基于熱致變色原理的表面熱輻射特性及其控制方法研究.pdf

1、隨著被控溫系統(tǒng)與設(shè)備的散熱功率密度和熱負(fù)荷的迅速增加、內(nèi)外熱流變化程度的加劇以及控溫精度的進(jìn)一步提高，對(duì)基于熱輻射表面的熱控制與熱管理技術(shù)提出了更新更高的要求。傳統(tǒng)的熱輻射表面因其熱輻射特性不具備自動(dòng)調(diào)節(jié)控制能力，無(wú)法根據(jù)系統(tǒng)與設(shè)備的發(fā)熱量變化、外部熱流變化去調(diào)節(jié)自身的熱輻射特性，無(wú)法滿足系統(tǒng)與設(shè)備的溫度自主控制要求?；跓嶂伦兩淼臒彷椛浔砻婵筛鶕?jù)系統(tǒng)與設(shè)備的溫度水平、內(nèi)外熱流變化狀況，自動(dòng)調(diào)節(jié)自身輻射特性，從而可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與設(shè)備溫度

2、的主動(dòng)控制。因此開(kāi)展基于熱致變色原理的表面輻射特性轉(zhuǎn)變機(jī)制與控制方法研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。本文以鈣鈦礦型錳氧化物L(fēng)a1-xAxMnO3(A=Ca，Sr，K)為基礎(chǔ)材料制作基于熱致變色原理的熱輻射表面，研究其熱輻射特性，探索其輻射特性的控制方法，揭示其空間粒子輻照效應(yīng)，對(duì)于研制基于熱致變色原理的智能型熱控器件、對(duì)提高系統(tǒng)與設(shè)備的熱控技術(shù)水平有重大的科學(xué)意義。論文的主要研究?jī)?nèi)容包括以下幾個(gè)方面:
　　 (1)熱致變色功能

3、材料制備與表征
　　 以稀土氧化鑭，碳酸鹽，二氧化錳為原料，擬用固相反應(yīng)法制備塊體熱致變色功能材料，擬用等離子噴涂法制備熱致變色涂層。采用X射線衍射儀(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、原子力顯微鏡(AFM)、樣品振動(dòng)磁強(qiáng)計(jì)(VSM)和多功能物理量測(cè)試系統(tǒng)(PPMS)對(duì)熱致變色功能材料的物相、微觀形貌、表面粗糙度、磁性能、電輸運(yùn)性能進(jìn)行表征和測(cè)量。分析了摻雜堿金屬元素或堿土金屬元素的種類(lèi)、摻雜濃度、燒結(jié)溫度對(duì)熱致變色功能材料晶

4、體結(jié)構(gòu)、或致密度、或電磁輸運(yùn)特性、或相變溫度的影響，為研制智能型熱控器件提供技術(shù)支持。
　　 (2)基于熱致變色原理的表面熱輻射特性研究
　　 以熱致變色器件和熱致變色涂層為研究對(duì)象，用紅外光譜儀和分光光度計(jì)測(cè)量其反射率光譜，根據(jù)反射計(jì)光學(xué)方法間接測(cè)量其紅外發(fā)射率和太陽(yáng)吸收率。分析摻雜元素種類(lèi)、濃度以及表面狀況對(duì)基于熱致變色原理的表面熱輻射特性的影響，揭示其發(fā)射率可調(diào)特性。結(jié)果表明:Ca和/或Sr摻雜的熱致變色器件，反射

5、率隨溫度升高而降低;在合適的Ca和/或Sr濃度下，熱致變色器件出現(xiàn)金屬-絕緣轉(zhuǎn)變，從而引起熱致變色器件發(fā)射率急劇轉(zhuǎn)變，其中，僅有Ca摻雜時(shí)，發(fā)射率在相轉(zhuǎn)變溫度附近變化最劇烈，但轉(zhuǎn)變溫度較低;而僅有Sr摻雜時(shí)，發(fā)射率也發(fā)生急劇轉(zhuǎn)變，但轉(zhuǎn)變溫度較高;同時(shí)摻雜Ca和Sr，可將熱致變色器件的轉(zhuǎn)變溫度調(diào)節(jié)到所需的范圍，并維持發(fā)射率的劇烈變化，發(fā)射率變化幅度超過(guò)0.5;不同摻雜情況下，熱致變色器件的太陽(yáng)吸收率都較高，達(dá)到0.78;通過(guò)優(yōu)化等離子噴涂

6、參數(shù)，獲得發(fā)射率可調(diào)特性的熱致變色涂層;由于受涂層表面粗糙度、噴涂工藝的影響，涂層的發(fā)射率變化幅度有所不同，其中最大可調(diào)幅度為0.33，而太陽(yáng)吸收率高達(dá)0.85;以Ca，Sr，K三種元素為基礎(chǔ)，采用不同的組合方式、摻雜濃度，都不能達(dá)到降低熱致變色器件高太陽(yáng)吸收率的目的。
　　 (3)熱致變色器件輻射特性耦合控制方法研究
　　 針對(duì)熱致變色器件太陽(yáng)吸收率較大的問(wèn)題，開(kāi)展熱致變色器件熱輻射特性的控制方法研究，探索降低熱致變色

7、器件短波太陽(yáng)吸收率、同時(shí)維持熱致變色器件長(zhǎng)波紅外發(fā)射率可調(diào)的方法，實(shí)現(xiàn)熱致變色器件熱輻射特性在不同波段范圍的耦合控制。將基于多層薄膜結(jié)構(gòu)的選擇性光譜控制用于實(shí)現(xiàn)熱致變色器件表面熱輻射特性控制，采用模擬退火遺傳算法優(yōu)化設(shè)計(jì)多層薄膜結(jié)構(gòu)，建立多層薄膜結(jié)構(gòu)內(nèi)部熱輻射傳遞理論模型，計(jì)算分析多層薄膜材料屬性、膜層數(shù)、膜層厚度、以及膜層排列方式對(duì)多層薄膜結(jié)構(gòu)熱輻射特性的影響，研究由多層薄膜結(jié)構(gòu)和原熱致變色器件組成的復(fù)合型熱致變色器件結(jié)構(gòu)的熱輻射特性

8、。理論計(jì)算表明，增設(shè)多層薄膜結(jié)構(gòu)后，太陽(yáng)吸收率從原來(lái)的0.78降低到0.21，有效地削弱了到達(dá)熱致變色器件表面的太陽(yáng)輻射，并較好地透過(guò)紅外熱輻射。采用電子束蒸發(fā)沉積法將最優(yōu)多層薄膜結(jié)構(gòu)沉積到原熱致變色器件表面以制備復(fù)合型熱致變色器件，并測(cè)試其熱輻射特性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，復(fù)合型熱致變色器件不僅具有低太陽(yáng)吸收率(αs=0.28)的特性，而且還維持了發(fā)射率的可調(diào)特性，其可調(diào)幅度與原熱致變色器件相同，也驗(yàn)證了紅外發(fā)射率與太陽(yáng)吸收率的耦合控制方法。

9、r>　　 (4)熱致變色器件空間粒子輻照效應(yīng)研究
　　 熱致變色器件用于衛(wèi)星熱控領(lǐng)域，會(huì)受到空間環(huán)境中諸多因素的影響，特別是來(lái)自于空間環(huán)境的粒子輻照影響。為了弄清楚熱致變色器件是否能經(jīng)受空間環(huán)境的考驗(yàn)，本文通過(guò)地面模擬空間粒子輻照實(shí)驗(yàn)，研究不同能量的電子和質(zhì)子輻照對(duì)熱致變色器件熱輻射性能的影響，探索熱致變色器件在空間環(huán)境中應(yīng)用的穩(wěn)定性。結(jié)果表明:空間粒子輻照誘導(dǎo)非復(fù)合型熱致變色器件內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)氧缺陷，引起其太陽(yáng)吸收率和紅外發(fā)射