节能红外辐射涂料的制备与研究

【摘要】：高温红外辐射材料在高温下具有优异的辐射性能,在工业炉节能、提高红外加热器热效率、航天器热控制等方面有着广泛应用。 通过参考国内外文献,本研究采用多种过渡金属氧化物来制备红外辐射基料,以价格低廉的MnO_2和Fe_2O_3为主要原料,辅以高发射率的CuO、Cr_2O_3、NiO、TiO_2、Ln_2O_3(0.5%)来制备了红外辐射基料,并且研究了过渡金属离子的种类与含量、保温时间、稀土氧化物的种类、含量对材料红外辐射性能的影响。研究表明:MnO_2的含量、原料合成的保温时间、冷却方式、以及稀土氧化物的添加种类、含量对红外辐射率均有非常明显的影响。采用XRD、SEM、FI-IR、XPS、光谱发射率测试等对红外辐射基料的物相、微观结构、内部离子化学价态及红外发射率进行了表征。复合过渡金属氧化物除了生成了锰反尖晶石和铁尖晶石之外,还生成了NiCr_2O_4、(Cr_(0.88)Ti_(0.12))_2O_2等高发射率物相。当MnO_2在整个系统70A(CMn-x)-30B中的含量为42%时,辐射基料辐射效果最佳,在全波段的光谱辐射率达到0.920以上,尤其在近波段(1～5μm)辐射率达到了0.900以上;通过SEM可知,以Fe_2O_3为主要成分的辐射基料主要生成正尖晶石(CuFe)Fe_2O_2物相,晶粒比较规则,个别颗粒较大,分布较均匀;以MnO_2为主要成分的辐射基料则生成锰反尖晶石((Co)Mn_2O_2),其晶粒不规整,颗粒较细,分布相对较均匀;适当的延长保温时间和采取急冷工艺可以显著的提高辐射基料的红外发射率;对于稀土氧化物,适量的添加Ce_2O_3、La_2O_3、Y2O_3均能提高辐射基料的辐射性能,尤以Ce_2O_3较显著;当添加由0.2%Ce_2O_3+0.2%La_2O_3+0.1%Y_2O_3组成的复合稀土氧化物后,辐射基料(M-Ln)的全波段红外发射率平均达到0.935,短波段的发射率均达0.928以上,且在全波段的辐射率更趋稳定。将一定量的堇青石和粘结剂添加到上述红外辐射基料(M-Ln)中,通过正交实验优化 出高辐射率且抗热震性优良的红外辐射涂料配方。本研究采用喷涂工艺制备红外辐射涂层。通过XRD、SEM、红外光谱发射率对红外辐射涂层的物相、微观结构及红外辐射率进行表征。研究表明,堇青石和粘结剂的掺杂对红外辐射基料的辐射率没有明显的影响,但是其大大改善了红外辐射涂料的抗热震性。粘结剂的添加量对红外辐射涂料的抗热震性能有显著的影响,但其配方影响最小。 【关键词】：过渡金属氧化物 红外辐射基料 红外辐射涂层 发射率 抗热震性
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TQ630.7
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-29
• 1.1 引言11-16
• 1.1.1 红外辐射的理论基础11-12
• 1.1.2 红外辐射的基本规律12-15
• 1.1.3 红外辐射材料15-16
• 1.2 红外辐射涂料的研究与应用现状16-26
• 1.2.1 红外辐射涂料简介16-17
• 1.2.2 红外辐射涂料的辐射特性及其原理17-19
• 1.2.3 影响红外辐射涂料发射率的因素19-21
• 1.2.4 提高红外辐射涂层特性的途径21-24
• 1.2.5 红外辐射涂料的国内外研究现状24-26
• 1.3 稀土氧化物26-27
• 1.3.1 稀土氧化物的简介26
• 1.3.2 稀土元素原子结构及光谱特性26-27
• 1.4 本课题研究的意义、目的和内容27-29
• 1.4.1 本课题的研究意义27
• 1.4.2 本课题的研究目的27-28
• 1.4.3 本课题研究的主要内容28-29
• 第二章 材料的制备、测试和工艺设计29-43
• 2.1 红外辐射基料的组成体系设计29-32
• 2.2 红外辐射基料的制备32-34
• 2.2.1 实验原料32-33
• 2.2.2 实验仪器和设备33
• 2.2.3 实验工艺流程33-34
• 2.3 实验测试与表征方法34-37
• 2.3.1 热分析(TG-DSC）34
• 2.3.2 傅里叶红外光谱(FT-TR)分析34-35
• 2.3.3 X射线衍射(XRD)分析35
• 2.3.4 扫描电子显微镜(SEM)分析35
• 2.3.5 X射线光电子能谱(XPS)分析35-36
• 2.3.6 红外发射率的测试36-37
• 2.3.7 抗热震性测试37
• 2.4 基料组成配方的设计37-38
• 2.5 合成工艺的设计38-43
• 2.5.1 合成温度及烧成制度的确定38-42
• 2.5.2 样品合成后的降温方式的设定42
• 2.5.3 制备涂层工艺的设计42-43
• 第三章 红外辐射基料的研究43-60
• 3.1 前言43-44
• 3.2 尖晶石物相的晶体结构与红外辐射特性44-46
• 3.2.1 尖晶石的晶体结构44-45
• 3.2.2 尖晶石的红外辐射特性45-46
• 3.3 红外辐射基料的性能测试与表征46-54
• 3.3.1 物相（XRD）分析46-48
• 3.3.2 辐射基料的傅里叶红外光谱分析48-50
• 3.3.3 辐射基料的形貌分析50-51
• 3.3.4 光电子能谱分析(XPS)51-52
• 3.3.5 试样的红外发射率测试结果52-54
• 3.4 红外发射率的影响因素54-58
• 3.4.1 MnO_2的添加量对红外辐射率的影响54-55
• 3.4.2 保温时间对红外辐射率的影响55
• 3.4.3 冷却方式对材料的红外辐射率的影响55-56
• 3.4.4 稀土氧化物((Ln_2O_3)的不同添加量对材料红外辐射率的影响56-57
• 3.4.5 不同稀土氧化物((Ln_2O_3)对材料红外辐射率的影响57-58
• 3.5 本章小结58-60
• 第四章 红外辐射涂料的制备与研究60-71
• 4.1 前言60
• 4.2 实验60-62
• 4.2.1 实验工艺的设计60-61
• 4.2.2 涂层制备61-62
• 4.3 实验结果与分析62-70
• 4.3.1 涂层试样的抗热震性分析62-66
• 4.3.2 涂层试样的扫描电镜(SEM)分析66-67
• 4.3.3 涂层试样的X衍射分析67-69
• 4.3.4 涂层的红外辐射性能测试69-70
• 4.4 本章小结70-71
• 结论71-72
• 参考文献72-77
• 攻读硕士学位期间取得的研究结果77-78
• 致谢78-79
• 附件79

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