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?xì)廨啓C(jī)高溫工作部件的熱防護(hù)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(jiàn)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(huì)明顯增加，因此，開(kāi)展熱障涂層輻射特性的研究對(duì)于未來(lái)熱障涂層設(shè)計(jì)以及實(shí)際工程應(yīng)用具有重要理論指導(dǎo)意義。
　　本文針對(duì)熱障

2、涂層的輻射特性系統(tǒng)地開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)和理論研究。實(shí)驗(yàn)研究方面，作者和合作單位制備了目前兩類(lèi)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(duì)這兩類(lèi)熱障涂層的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)表征，獲取了不同微觀尺度下的特征形貌，并且對(duì)這些特定的微結(jié)構(gòu)形貌進(jìn)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(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，采用紫外分光計(jì)、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(gè)較寬光譜區(qū)域（0.25～16μm）測(cè)量了熱障涂層的漫反射率、透射率以及吸收率，實(shí)驗(yàn)測(cè)量將熱障涂層的光譜從紅外區(qū)域擴(kuò)展到紫外、可見(jiàn)光以及近紅外區(qū)域。并且詳細(xì)研究了熱障涂層不同微納結(jié)構(gòu)對(duì)光譜特性的影響，實(shí)驗(yàn)測(cè)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(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，本文首先采

4、用輻射模型對(duì)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(jìn)行了系統(tǒng)研究。基于精確的確定結(jié)果，本文改進(jìn)了耦合導(dǎo)熱和輻射傳熱的多譜帶雙流模型計(jì)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(píng)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(duì)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(duì)其輻射特性影響的微觀機(jī)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(duì)熱輻射傳輸?shù)挠绊?，模型研究表明，與同體積的球形氣孔相比，涂層中出現(xiàn)的水平裂紋會(huì)增強(qiáng)對(duì)入射輻射的散射效果，降低輻射熱流傳輸?shù)耐鹘孛?，通過(guò)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(qiáng)其隔熱性能?；谀Ｐ脱芯拷Y(jié)果，本文設(shè)計(jì)制備了梯度孔隙率熱障涂層，并且對(duì)其輻射特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(guò)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(yàn)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(duì)輻射特性的影響，本文還對(duì)柱狀微結(jié)構(gòu)的EB-PVD熱障涂層輻射特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和理論研究，并且詳細(xì)闡述了柱狀微結(jié)構(gòu)對(duì)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(jī)理，本文采用時(shí)域有限差分的方法對(duì)其輻射特性進(jìn)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(zhǎng)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(jí)（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(huì)增強(qiáng)涂層的散射效應(yīng)，進(jìn)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(duì)其輻射特性有著較大影響，通過(guò)合理優(yōu)化熱障涂層微結(jié)構(gòu)，