热障涂层微观结构对热辐射特性及隔热性能的影响

热障涂层的隔热性能是甚为关键的一个性能指标，虽然对热障涂层中的传热特性已有不少研究，但大多集中在导热方面。由于热障涂层材料（6-8% Y2O3 作为稳定剂的氧化锆 Zr02）在可见光及红外波段（0.3-8 μm）热辐射特性方面呈现出半透明性质，因此其中的热辐射传递必将对其隔热性能产生明显影响。对热障涂层热辐射特性的研究（尤其试验测定方面）急需深入系统研究。本课题拟对热障涂层中与导热耦合的热辐射特性进行深入试验及理论研究，通过对其红外波段穿透率和反射率的测量得出辐射特性参数（波谱吸收率和衰减系数）。通过对其总体导热系数的测量可得出热辐射在其传热中所占比重。为深入研究热障涂层的微观结构对其传热（导热和辐射）的影响，本课题将对等离子喷涂（PS）和EB-PVD涂层的微观结构进行SEM或TEM表征,在此基础上,利用热辐射原理建立起与其微观结构相关的热辐射模型。

热障涂层以其较低的热导率、良好的热力综合性能被用于燃气轮机关键部件的热防护。由于制备热障涂层的主要材料呈现半透明性，因此关于热障涂层热辐射特性的研究引起了高度的关注。已有的研究表明，热障涂层在高温应用的过程中，其辐射热流占总体热流的比重高达30%以上，因此，降低这部分辐射热流将会提高热障涂层的总体隔热性能，进而提升燃气轮机的效率。. 本课题基于较宽谱段（0.25～16μm）对两类目前典型应用热障涂层大气等离子热障涂层（APS TBCs）和电子束物理气相沉积热障涂层（EB-PVD TBCs）进行辐射测量，同时结合辐射传输模型，对热障涂层的辐射特性进行了系统的研究。研究表明热障涂层的微纳结构特别是内部的晶格边界以及孔隙特征（孔隙的大小、形状以及分布）产生的界面散射对其辐射特性的传输有着显著的影响，同时也影响着声子的传输，从而影响着涂层的有效热导率。为了系统研究涂层微结构对辐射传输的影响，本课题建立了一种椭球气孔散射模型，该模型清晰的阐释了涂层微结构与辐射特性参数之间的联系，进一步阐释了辐射传输的物理机理。针对较高孔隙率的热障涂层，本课题采用准晶体近似的方法（QCA）考虑了涂层中辐射传输的相干散射效应，并且与实验结果符合较好。同时，针对电子束物理气相沉积热障涂层较为规则的柱状晶体微结构，本课题采用了时域有限差分的方法对其辐射特性进行了系统的研究。为了能深入研究材料微纳结构对辐射传输特性的影响，本课题对纳米孔、纳米线等新型结构在太阳能光吸收中的应用进行了研究，揭示了周期与非周期对于吸收效率增强的不同机制。. 为了将研究成果更好的转化为实际的工程应用，本课题采用了微结构优化法，设计了一种新型梯度孔隙率热障涂层，实验测量发现，与传统的涂层相比，这种新型梯度孔隙率热障涂层可以在一个较宽的谱段范围内（0.7～9μm）范围内提高其反射率。理论表明，采用新型梯度孔隙率热障涂层将会显著的提高其短波段的散射系数，因而降低涂层中的辐射热流以及基底的温度。精确的计算表明，采用新型梯度孔隙率热障涂层可以降低合金基底的温度高达7.6%。从而提高燃气轮机系统的整体工作效率。. 本课题研究成果共发表30篇论文，其中11篇被SCI收录，16篇被EI收录，其中一篇学术研究论文获得了美国机械工程师协会（ASME）举办的第四届国际微纳尺度传质传热大会最佳论文奖。