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SiC高发射率涂层的制备及性能表征

作　者: 隋超
导　师: 赫晓东
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 材料学
关键词: SiC涂层 高发射率 溶胶—凝胶法 抗热震性
分类号: V261.933
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


高发射率功能性防热涂层作为高超声速飞行器热防护系统的重要组成部分，可以有效提高热防护系统的防热效果。本研究以A12O3溶胶为粘结剂，以SiC、co304纳米粉为高辐射填料，在镍基高温台金表面制备了具有高发射率的防热涂层。利用扫描电子显微镜（sEM）、x射线衍射分析（XRD）、傅立叶红外光谱（FrIR）等分析方法研究了涂层的微观组织结构与相组成；测试了涂层在不同厚度、不同温度条件下的光谱发射率，获得了发射率的变化规律，并分析了影响因素；采用整体加热一水淬冷却的方法评价了涂层的抗热震性能，分析了涂层的裂纹扩展过程及涂层剥落形式。通过高辐射涂层材料体系的选择与结构设计，确定涂层结构从高温台金基体向上分别为A12O3预涂层、分散于A12O3溶胶中的SiC和Co3O4高发射率层。通过研究涂料配制、涂敖方式、涂层干爆工艺、涂层烧结工艺，获得了高辐射涂层的制备工艺参数。结果表明，确定A12O3溶胶的添加量为90％，采用SiC、Co3O4纳米粉与Al2O3溶胶混台球磨8小时的方法可制得辐射涂料。为获取具有一定厚度的涂层，采用多次浸涂的方式，并且为避免浸涂中溶解己干爆的涂层，需对每次涂敖的涂层进行300℃预烧结。选用60℃下涂层充分干爆、以约为2℃／mln的升温速率进行室温至520℃热处理、以10℃／mm的升温速率进行520℃以后的热处理，可确保获得涂层的质量稳定。组织结构分析结果表明，在一定厚度范围内涂层致密没有缺陷，超过临界厚度产生规则裂纹。涂层经900℃保温一小时后涂层表面颗粒明显长大，表面粗糙度增加，经高温处理的涂层相组成没有明显变化，热处理使涂层完成了结晶转化，高温退火造成了涂层晶粒的长大。研究了涂层光谱发射率随涂层厚度、烧结温度、环境温度等的变化规律。结果表明，发射率随涂层厚度增加而升高，达到临界厚度由于裂纹的出现使发射率略有下降。经过900℃高温处理后，涂层的发射率略有增加。涂层表面光谱发射率随环境温度的升高而增大，随波长的变化趋势基本相同。研究中制得的高发射率涂层其发射率可达O.9以上。研究了涂层的抗热震性，分析了涂层的失效形式。结果表明，700℃-20℃热震过程中，厚度为19pm的涂层经过40次循环表面出现剥落；900℃-20℃热震过程中循环20次即出现剥落。热震循环过程中，裂纹经过萌生，交错生长，最终形成网状龟裂纹。涂层厚度为19um时，失效形式表现为辐射层从与涂层表面剥落。涂层厚度为临界值25um时，首先由最外侧涂层剥落开始破坏，逐层剥落，最终从基体上脱落导致失效。与基体热膨胀系数的差异使涂层在较大的温度梯度下产生热应力是导致涂层失效的主要原因。

全文目录


摘要  4-6
ABSTRACT  6-10
第1章 绪论  10-19
  1.1 研究背景  10
  1.2 辐射涂层的应用  10-12
    1.2.1 表面辐射散热  11-12
    1.2.2 提高加热效率  12
  1.3 影响辐射率的因素  12-13
  1.4 辐射涂层发展  13-15
  1.5 辐射涂层的制备工艺  15-18
    1.5.1 等离子喷涂  15-16
    1.5.2 化学气相沉积  16-17
    1.5.3 电子束物理气相沉积  17
    1.5.4 溶胶—凝胶法  17-18
  1.6 主要研究内容  18-19
第2章 实验材料与方法  19-23
  2.1 实验材料  19-20
  2.2 试验主要设备  20
  2.3 实验分析测试方法  20-23
    2.3.1 扫描电镜  20
    2.3.2 激光共聚焦体视显微镜  20-21
    2.3.3 红外光谱分析  21
    2.3.4 X射线衍射分析  21
    2.3.5 热性能分析  21
    2.3.6 厚度测试  21
    2.3.7 原子力显微镜观察  21
    2.3.8 辐射性能测试  21-23
第3章 涂层的制备与组织结构分析  23-40
  3.1 原料微观形貌及成分分析  23-25
  3.2 涂层工艺参数选择  25-33
    3.2.1 涂料的配制  25-27
    3.2.2 涂层的涂敷  27-28
    3.2.3 涂层的干燥  28-31
    3.2.4 涂层的烧结  31-32
    3.2.5 涂层的制备  32-33
  3.3 涂层的组织结构分析  33-39
    3.3.1 涂层的微观组织结构  33-37
    3.3.2 涂层的相组成  37-38
    3.3.3 涂层的红外吸收光谱  38-39
  3.4 本章小结  39-40
第4章 涂层的高辐射性与抗热震性能研究  40-59
  4.1 辐射性能  40-48
    4.1.1 涂层厚度对辐射能力的影响  40-44
    4.1.2 烧结温度对发射率的影响  44-46
    4.1.3 环境温度对发射率的影响  46-48
  4.2 涂层的热震行为分析  48-58
    4.2.1 涂层抗热震性的评价方式  48
    4.2.2 涂层热震结果分析  48-52
    4.2.3 涂层热震失效形式  52-58
  4.3 本章小结  58-59
结论  59-60
参考文献  60-66
申请专利  66-67
致谢  67

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中图分类: > 航空、航天 > 航空 > 航空制造工艺 > 制造工艺过程及设备 > 表面处理 > 喷漆、涂层
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