熱障涂層微納結(jié)構(gòu)輻射特性研究.pdf

1、熱障涂層以其較低的熱導(dǎo)率，良好的抗熱沖擊、熱腐蝕性能被廣泛應(yīng)用在燃氣輪機高溫工作部件的熱防護上面。由于熱障涂層的主要組成材料（氧化釔部分穩(wěn)定氧化鋯，8YSZ）在可見光、近紅外以及中紅外較寬的譜段區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)出半透明性，因而關(guān)于熱障涂層輻射特性的研究引起了廣泛關(guān)注。特別是隨著溫度的升高，輻射熱流及其在總體熱流中的比重會明顯增加，因此，開展熱障涂層輻射特性的研究對于未來熱障涂層設(shè)計以及實際工程應(yīng)用具有重要理論指導(dǎo)意義。
　　本文針對熱障

2、涂層的輻射特性系統(tǒng)地開展了實驗和理論研究。實驗研究方面，作者和合作單位制備了目前兩類典型應(yīng)用的熱障涂層，即大氣等離子噴涂（APS）和電子束物理氣相沉積（EB-PVD）熱障涂層，并且在不同的特征尺度下，采用掃描電鏡（SEM）對這兩類熱障涂層的微結(jié)構(gòu)進行了詳細表征，獲取了不同微觀尺度下的特征形貌，并且對這些特定的微結(jié)構(gòu)形貌進行了定量參數(shù)化分析。為了能深入系統(tǒng)的研究熱障涂層輻射特性，本文搭建了熱障涂層輻射特性的實驗測試平臺，采用紫外分光計、傅

3、里葉紅外光譜儀以及相應(yīng)積分球附件等設(shè)備在一個較寬光譜區(qū)域（0.25～16μm）測量了熱障涂層的漫反射率、透射率以及吸收率，實驗測量將熱障涂層的光譜從紅外區(qū)域擴展到紫外、可見光以及近紅外區(qū)域。并且詳細研究了熱障涂層不同微納結(jié)構(gòu)對光譜特性的影響，實驗測量發(fā)現(xiàn)，熱障涂層的微納結(jié)構(gòu)特別是其內(nèi)部孔隙特征（孔隙的大小，形狀和分布）及晶格邊界排布方式顯著影響著熱障涂層的光譜特性。
　　理論研究方面，基于熱障涂層輻射特性的實驗測量結(jié)果，本文首先采

4、用輻射模型對熱障涂層關(guān)鍵的輻射特性參數(shù)（散射系數(shù)?s?、吸收系數(shù)??）進行了系統(tǒng)研究?；诰_的確定結(jié)果，本文改進了耦合導(dǎo)熱和輻射傳熱的多譜帶雙流模型計算了不同微納結(jié)構(gòu)涂層內(nèi)部的輻射熱流及其溫度分布，并且評估了輻射熱流在總體傳熱中的比重。研究表明，APS熱障涂層微結(jié)構(gòu)對其輻射特性影響主要體現(xiàn)在散射方面，由水平裂紋及不同形貌孔隙所導(dǎo)致的各向異性散射效應(yīng)影響著涂層內(nèi)部輻射熱流的傳輸。為了揭示APS熱障涂層微納結(jié)構(gòu)對其輻射特性影響的微觀機理，

5、本文結(jié)合涂層微結(jié)構(gòu)的SEM掃描圖，采用電磁波理論構(gòu)建了橢球氣孔散射模型，該模型定量闡釋了氣孔形貌及位置變化等因素對熱輻射傳輸?shù)挠绊懀Ｐ脱芯勘砻?，與同體積的球形氣孔相比，涂層中出現(xiàn)的水平裂紋會增強對入射輻射的散射效果，降低輻射熱流傳輸?shù)耐鹘孛妫ㄟ^合理優(yōu)化APS熱障涂層內(nèi)部的孔隙特征可以降低輻射熱流，從而增強其隔熱性能。基于模型研究結(jié)果，本文設(shè)計制備了梯度孔隙率熱障涂層，并且對其輻射特性進行了系統(tǒng)研究，實驗驗證表明，采用梯度孔隙率微結(jié)

6、構(gòu)優(yōu)化方式可以提高涂層的反射率，降低其透過率及吸收率，理論分析指出，與傳統(tǒng)微結(jié)構(gòu)的APS熱障涂層相比，采用梯度孔隙率熱障涂層可以提高短波段的散射系數(shù)，從而降低其內(nèi)部的輻射熱流，驗證了熱障涂層微結(jié)構(gòu)優(yōu)化在工程應(yīng)用中的可行性。為了能全面研究熱障涂層微納結(jié)構(gòu)對輻射特性的影響，本文還對柱狀微結(jié)構(gòu)的EB-PVD熱障涂層輻射特性進行了實驗和理論研究，并且詳細闡述了柱狀微結(jié)構(gòu)對散射系數(shù)及吸收系數(shù)的影響，為了能揭示EB-PVD熱障涂層內(nèi)部輻射傳輸?shù)奈⒂^

7、機理，本文采用時域有限差分的方法對其輻射特性進行了數(shù)值模擬研究，研究表明，EB-PVD熱障涂層輻射特性主要與其狹長的柱間孔隙、柱狀晶兩側(cè)的羽狀微結(jié)構(gòu)以及晶體內(nèi)部納米級（20～30 nm）的閉孔球形孔隙有著緊密關(guān)聯(lián)，增加羽狀結(jié)構(gòu)中帶狀條紋傾角以及柱內(nèi)閉孔孔隙率會增強涂層的散射效應(yīng)，進而降低涂層中的輻射熱流。
　　綜合研究表明，熱障涂層的微納結(jié)構(gòu)特別是晶格邊界的排布方式以及孔隙特征對其輻射特性有著較大影響，通過合理優(yōu)化熱障涂層微結(jié)構(gòu)，