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哈工大科研团队为高温辐射热防护陶瓷涂层设计提供新思路

2023年08月31日 新闻网 浏览次数:3929

哈工大全媒体(闫明星 王亚明 文/图)近日,材料学院周玉院士团队王亚明教授课题组、能源学院帅永教授团队裘俊副教授课题组合作在辐射热防护领域取得突破性进展。团队设计并构建出Ca-Cr离子掺杂Y3NbO7层状多孔结构陶瓷涂层,涂层1~13微米波段的平均发射率提高至0.9,热导率低至0.5W/(m·K),达到报道以来最高的发射率和热导率比值(1.3),为高温辐射热防护陶瓷涂层的设计提供新思路。该研究成果以《基于层状多孔Ca-Cr共掺杂Y3NbO7的辐射热防护涂层》(A Promising Radiation Thermal Protection Coating Based on Lamellar Porous Ca-Cr co-Doped Y3NbO7 Ceramic)为题,以长文形式在线发表于《先进功能材料》(Advanced Functional Materials)。

高温辐射热防护在高速飞行器、航天器热控等众多领域中具有重要意义。传统的热障陶瓷,包括稀土铌酸盐、锆酸盐和铪酸盐等虽然具有较低的热导率,但其红外发射率也较低。近年来,通过稀土和过渡族阳离子掺杂改性提高陶瓷的发射率备受关注。然而,掺杂改性提高发射率的同时,也可能导致热导率的提升。关于离子掺杂实现高发射率和低热导陶瓷涂层设计,仍没有取得关键性的理论和实验进展。

为解决上述问题,团队设计并制备了Ca-Cr掺杂改性Y3NbO7层状多孔陶瓷涂层,从电子、声子、涂层微结构等多尺度分析,揭示了涂层组织结构与发射率、热导率之间的构效关系;通过调控声子无序和涂层内部微孔的取向,成功减小热流通道,热导率低至0.5W/(m·K)。此外,Ca-Cr共掺杂诱导杂质能级产生,协同表面微结构强化光吸收改善界面阻抗匹配性,涂层1~13微米波段的平均发射率提高至0.9。

这种陶瓷涂层兼具高发射率、低热导率、高结合强度和热稳定性等优异的综合性能,在金属辐射热防护系统上具有很大的应用潜力。

王亚明教授、裘俊副教授和帅永教授为论文通讯作者,能源学院陈国梁助理教授、同济大学傅浩洋博士为论文第一作者,材料学院王树棋助理教授、欧阳家虎教授、贾德昌教授、周玉院士,分析测试与计算中心邹永纯工程师,能源学院博士研究生高永旺、岳童童和赵军明教授,云南大学曹建云副教授参与相关研究工作。该项研究成果主要由哈工大材料学院、能源学院以及同济大学环境学院合作完成,哈工大为论文第一通讯单位。

论文链接:https://doi.org/10.1002/adfm.202305650

a)辐射热防护示意图;b)辐射热防护材料的热防护效果对比;c)Ca-Cr掺杂Y3NbO7的晶体结构

a)涂层热导率与微孔取向和孔隙率的关系;b)涂层的截面扫描图;c)Y3NbO7基陶瓷及其涂层的热导率对比;d)具有垂直和e)水平取向微孔涂层的温度和热流分布图

a)涂层表面的3D形貌;b)涂层随机粗糙表面模型;c)涂层x-z截面图;d)8μm和e)14μm波长下涂层的光电场分布


责任编辑:闫明星

审核:宋玲、张妍