181 / 2022-09-19 20:23:57

微弧氧化热控涂层介电响应行为与热辐射强化调控机制

微弧氧化, 热控涂层, 介电响应，光谱选择性吸收, 发射率

在轻量化金属表面采用微弧氧化构建高发射率热控陶瓷涂层，在航空、航天、电子装等领域有很大应用潜力；但通过微弧氧化涂层成分与表面微纳结构协同调控发射率的机制还不明确，提高涂层发射率的途径也是关键的难点问题。本文基于麦克斯韦理论和能量守恒原理，建立涂层材料基元介电响应(复介电函数/复折射率)、光谱辐射特性和辐射散热效率之间的关联关系，提出提高发射率的复折射率判据：当极性电介质的消光系数k和折射率n在0.01<k<1和0.5<n<2的范围之内时，满足提高涂层材料发射率的需求；基于此判据，以钛合金表面构建TiO₂基高发射率为例，因涂层中TiO₂的Ti-O极性振动导致在12-20μm范围内消光系数k＞1，表面强极化效应导致与空气界面阻抗失配，反射率增加使发射率下降；进而通过时域有限差分法设计TiO₂微米谐振腔结构（微孔~6μm/孔深~4μm）, 引导光电场在谐振腔内的局域共振吸收提高发射率，并通过微弧氧化参数调控实现微米谐振腔设计，使涂层在3-20μm的发射率＞0.85。针对铝合金表面微弧氧化Al₂O₃涂层热控与热输导性差的问题，采用微弧氧化纳米BN粒子同步沉积烧结工艺，构建出h-BN/Al₂O₃双层结构涂层，当外层h-BN和内层Al₂O₃的厚度均为20μm时，Al₂O₃能弥补h-BN在~7μm处的大消光系数(k≈3)所导致发射率下降问题，提高涂层热红外发射率＞0.86，太阳光反射率为89%；同时涂层表现出纵向的高热阻和横向高热导的各向异性热导特性。通过电解液体系、特殊纳米粒子、电参数的匹配调控，可实现按需定制不同类型的热控涂层结构，以满足不同热控环境的特殊需求。