IMECH-IR  > 先进制造工艺力学实验室
低热容PEO隔热陶瓷涂层研究
Alternative TitleStudy on low heat capacity PEO thermal insulation ceramic coatings
朱剑威
Thesis Advisor夏原
2021-05-19
Degree Grantor中国科学院大学
Place of Conferral北京
Subtype硕士
Degree Discipline工程力学
Keyword等离子体电解氧化,体积热容,热导率,陶瓷涂层,微孔结构
Abstract

内燃机是国民经济的主导动力源,而隔热涂层是降低内燃机散热损失、提高燃油利用率的有效途径。但是,常用的氧化锆涂层(YSZ)体积热容较大,通常为2500 kJ/(m3·K)以上,这会导致内燃机内壁温度提高、热效率降低等不利影响,因此,低热容涂层是未来高性能隔热涂层的核心研究环节。本文采用等离子体电解氧化技术(Plasma Electrolytic OxidationPEO),在纯铝及高硅铝合金表面制备了具有微孔结构的陶瓷涂层,利用其疏松多孔的低密度特性,降低了涂层体积热容;利用放电通道关闭的技术特点,获得了封闭微孔涂层;通过掺杂低热导相,有效实现了提高涂层隔热性能的目的。本文系统研究了脉冲频率以及添加相对铝基PEO陶瓷涂层微结构与热物理性能的影响规律,并分析了不同工艺参量下,陶瓷涂层微孔结构、相结构组成与热物理性能之间的内在关联。

研究表明,脉冲频率可以有效调控涂层的微孔结构与相结构取向。但是,高硅铝涂层与纯铝陶瓷涂层在相同的脉冲频率范围内所呈现出相反的热物理性能变化规律,这主要是由两种材料组成元素不同引起的放电特征差异所造成的。脉冲频率对涂层热物理性能的影响机制主要是通过改变涂层的孔隙特征以及γ-Al2O3α-Al2O3相结构取向趋势,孔隙率的变动会引起涂层密度的变化,封闭微孔的增多有利于形成封闭气室、阻滞热流传递,但是,大孔径孔洞或开放孔洞的增多反而会引起空气对流传热增强,导致涂层隔热性能的下降。

添加相研究发现,稀土盐硝酸铈的添加会抑制陶瓷涂层放电,尤其在高硅铝合金(ZL109)体系中基本无法形成完整涂层。而纯铝在添加浓度<1 g/L时可以形成陶瓷层,随着硝酸铈添加浓度的增加,纯铝PEO陶瓷涂层的致密度逐渐提高,其体积热容也呈现上升趋势。锆元素添加研究中,分别使用纳米氧化锆颗粒与氟锆酸钾作为ZL109铝合金与纯铝的添加相。其中,氟锆酸钾添加是通过成膜过程中分解产生的锆离子在高温等离子体环境下经过复杂反应生成氧化锆掺杂组分,其添加可以提高涂层的疏松程度;而纳米氧化锆则是在成膜过程中,大量纳米颗粒附着在微孔或涂层表面,在等离子体反应中通过熔融烧结现象形成氧化铝为主体的Al2O3-ZrO2复合涂层。由于添加相不仅可以改变涂层微孔结构与氧化铝相取向,还会直接引入新物质,改变涂层的相组成,这就使其可以在更大范围内调整涂层的热物理性能。

研究表明,锆元素添加物均可显著提高铝基PEO陶瓷涂层的热物理性能,对纯铝PEO陶瓷涂层,当氟锆酸钾的添加浓度为1 g/L时,优化后可获得体积热容为685 kJ/(m3·K)、热导率为0.148 W/(m·K)的陶瓷涂层;对于高硅铝PEO陶瓷涂层,当纳米氧化锆的添加浓度为1.5 g/L时,获得了更优异的热物理性能参数,其体积热容为311 kJ/(m3·K),热导率为0.130 W/(m·K)

Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/86529
Collection先进制造工艺力学实验室
Recommended Citation
GB/T 7714
朱剑威. 低热容PEO隔热陶瓷涂层研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2021.
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