学保护和物理屏蔽作用。

为了进一步提升聚硅氮烷涂层的性能，可以通过添加适当的填料来实现。常用的填料包括碳化硅（SiC）、氮化硅（Si₃N₄）、氮化硼（BN）或氧化铝（Al₂O₃）等。这些填料的加入可以降低热解过程中涂层的体积收缩，减少裂纹和孔隙等缺陷，从而进一步提升涂层的耐高温和隔热效果。经过测试，涂覆了有机聚硅氮烷树脂的钢材，即使经过2400小时的冷凝水测试，仍无腐蚀迹象，这充分证明了聚硅氮烷涂层的优异耐腐蚀性能。

目前，以聚硅氮烷为主要原料的商品化耐高温防腐涂层材料，已广泛应用于汽车、卡车的引擎、排气管、活塞、热交换器，以及工业高温炉和防火隔热材料等军民两用领域。在这些应用中，聚硅氮烷涂层能够有效保护设备免受高温、腐蚀等恶劣环境的侵蚀，延长设备的使用寿命，提高设备的可靠性和安全性。

宁德森宝新材料科技有限公司及其硅基新材料研究院，组织专业团队，基于聚硅氮烷树脂优异的综合性能，针对石油化工、能源动力、冶金及航空航天等领域转型升级对高温防腐涂层的新需求，开展关键技术攻关。其研发工作围绕两大核心目标展开。

核心性能的保留与提升

在研发过程中，团队致力于在最大限度保留并提升聚硅氮烷固有的耐高温、抗氧化、防腐蚀、防锈、耐候、耐磨、抗辐射、阻燃、隔热及与金属等底材优异附着力的前提下，重点改善其热解固化过程中的体积收缩率，并增强涂层的耐酸碱性、热稳定性及柔韧性。聚硅氮烷的长期使用温度可达400℃至1000℃以上，经改性后理论耐温极限可达1800℃，固化后硬度可达8H-9H。通过优化配方和工艺，团队成功降低了涂层的体积收缩率，减少了涂层在高温下的开裂和剥落现象，同时提高了涂层的耐酸碱性，使其能够在更恶劣的化学环境中稳定工作。

关键技术途径与防护机理

为实现上述目标，研究团队从多方面入手，主要技术路径包括：

引入填料减少缺陷

通过在聚硅氮烷先驱体中引入氧化锆、玻璃粉、氮化硼（BN）等惰性填料，可以有效填补涂层在高温陶瓷化过程中可能产生的裂纹。这些填料的加入不仅减少了热解时的体积收缩，还提高了涂层的致密性、热稳定性及与基材的附着力，降低了涂层缺陷的几率。例如，氮化硼具有优异的导热性和化学稳定性，能够有效改善涂层的热性能，提高涂层的耐高温性能。

应用阴极保护原理

采用牺牲阳极的阴极保护法，在涂层体系中加入比铁还原性更强的金属（如锌）或合金。这些活泼材料作为阳极优先被氧化腐蚀，从而保护作为阴极的钢铁基体设备发生还原反应，延长其使用寿命。这种保护方法简单有效，能够为钢铁设备提供持久的保护。

控制氯离子腐蚀

针对高温下氯离子侵入引发的点蚀、应力腐蚀等问题，改性后的聚硅氮烷涂层在温度≥400℃时，能使侵入的氯化铵（NH₄Cl）分子解离为氯化氢（HCl）和氨气（NH₃）挥发，或部分氯被氮替代。冷却后重新生成的氯化铵，其残留氯离子在潮湿环境中可被游离氨损耗，从而使涂层内部始终保持氯离子浓度低于25ppm，有效避免氯离子富集到达金属表面，防止一系列氯化物腐蚀反应的发生，确保金属设备的高温安全运行。