基于三维镍结构防热涂层的制备及表征-材料学专业论文.docx

Classified Index: TG15 U.D.C.: 621.78 Dissertation for the Doctoral Degree in Engineering PREPARATION AND CHARACTERIZATION OF THERMAL PROTECTION COATINGS BASED ON THREE DIMENSIONAL NICKEL STRUCTURE Candidate： Ma Bin Supervisor： Prof. Li Yao Academic Degree Applied for： Doctor of Engineering Speciality： Materials Science Affiliation： Center for Composite Materials Date of Denfence： June, 2010 Degree-Conferring-Institution： Harbin Institute of Technology 摘 摘 要 -I- -I- 摘 要 临近空间飞行器已经成为了各国研究的热点，该飞行器飞行环境的特殊性和 飞行特点对新型表面防热技术的需求也迫在眉睫。本论文主要是利用三维光子晶 体对光的可控可调的特点，设计出适用于在临近空间运行的飞行器的高辐射涂 层。在镍基高温合金表面设计出了底层为三维多孔镍/氧化钇稳定氧化锆（YSZ） 复合结构，表层为 SiC 涂层的防热结构，在本结构中三维镍结构可以对光有高的 反射率，将传播到其表面的光向外部反射，来增强表面 SiC 涂层的发射率。本论 文首先利用不同的制备工艺制备出了基于三维镍结构的辐射防热涂层，并通过 SEM、XPS、Raman、PL 等测试手段分析了涂层的成分、微观组织及表面粗糙度 等；利用纳米压痕试验和纳米划痕试验对涂层的力学性能进行了表征；利用光分 光光度计对涂层的光学性能进行了表征；利用傅里叶红外光谱仪测试了防热涂层 在高温下的发射率，并对影响发射率的因素进行了分析。 通过垂直沉降法，在镍合金基体上制备了质量较好的聚苯乙烯模板，在大范 围内聚苯乙烯球为最稳定的有序密堆六方排列。然后基于模板技术，利用电沉积 方法制备三维镍结构。在沉积时间较短（1min）时，得到的为二维镍结构；沉积 时间大于 3min 后得到的为三维镍结构，其中孔按照密堆六方排列，孔径与聚苯乙 烯球直径相符，没有收缩。40℃温度下沉积得到的镍薄膜的孔形圆，孔壁光滑。 随着沉积温度的升高，孔变形，孔壁变粗糙。不同的电流密度下，镍会沿着不同 的晶向生长，其颗粒大小也有相应的变化。通过对电沉积参数的研究得出：在电 沉积温度为 40℃，电流密度为 30mA·cm-2，沉积时间大于 3min 的条件下，可以制 备质量较好的三维镍结构。 试样拉伸伸长 10%后，三维镍结构薄膜没有脱落，说明镍薄膜与基体结合牢 固；拉伸后孔的变形量小于 10%，说明为弹塑性变形，拉伸卸载后形状有所恢 复。通过力学测试和计算得出，未拉伸前的三维镍结构薄膜的平均硬度和弹性模 量分别为 0.99GPa 和 23.52GPa；拉伸后的硬度和弹性模量分别是 0.88GPa 和 22.68GPa。通过划痕试验，1000μN 的固定载荷下在薄膜表面划 6μm，薄膜没有剥 落。制备的三维镍结构具有很好的塑性和抗压性能，膜基结合牢固。三维镍结构 薄膜的反射率随着波长的增大而增加，高达 78%。三维镍结构薄膜的反射率随着 沉积电流密度的变化而变化。由 30mA·cm-2 沉积的三维镍结构薄膜的反射率较 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 -II- -II- 高。三维镍结构的反射率不但与其孔的结构有关，还与镍颗粒大小有关。 通过溶胶凝胶的方法，将 YSZ 先驱在 600℃下煅烧后 2h 后在三维镍结构中制 备了单一立方相 YSZ 涂层，YSZ 涂层颗粒均匀，涂层致密。 磁控溅射工艺制备的 SiC 涂层主要以非晶物质为主，含有大量的 Si-C 键和 C- C 键，还有少量的 Si-O 键和 Si-Si 键。其中 Si-C 键主要是非晶碳化硅也含有少量 6H-SiC，C-C 键是以 sp2 非晶碳（石墨）形式存在。制备的 SiC 涂层颗粒均匀，大 约在 500nm 左右，涂层表面平整致密，没有明显的空隙或者缺陷。在 300℃、 600℃、900℃、1050℃下对制备的 SiC 涂层进行了真空热处理 2h，在热处理过程 中富余的 C-C 键与 Si-Si 键或者是 Si-C 键中空键搭联，这样 Si-C 键增多，C-C 键 减少，说明热处理有利于提高 SiC 的结晶程度。600℃温度以下热处理后 SiC 涂层 中的小晶粒逐渐聚合慢慢生长成较大