多元掺杂锰酸镧陶瓷的相变及红外发射特性研究

锰酸镧材料在一定掺杂范围内可发生室温附近的铁磁性金属体-顺磁性绝缘体相变，显著改变自身的红外发射率，因而具有良好的高温散热性和低温保温性能，是一种极具应用潜力的航天器可变发射率热控材料，其应用可大大简化航天器复杂的热控设计，实现航天器在室温附近的主动温度控制。本项目针对目前掺杂锰酸镧材料红外发射特性的影响因素、影响规律与作用机理不够明确、相变温度不易准确控制以及红外发射率变化幅度不够大等问题，在掺杂锰酸镧材料制备工艺研究的基础上，分别采用稀土元素、过渡金属元素、碱土金属元素和碱金属元素对锰酸镧进行单一掺杂与多元复合掺杂，揭示掺杂元素种类、含量及其复合作用对锰酸镧材料红外发射率和相变温度的影响机理与影响规律，阐明锰酸镧材料的掺杂条件-制备工艺-晶体/微观结构-红外发射特性之间的内在关系，为进一步提高掺杂锰酸镧材料的使用性能提供理论基础和技术途径，推动这一新型热控材料在航天领域的应用。

本项目对ABO3钙钛矿型锰酸镧LaMnO3分别采用A位掺杂（一价主族元素Na、K；二价主族元素Sr、Ca；二价副族元素Zn、Cd单元素掺杂以及稀土元素-主族元素Nd-Na、副族元素-主族元素Cd-Sr两元素复合掺杂）、B位掺杂（副族元素Fe、Ti单元素掺杂）和A-B位复合掺杂（Sr-Fe、Sr-Ti两元素复合掺杂）等多种方式进行掺杂改性，研究了掺杂锰酸镧材料的固相反应合成和溶胶-凝胶合成两种粉体合成工艺、金属模压成型和凝胶注模成型两种成型工艺以及常压烧结工艺，深入探讨了掺杂元素种类、含量及掺杂方式对锰酸镧的晶体结构、物理性能、力学性能及其红外发射特性的影响。项目取得以下主要研究成果：.1）掺杂元素种类对相变温度的影响：在适当的掺杂量下，一价主族元素Na、K、二价主族元素Sr的A位单掺杂和副族元素-主族元素Cd-Sr的A位复合掺杂可使锰酸镧的铁磁性金属体-顺磁性绝缘体相变在室温附近发生，而B位掺杂、A-B位复合掺杂、二价副族元素A位掺杂及稀土元素-主族元素Nd-Na的A位复合掺杂则使该相变在较低温度下发生；.2）掺杂元素含量对相变温度的影响：除Nd-Na的A位复合掺杂外，其余A位单掺和复合掺杂锰酸镧的相变温度都随掺杂量的增大而提高；而B位单掺和A-B位复合掺杂锰酸镧的相变温度都随掺杂量的增大而降低。.3）掺杂元素及含量对锰酸镧晶体结构的影响：二价主族元素Sr、Ca、二价副族元素Cd的A位单掺杂及Cd-Sr的A位复合掺杂可使锰酸镧的晶胞体积减小；而B位掺杂和A-B位复合掺杂则使锰酸镧晶胞体积增大。提高掺杂量可增大晶胞体积的变化率。.4）掺杂元素及含量对锰酸镧室温红外发射率的影响：除二价副族元素Zn、Cd的A位单掺外，其余A位单掺和复合掺杂锰酸镧的室温红外发射率都随掺杂量的增大而降低；而B位单掺和A-B位复合掺杂锰酸镧的室温红外发射率都随掺杂量的增大而提高。.5）实验范围内，La0.825 Sr0.175 MnO3材料的法向红外发射率在-100C~100C之间变化最大，达到0.31，且用固相反应粉体所制备的材料其性能高于溶胶-凝胶粉体所制备的材料。.6）总体而言，A位掺杂对锰酸镧性能的影响与B位或A-B位掺杂对其性能的影响趋势相反，针对本项目的应用背景，采用离子半径较大的+2价或+1价主族元素对锰酸镧的A位进行掺杂，可取得较好的结果。