Research progress in reusable radiant thermal protection coatings on rigid ceramic insulation tiles

Linlin GUO, Chengpeng MIAO, Jinjun ZHANG, Jiangtao LI, Xin TAO, Mingchao WANG, Haiyan DU, Jiachen LIU

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Journal of Materials Engineering ›› 2025, Vol. 53 ›› Issue (6) : 105-116. DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2024.000590
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Research progress in reusable radiant thermal protection coatings on rigid ceramic insulation tiles

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Abstract

Radiation thermal protection coating based on rigid ceramic fiber insulation tile is a thermal protection system widely used in spacecraft， and improving its reusable performance such as emissivity， impact resistance， and thermal shock resistance has always been a research focus. This article reviews the research progress on the structural design and material improvement of radiation thermal protective coatings for rigid ceramic fiber insulation tiles under the background of diversified performance optimization. The structural design approach and composition adjustment ideas of radiation thermal protective coatings are analyzed， from single-layer dense structure to multi-layer gradient structure and scaly structure，and the advantages and existing problems of radiant thermal protection coatings with different structures are summarized. Finally， it is pointed out that multilayer gradient structure coatings， due to their comprehensive advantages of dense top layer and porous gradient structures and their adjustability， are still the mainstream of current research. In the future， radiant thermal protection coatings should further optimize the integrated design of thermal insulation， and conduct research on the impact of structure and composition on performance in service simulation environments.

Key words

radiant thermal protection coating / rigid ceramic insulation tile / reusable / multilayer gradient structure

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Linlin GUO , Chengpeng MIAO , Jinjun ZHANG , et al . Research progress in reusable radiant thermal protection coatings on rigid ceramic insulation tiles. Journal of Materials Engineering. 2025, 53(6): 105-116 https://doi.org/10.11868/j.issn.1001-4381.2024.000590

References

List( Publishing order | Descend order by publishing year | Descend order by cited within ) Chart analysis
[1]
李俊宁，冯志海，张大海，等 ．可重复使用热防护材料研究进展［J］．宇航材料工艺，2024，54（2）：1-10．
LI J N， FENG Z H， ZHANG D H，et al ．Reusable thermal protection materials：a review［J］．Aerospace Materials & Technology，2024，54（2）：1-10．
本文引用 [1]
[2]
冯志海，师建军，孔磊，等 ．航天飞行器热防护系统低密度烧蚀防热材料研究进展［J］．材料工程，2020，48（8）：14-24．
FENG Z H， SHI J J， KONG L，et al ．Research progress in low-density ablative materials for thermal protection system of aerospace flight vehicles［J］．Journal of Materials Engineering，2020，48（8）：14-24．
本文引用 [1]
[3]
向阳，莫琛，彭志航，等 ．防隔热一体化TPS材料制备及耐高温性能［J］．材料工程，2023，51（8）：207-214．
XIANG Y， MO C， PENG Z H，et al ．Preparation and high temperature resistance property of TPS material with integrated thermal insulation［J］．Journal of Materials Engineering，2023，51（8）：207-214．
本文引用 [1]
[4]
STEYER T E ．Shaping the future of ceramics for aerospace applications［J］．International Journal of Applied Ceramic Technology，2013，10（3）：389-394．
本文引用 [1]
[5]
HE X D， LI Y， WANG L，et al ．High emissivity coatings for high temperature application： progress and prospect［J］．Thin Solid Films，2009，517（17）：5120-5129．
[6]
黄竑翔，王峰，贺智勇，等 ．飞行器用防热材料的研究进展［J］．硅酸盐通报，2021，40（2）：638-644．
HUANG H X， WANG F， HE Z Y，et al ．Development of thermal protective materials for aircraft［J］．Bulletin of the Chinese Ceramic Society，2021，40（2）：638-644．
本文引用 [1]
[7]
陶鑫 ．MoSi2-（TaSi2-SiC-）玻璃基辐射式防热涂层的制备和性能研究［D］．天津：天津大学，2018．
TAO X ．Preparation and properties of high emissivity MoSi2-（TaSi2-SiC-）borosilicate glass coatings on insulation tiles for thermal protection［D］．Tianjin：Tianjin University，2018．
本文引用 [2]
[8]
UYANNA O， NAJAFI H ．Thermal protection systems for space vehicles： a review on technology development， current challenges and future prospects［J］．Acta Astronautica，2020，176：341-356．
本文引用 [1]
[9]
杨杰，隋学叶，刘瑞祥，等 ．航天飞机及高超飞行器用刚性隔热材料研究进展［J］．现代技术陶瓷，2015，36（3）：25-29．
YANG J， SUI X Y， LIU R X，et al ．The research development of rigid insulation materials for the space shuttle and hypersonic aircraft［J］．Advanced Ceramics，2015，36（3）：25-29．
本文引用 [1]
[10]
陈玉峰，洪长青，胡成龙，等 ．空天飞行器用热防护陶瓷材料［J］．现代技术陶瓷，2017，38（5）：311-390．
CHEN Y F， HONG C Q， HU C L，et al ．Ceramic-based thermal protection materials for aerospace vehicles［J］．Advanced Ceramics，2017，38（5）：311-390．
本文引用 [2]
[11]
郭琳琳，陶鑫，郭安然，等 ．刚性陶瓷隔热瓦涂层的发展及其表面性质［J］．材料导报，2016，30（10）：119-126．
GUO L L， TAO X， GUO A R，et al ．Coatings on rigid ceramic insulations： evolution and surface properties［J］．Materials Review，2016，30（10）：119-126．
本文引用 [1]
[12]
SHAO G F， WU X D， CUI S，et al ．Design， formation， and property of high emissivity WSi2-Si-glass hybrid coating on fibrous ZrO2 ceramic for reusable thermal protection system［J］．Solar Energy Materials and Solar Cells，2017，172：301-313．
本文引用 [5]
[13]
JONES J M， MASON P E， WILLIAMS A ．A compilation of data on the radiant emissivity of some materials at high temperatures［J］．Journal of the Energy Institute，2019，92（3）：523-534．
本文引用 [1]
[14]
XIANG H M， DAI F Z， ZHOU Y C ．Secrets of high thermal emission of transition metal disilicides TMSi2（TM=Ta，Mo）［J］．Journal of Materials Science & Technology，2021，89（30）：114-121．
本文引用 [1]
[15]
郭琳琳 ．溶胶基MoSi2系辐射式防热涂层的制备和性能研究［D］．天津：天津大学，2021．
GUO L L ．Preparation and properties of sol-bonded MoSi2-based radiative thermal protection coatings［D］．Tianjin：Tianjin University，2021．
本文引用 [4]
[16]
SONG J T， CHENG Y， XIANG H M，et al ．Medium and high-entropy transition mental disilicides with improved infrared emissivity for thermal protection applications［J］．Journal of Materials Science & Technology，2023，136：149-158．
本文引用 [1]
[17]
FLETCHER J C， GOLDSTEIN H B， LEISER D B ．Reaction cured glass and glass coatings：US4093771［P］．1978-06-06．
本文引用 [1]
[18]
SOLEVJEVA G A， TJURIN V M， SOLNTSEV S S ．Single-layer high temperature coating on a ceramic substrate and its production：US5518778［P］．1996-05-21．
本文引用 [1]
[19]
WU Y B， HE X D， LI M W，et al ．Microstructure and properties of high emissivity coating for fibrous insulation composites［J］．Rare Metal Materials and Engineering，2012，41（）：323-325．
本文引用 [1] 摘要
Suppl 3
[20]
TAO X， XU X J， GUO L L，et al ．MoSi2-borosilicate glass coating on fibrous ceramics prepared by in-situ reaction method for infrared radiation［J］．Materials & Design，2016，103：144-151．
本文引用 [4]
[21]
TAO X， LIU J C， XU X J，et al ．Comparative study of MoSi2-borosilicate glass coatings on fibrous ceramics prepared by in-situ reaction method and two-step method［J］．Journal of Alloys and Compounds，2016，684：488-495．
[22]
TAO X， XU X J， XU X Q， et al ．Self-healing behavior in MoSi2/borosilicate glass composite［J］．Journal of the European Ceramic Society，2017，37（2）：871-875．
本文引用 [1]
[23]
计延琦，朱时珍，马壮，等 ．玻璃成分对MoSi2-SiB6-玻璃高发射涂层性能的影响［J］．硅酸盐通报，2019，38（10）：3221-3228．
JI Y Q， ZHU S Z， MA Z，et al ．Effect of glass composition on properties of MoSi2-SiB6-glass high emission coating［J］．Bulletin of the Chinese Ceramic Society，2019，38（10）：3221-3228．
本文引用 [1]
[24]
孙陈诚，何雅玲，王晓婷，等 ．高辐射涂层对刚性隔热瓦性能的影响［J］．宇航材料工艺，2018，48（3）：42-46．
SUN C C， HE Y L， WANG X T，et al ．Effects of coating on performance rigid tile［J］．Aerospace Materials & Technology，2018，48（3）：42-46．
本文引用 [1]
[25]
HE D L， OU D B， GAO H，et al ．Thermal insulation and anti-vibration properties of MoSi2-based coating on mullite fiber insulation tiles［J］．Ceramics International，2022，48（2）：1844-1850．
本文引用 [1]
[26]
李晓雷，张驰，王萌，等. 新型MoSi2-Al2O3-SiO2系耐高温高发射涂层的热膨胀系数调控［J］．稀有金属材料与工程，2015，44（）：200-203．
摘要
增刊1
LI X L， ZHANG C， WANG M，et al ．Preparation and thermal expansion coefficient control of MoSi2-Al2O3-SiO2 coating with high temperature resistance and emissivity［J］．Rare Metal Materials and Engineering，2015，44（）：200-203．
本文引用 [1] 摘要
Suppl 1
[27]
SHAO G F， LU Y C， WU X D，et al ．Preparation and thermal shock resistance of high emissivity molybdenum disilicide- aluminoborosilicate glass hybrid coating on fiber reinforced aerogel composite［J］．Applied Surface Science，2017，416：805-814．
本文引用 [1]
[28]
STEWART D A， LEISER D B， DIFIORE R R，et al ．High efficiency tantalum-based ceramic composite structures：US7767305B1［P］．2010-08-03．
本文引用 [1]
[29]
林浩，冯军宗，姜勇刚，等 ．SiCO陶瓷隔热复合材料TaSi2-MoSi2硼硅酸盐玻璃涂层制备与性能［J］．宇航材料工艺，2016，46（5）：42-45．
LIN H， FENG J Z， JIANG Y G，et al ．Preparation and properties of TaSi2-MoSi2 borosilicate glass coating for SiCO ceramic heat insulation composite［J］．Aerospace Materials & Technology，2016，46（5）：42-45．
本文引用 [1]
[30]
TAO X， LI X T， GUO L L，et al ．Effect of TaSi2 content on the structure and properties of TaSi2-MoSi2-borosilicate glass coating on fibrous insulations for enhanced surficial thermal radiation［J］．Surface and Coatings Technology，2017，316：122-130．
本文引用 [1]
[31]
TAO X， LIANG Z L， LI J C，et al ．Anti-oxidation of emissing agents in TaSi2-MoSi2-borosilicate glass high emissivity coating［J］．Ceramics International，2022，48（24）：37333-37343．
本文引用 [1]
[32]
李俊峰，罗正平 ．硅化钽/硅化钼基热防护涂层短时高温结构演化［J］．稀有金属材料与工程，2020，49（2）：712-717．
LI J F， LUO Z P ．Microstructure evolution of TaSi2-MoSi2 based thermal protecting coatings with high emissivity［J］．Rare Metal Materials and Engineering，2020，49（2）：712-717．
本文引用 [1]
[33]
YANG X K， WAN Y G， LI J C，et al ．High emissivity MoSi2-SiC-Al2O3 coating on rigid insulation tiles with enhanced thermal protection performance［J］．Materials，2024，17：220．
本文引用 [1]
[34]
LI X F， FENG J Z， JIANG Y G，et al ．Preparation and properties of TaSi2-MoSi2-ZrO2-borosilicate glass coating on porous SiCO ceramic composites for thermal protection［J］．Ceramics International，2018，44（16）：19143-19150．
本文引用 [2]
[35]
LI X F， FENG J Z， JIANG Y G，et al ．Preparation and anti-oxidation performance of Al2O3-containing TaSi2-MoSi2-borosilicate glass coating on porous SiCO ceramic composites for thermal protection［J］．RSC Advances， 2018， 8：13178-13185．
本文引用 [2]
[36]
LI M W， SUN Y L， ZENG G，et al ．Study on sintering behavior of reaction-cured glass coating： coatings［J］．Coatings，2023，13：463．
本文引用 [1]
[37]
CAPECE A M， KINMONTH R， CHUMAKOV M，et al. Failure analysis of a thermal tile on the space shuttle Columbia［J］．Journal of Failure Analysis and Prevention，2006，6（1）：55-60．
本文引用 [2]
[38]
FLETCHER J C， PECHMAN A， BEASELEY R M ．Two-component ceramic coating for silica insulation：US3953646［P］．1976-04-27．
本文引用 [1]
[39]
FLETCHER J C， PECHMAN A， BEASELEY R M ．Three-component ceramic coating for silica insulation：US3955034［P］．1976-05-04．
本文引用 [1]
[40]
BEGGS J M， STEWART D A， GOLDSTEIN H E，et al ．High temperature glass thermal control structure and coating：US4381333［P］．1983-04-26．
本文引用 [1]
[41]
LEISER D B， CHERCHWARD R， KATAVALA V，et al ．Advanced porous coating for low-density ceramic insulation materials［J］．Journal of the American Ceramic Society，1989，72（6）：1003-1010．
本文引用 [1]
[42]
武勇斌，赫晓东，李军 ．陶瓷隔热瓦表面SiO2-B2O3-MoSi2-SiB4涂层的制备与性能研究［J］．航天制造技术，2012，30（5）：6-9．
WU Y B， HE X D， LI J ．Preparation and properties of SiO2-B2O3-MoSi2-SiB4 coating for ceramic insulation tile［J］．Aerospace Manufacturing Technology，2012，30（5）：6-9．
本文引用 [3]
[43]
SHAO G F， WU X D， KONG Y，et al ．Thermal shock behavior and infrared radiation property of integrative insulations consisting of MoSi2/borosilicate glass coating and fibrous ZrO2 ceramic substrate［J］．Surface and Coatings Technology，2015，270：154-163．
本文引用 [6]
[44]
SHAO G F， WU X D， CUI S，et al ．High emissivity MoSi2-ZrO2-borosilicate glass multiphase coating with SiB6 addition for fibrous ZrO2 ceramic［J］．Ceramics International，2016，42（7）：8140-8150．
本文引用 [4]
[45]
SHAO G F， WU X D， KONG Y，et al ．Microstructure， radiative property and thermal shock behavior of TaSi2-SiO2-borosilicate glass coating for fibrous ZrO2 ceramic insulation［J］．Journal of Alloys and Compounds，2016，663：360-370．
本文引用 [1]
[46]
SHAO G F， WANG Q Q， WU X D，et al ．Evolution of microstructure and radiative property of metal silicide-glass hybrid coating for fibrous ZrO2 ceramic during high temperature oxidizing atmosphere［J］．Corrosion Science，2017，126：78-93．
本文引用 [1]
[47]
SHAO G F， WU X D， CUI S，et al ．High emissivity MoSi2-TaSi2-borosilicate glass porous coating for fibrous ZrO2 ceramic by a rapid sintering method［J］．Journal of Alloys and Compounds，2017，690：63-71．
本文引用 [1]
[48]
管弦，邵高峰，崔升，等 ．高温快速热处理法制备梯度多孔硅化物-玻璃涂层及性能研究［J］．南京工业大学学报（自然科学版），2018，40（5）：48-53．
GUAN X， SHAO G F， CUI S，et al ．Preparation and performance of gradient porous silicide-glass coating by high temperature rapid sintering［J］．Journal of Nanjing University of Technology （Natural Science Edition），2018，40（5）：48-53．
本文引用 [1]
[49]
SHAO G F， LU Y C， HANAOR D A H，et al ．Improved oxidation resistance of high emissivity coatings on fibrous ceramic for reusable space systems［J］．Corrosion Science，2019，146：233-246．
本文引用 [3]
[50]
孙宇雷 ．SiO2-Al2O3隔热瓦表面硼硅玻璃涂层热震行为研究［D］．哈尔滨：哈尔滨工业大学，2018．
SUN Y L ．Study on thermal shock behavior of borosilicate glass coating on SiO2-Al2O3 insulation tile［D］．Harbin：Harbin Institute of Technology，2018．
本文引用 [1]
[51]
孙宇雷，李明伟，钟业盛，等 ．热暴露对陶瓷隔热瓦表面硼硅玻璃涂层组织的影响［J］．表面技术，2019，48（1）：83-89．
SUN Y L， LI M W， ZHONG Y S，et al ．Effect of thermal exposure on microstructure of borosilicate glass coating on ceramic insulation tile［J］．Surface Technology，2019，48（1）：83-89．
本文引用 [1]
[52]
XIAN L， TAO X， DONG W，et al ．Gradient MoSi2-borosilicate glass high emissivity coating with enhanced contact and impact damage resistance［J］．Ceramics International，2018，44（14）：16333-16341．
本文引用 [1]
[53]
GUAN X Y， XU X J， HONG W H，et al ．Double-layer gradient MoSi2-borosilicate glass coating prepared by in-situ reaction method with high contact damage resistance and interface bonding strength［J］．Journal of Alloys and Compounds，2020，822：153720．
本文引用 [1]
[54]
WANG M， LI X L， SU D，et al ．Effect of glass phase content on structure and properties of gradient MoSi2-BaO-Al2O3-SiO2 coating for porous fibrous insulations［J］．Journal of Alloys and Compounds，2016，657：684-690．
本文引用 [1]
[55]
WANG M， LI X L， JI H M，et al ．Effect of silica sol content on the structure and properties of MoSi2-BaO-Al2O3-SiO2 coating［J］. Integrated Ferroelectrics，2016，170（1）：50-56．
本文引用 [1]
[56]
WANG Y C， SU D， JI H M，et al ．Gradient structure high emissivity MoSi2-SiO2-SiOC coating for thermal protective application［J］. Journal of Alloys and Compounds，2017，703：437-447．
本文引用 [1]
[57]
李伶，张文苑，隋学叶，等 ．陶瓷隔热瓦耐高温高辐射率涂层的制备及表征［J］．现代技术陶瓷，2016，37（2）：131-137．
LI L， ZHANG W Y， SUI X Y，et al ．Preparation and characterization of high temperature resistant and high emissivity multi-component coating for ceramic insulation tile［J］．Advanced Ceramics，2016，37（2）：131-137．
本文引用 [1]
[58]
GUO L L， TAO X， GONG Z，et al ．Preparation of MoSi2-SiC-Al2O3-SiO2 coating on mullite fibrous insulation with silica sol as binder by non-firing process［J］．Ceramics International，2019，45（2）：2602-2611．
本文引用 [1]
[59]
GUO L L， LI Y， HU X X，et al ．Microstructure evolution and bonding mechanisms of silica sol bonded coating at elevated temperatures［J］．Journal of the European Ceramic Society，2020，40（15）：5051-5058．
本文引用 [1]
[60]
黄秀波，张凡，赵英民，等 ．Al2O3基多孔隔热材料表面Al2O3/MoSi2涂层的制备及其性能［J］．复合材料学报，2020，37（11）：2870-2876．
HUANG X B， ZHANG F， ZHAO Y M，et al ．Preparation and properties of Al2O3/MoSi2 coating on Al2O3 base porous insulation materials［J］．Acta Materiae Compositae Sinica，2020，37（11）：2870-2876．
本文引用 [1]
[61]
TANG D， GU H， XU M，et al ．Ultra-flexible inorganic coating realized by scale-like nanosheets［J］．Surface and Coatings Technology，2024，483：130757．
本文引用 [1]
[62]
QIU S， SU F， ZHOU Y，et al ．Multi-scale ceramic self-extinguishing fire retardant coating based on scale armor layer［J］．Chemical Engineering Journal，2024，499：156137．
本文引用 [1]
[63]
武劲宇，杜海燕，刘家臣，等 ．MoSi2-硼硅玻璃鳞片状高发射率耐高温涂层［J］．稀有金属材料与工程，2020，49（2）：661-668．
WU J Y， DU H Y， LIU J C，et al ．MoSi2-borosilicate glass high emissivity coating with scaly structure and high temperature resistance［J］．Rare Metal Materials and Engineering，2020，49（2）：661-668．
本文引用 [3]
[64]
WU J Y， XU X J， XIONG Y L，et al ．Preparation and structure control of a scalelike MoSi2-borosilicate glass coating with improved contact damage and thermal shock resistance［J］．Ceramics International，2020，46（6）：7178-7186．
本文引用 [1]
[65]
焦梦宇 ．纤维增强鳞片状MoSi2-玻璃基涂层的制备与力学性能研究［D］．天津：天津大学，2021．
JIAO M Y ．Preparation and mechanical properties of fiber reinforced scalelike MoSi2-borosilicate glass coating［D］．Tianjin：Tianjin University，2021．
本文引用 [1]
[66]
JIAO M Y， WU J Y， GUO L L，et al ．Fiber reinforced scalelike MoSi2-borosilicate glass coating with improved contact damage resistance and thermal shock resistance［J］．Ceramics International，2021，47（8）：11037-11042．
本文引用 [1]

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