碳納米管摻雜SiO2-SiO2-PbO雙層高輻射率涂層的設(shè)計與研究.pdf

1、隨著跨大氣層飛行器設(shè)計飛行速度的提高,由氣動加熱導(dǎo)致的飛行器表面工作溫度急劇升高給飛行器的熱防護提出了更高的要求,而高輻射率涂層的應(yīng)用為解決跨大氣層飛行器熱防護問題提供了一條新的途徑。高輻射率涂層可以大幅提高跨大氣層飛行器表面向外輻射熱量的能力,以散熱的方式降低飛行器表面溫度。并且飛行器表面工作溫度越高,高輻射率涂層起到的防熱效果也就越顯著。但是高輻射率涂層的研究和應(yīng)用還處于起步階段,高輻射率涂層的設(shè)計及其輻射率增強機制的研究尚待發(fā)展。

2、針對于此,本文設(shè)計并在Ni合金基板上制備了一種基于新型混雜溶膠凝膠法的新型碳納米管摻雜 SiO2/SiO2-PbO高輻射率涂層,并且通過對該涂層的研究,總結(jié)跨大氣層飛行器表面高輻射率涂層的設(shè)計方法及其輻射率增強機制,為日后高輻射率涂層的進(jìn)一步設(shè)計及制備提供幫助。
　　本文選擇SiO2作為涂層母體材料,并利用正交實驗優(yōu)化設(shè)計了一種新型SiO2混雜溶膠凝膠法來制備SiO2母體涂層。根據(jù)材料的成分、材料的結(jié)構(gòu)和跨大氣層飛行器對熱防護涂層

3、的要求,再基于這種新型混雜溶膠凝膠法,通過匹配混雜SiO2底層的氧化溫度與SiO2-PbO粉末的軟化溫度的設(shè)計,使得SiO2-PbO頂層熔化時混雜SiO2底層放出氣體造成氣孔,最終得到了一種新型碳納米管摻雜SiO2/SiO2-PbO雙層多孔高輻射率涂層。
　　我們通過熱重分析、差熱分析和傅立葉紅外光譜法綜合分析了混雜和非混雜SiO2凝膠隨溫度的變化機制;通過電子掃描電鏡觀察混雜SiO2凝膠涂層與Ni合金基板截面,分析了混雜SiO2

4、凝膠涂層與Ni合金基板熱處理后的結(jié)合狀況與元素擴散原因;利用X射線衍射和X射線光電子能譜對混雜SiO2凝膠涂層進(jìn)行分析,確定混雜SiO2凝膠涂層經(jīng)長時間熱處理后表面的元素分布和物相;利用混雜SiO2凝膠涂層的高溫抗氧化性能評價了正交實驗中各個因素,以此對混雜SiO2溶膠配方進(jìn)行了優(yōu)化。
　　我們利用優(yōu)化后的混雜SiO2溶膠凝膠法制備新型碳納米管摻雜SiO2/SiO2-PbO雙層多孔高輻射率涂層,并對該涂層進(jìn)行研究。通過電子掃描電鏡

5、觀察碳納米管摻雜SiO2/SiO2-PbO雙層涂層的表面、截面、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和碳納米管在表面的狀態(tài),還利用其X射線譜儀對每層涂層進(jìn)行了元素成分測量,歸納分析了碳納米管摻雜SiO2/SiO2-PbO雙層涂層特殊結(jié)構(gòu)的形成機制;利用原子力顯微鏡觀察了碳納米管摻雜SiO2/SiO2-PbO雙層涂層表面三維形貌,分析了碳納米管的摻雜對表面形貌和粗糙度的影響;利用硬度測試和劃痕測試分析了碳納米管和雙層多孔結(jié)構(gòu)對涂層硬度、韌性等力學(xué)性能的影響;最后利用

6、黑度測試評價了碳納米管摻雜SiO2/SiO2-PbO雙層多孔高輻射率涂層在300℃和550℃的輻射能力,對比分析了碳納米管和雙層多孔結(jié)構(gòu)對輻射率的影響機制。
　　實驗結(jié)果表明,混雜SiO2凝膠在熱處理過程中先脫水,并且在400℃和至650℃間發(fā)生有機物的熱解,其中在550℃時的熱解反應(yīng)最為強烈。在長時間高溫?zé)崽幚硐?Ni合金基板中的Al、Mn元素會通過界面和多孔結(jié)構(gòu)向涂層擴散并且可能形成莫來石相。通過正交實驗法優(yōu)化的混雜SiO2溶

7、膠配方(以95mL即87.5g正硅酸乙酯為準(zhǔn))為:含硼量10 mol.％,硅烷樹脂15mL、正丁醇25mL、丙酮15mL。碳納米管摻雜SiO2/SiO2-PbO雙層涂層的SiO2底層熱解與頂層SiO2-PbO軟化同時發(fā)生使得頂層具有多孔結(jié)構(gòu)。所摻雜的碳納米管未發(fā)生明顯團聚并向表面聚集,一部分碳納米管暴露在涂層表面使得涂層表面變粗糙。碳納米管摻雜SiO2/SiO2-PbO雙層涂層在300℃和550℃下具有很強的輻射能力,并且碳納米管的摻雜