基于三维光子晶体的新型热防护涂层设计与制备技术研究

随着高超声速飞行器在近空间内长时间飞行，气动热的累积使飞行器的外蒙皮需要承受极高的温度，传统防热涂层防热方式单一，如何使热防护涂层同时兼具高辐射性能与高反射性能是提高金属热防护系统防热效率的关键。本课题依据光子晶体能够对光的传输性能进行调控的特点，针对近空间飞行的热环境设计和制备一种基于三维光子晶体的新型热防护涂层，通过材料微观结构的高度有序性，实现涂层在1-10μm近中红外波段的高反射率和高辐射率。实验确定三维光子晶体热防护涂层的制备工艺，并对热防护涂层的结构、性能进行详细表征，获得工艺参数、结构与性能的关系。研究三维光子晶体有序结构的微观传热过程，建立传热模型，确定其防热机理。课题的开展将为近空间飞行器的热防护材料提供一种新概念、新思路和新工艺。

本课题主要是利用三维光子晶体具有禁带位置高反射率及禁带附近辐射率增强的特点，设计出适用于在临近空间运行的飞行器的热防护涂层。在镍基高温合金表面设计出了底层为镍光子晶体，表层为SiC涂层的防热结构，在结构中镍光子晶体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。利用不同的制备工艺制备出了基于光子晶体的热防护涂层；分析了涂层的成分、微观组织等；对涂层光学性能进行了表征；利用傅里叶红外光谱仪测试了热防护涂层在高温下的发射率。发现存在光子晶体的涂层光谱发射率有一定的提高，提高的原因是表面粗糙度的增加和有序结构形成的相干热辐射。以实验制备的光子晶体热防护涂层为计算模型，建立起一维三层半透明介质耦合换热宏观模型，对不同材料体系、不同的热防护涂层结构进行了传热特性数值计算，对光子晶体热防护涂层的防护效果进行了性能对比和原因分析。发现光子晶体可提高涂层的防护效果。