铁氧体基红外辐射陶瓷与节能涂层的制备及性能优化

【摘要】：红外辐射材料可通过热辐射形式强化传热，改善温度分布，减少热损失，因其良好的节能效果，已在工业炉节能、红外加热、航天器热控制等方面得到广泛应用。 近几年，红外辐射材料的研究得到十足的发展，8~20μm波段的发射率已超过0.9，但高温下1~8μm波段的辐射性能仍较差，只有0.5左右，这无疑限制了红外辐射材料的高温节能效果与应用范围。针对这一问题，本文进行了理论分析，从材料结构控制与设计的角度出发，以Fe2O3、MnO2、Co2O3、CuO、NiO、SiC和堇青石为原料，采用微波加热制备细晶红外辐射材料，研究了加热工艺和化学组分对红外辐射性能的影响，同时采用等离子喷涂工艺和超音速火焰喷涂技术制备非晶态和结晶态红外辐射涂层，研究非晶态和结晶态结构对发射率的影响，并对红外辐射涂层在高温炉窑和民用领域的推广进行了探索研究。 研究结果表明，微波加热能够实现红外辐射材料的低温快速合成（900℃保温1h或1200℃保温10min即可），制备的陶瓷材料晶粒尺寸较小。适当提高反应温度的同时缩短保温时间有利于小晶粒的产生。随着保温时间的延长，发射率逐渐提高，当1200℃保温1h时，800℃下6~8μm波段的发射率达到0.9，比常规加热1200℃保温2h合成的要高。Fe2O3和MnO2的配比变化对发射率影响较小，而随着具有尖晶石结构的铁氧体材料含量增加，发射率逐渐提高，但短波段的发射率提高幅度有限。等离子喷涂工艺制备的非晶态红外辐射涂层具有较高的结合强度和优异的抗热震性能，重要的是其高温短波段发射率明显提高，800℃下3~6μm波段测得的发射率在0.8以上，8~14μm波段发射率最高达到0.94。采用超音速火焰喷涂制备的铁氧体基红外辐射涂层与基体的结合强度为30.7MPa，远高于刷涂工艺的5.9MPa，涂层呈层状堆积结构，内部结构致密，表面有500nm~1μm的半熔融小颗粒，全波段发射率值为0.75~0.83，其在家用燃气水壶上的应用具有较高的节能效果，节能效率高达30.5%，有着诱人的应用前景。 【关键词】：红外辐射节能 微波加热 等离子喷涂 非晶结构 超音速火焰喷涂
【学位授予单位】：武汉科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG174.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-22
• 1.1 红外辐射的基础理论10-13
• 1.1.1 红外辐射的基本概念10-12
• 1.1.2 红外辐射的基本定律12-13
• 1.2 红外辐射陶瓷13-20
• 1.2.1 红外辐射陶瓷的定义和分类13-14
• 1.2.2 影响红外辐射陶瓷发射率的因素14-16
• 1.2.3 提高红外辐射特性的途径16-17
• 1.2.4 红外辐射陶瓷的研究现状17-19
• 1.2.5 红外辐射陶瓷的应用19-20
• 1.3 本课题的研究目的与研究内容20-22
• 1.3.1 研究目的及意义20
• 1.3.2 研究内容20-22
• 第2章 实验材料和实验方法22-28
• 2.1 实验原料22
• 2.2 实验22-24
• 2.2.1 红外辐射材料的制备22-23
• 2.2.2 红外辐射涂层的制备23-24
• 2.2.3 实验设备24
• 2.3 性能检测与表征24-28
• 2.3.1 X 射线衍射分析24-25
• 2.3.2 扫描电镜分析25
• 2.3.3 热重-差热分析25
• 2.3.4 材料的红外性能检测25-26
• 2.3.5 涂层的结合强度检测26-27
• 2.3.6 抗热震性能检测27-28
• 第3章 微波加热制备堇青石-铁氧体基红外辐射陶瓷及性能表征28-34
• 3.1 引言28
• 3.2 实验28-29
• 3.2.1 红外辐射材料的制备28-29
• 3.2.2 性能检测与表征29
• 3.3 结果与讨论29-33
• 3.3.1 红外陶瓷的物相和结构分析29-31
• 3.3.2 红外辐射陶瓷的发射率检测31-33
• 3.4 本章小结33-34
• 第4章 堇青石-铁氧体基红外辐射陶瓷的组分调控与性能优化34-40
• 4.1 引言34
• 4.2 实验34-35
• 4.2.1 材料的制备34
• 4.2.2 性能检测与表征34-35
• 4.3 结果与讨论35-39
• 4.3.1 红外陶瓷的物相和结构分析35-36
• 4.3.2 热稳定性分析36-38
• 4.3.3 辐射率检测38-39
• 4.4 本章小结39-40
• 第5章 堇青石-铁氧体基红外辐射涂层的制备及性能40-46
• 5.1 引言40
• 5.2 实验40-41
• 5.2.1 材料的制备40-41
• 5.2.2 涂层的制备41
• 5.2.3 性能检测及表征41
• 5.3 结果与讨论41-45
• 5.3.1 形貌结构分析41-43
• 5.3.2 物相组成分析43-44
• 5.3.3 辐射率检测44-45
• 5.3.4 结合强度检测45
• 5.3.5 抗热震实验45
• 5.4 本章小结45-46
• 第6章 铁氧体-碳化硅基非晶态红外辐射涂层的制备与性能表征46-52
• 6.1 引言46
• 6.2 实验46-47
• 6.2.1 复合材料的制备46
• 6.2.2 涂层的制备46
• 6.2.3 性能检测与表征46-47
• 6.3 结果与讨论47-51
• 6.3.1 形貌结构分析47
• 6.3.2 物相组成与热稳定性分析47-49
• 6.3.3 辐射率检测49-50
• 6.3.4 抗热震性能检测50-51
• 6.4 本章小结51-52
• 第7章 超音速火焰喷涂制备红外辐射涂层及其在节能水壶中的应用52-62
• 7.1 引言52
• 7.2 实验52-53
• 7.2.1 粉料的制备52
• 7.2.2 涂层的制备52-53
• 7.2.3 性能检测与表征53
• 7.3 结果与讨论53-59
• 7.3.1 粉料的热重-差热分析53-54
• 7.3.2 粉料和涂层的形貌分析54-56
• 7.3.3 粉料和涂层的物相分析56-57
• 7.3.4 辐射率检测57
• 7.3.5 机械性能检测57-59
• 7.4 红外辐射涂层的应用推广59-61
• 7.5 本章小结61-62
• 第8章 结论与展望62-64
• 8.1 结论62-63
• 8.2 展望63-64
• 参考文献64-71
• 附录 攻读硕士研究生期间取得的成果71-73
• 致谢73

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