CN102933747A - 纳米涂层热障及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

涂层适合于施加到衬底，用于控制热行进通过衬底的流动。所述涂层包括保持在玻璃态基体中的金属纳米颗粒阵列。

Description

纳米涂层热障及其制备方法
技术领域
本公开内容一般涉及用于控制热能转移通过材料的技术，并且更具而言涉及热障涂层以及用于制备该涂层的方法。
发明背景
管理热能通过材料的流动在很多行业中都是重要的。热能以已知为声子的热量子形式流经材料。通过使用对声子流动存在阻力的隔层(insulation)可以减少声子通过材料的流动，导致热量差别或温度梯度。然而，使用隔层以控制热能转移在一些应用中可能具有局限性。例如，在航空航天工业中，使用隔层以减少热能转移可能对飞行器增加不期望的重量，或者可能导致部件过大或过厚而达不到应用要求。
通过对材料提供在热量可能被吸收之前将其从材料反射的反射性表面，也可以减少声子通过材料的流动。然而，由于需要维护抛光和/或镜面一样的反射性表面，其可以增加操作成本，所以依赖高反射性表面控制热能转移在一些应用中可能是有问题的。
近来，已经发现层状二维阵列的小金属颗粒可以干扰声子的流动，从而减少热以基本垂直于所述层的方向通过这些层的流动。然而，通过被已知为声子干扰的现象使用层状二维阵列的小金属颗粒以减少热流动很大程度上限于实验室试验。已知的层状二维阵列，对于生产而言可能耗时且昂贵，并且可产生可能不足够持久的用于高性能应用的表面，比如在航空和航天工业中发现的那些。
因此，需要可用作热障以用声子干扰控制热通过材料的流动，并且持久和牢固的涂层。还需要制备该涂层并将其施加到衬底的方法，其既相对经济又可用于覆盖相对大面积的衬底表面。
发明内容
公开的实施方式提供了热障涂层，其使用包括具有高和低热导率的纳米级材料的复合结构阻碍或减少热流动，所述纳米级材料排列在薄膜中或作为小颗粒阵列保持在基体中。在一个实施方式中，复合结构包括具有相对高热导率的准规则3-D阵列的金属纳米球，该金属纳米球嵌入具有相对低热导率的玻璃态搪瓷（enamel）基体中。行进通过涂层的热波遇到不连续的热导率并且部分地在基体材料和纳米颗粒之间的内部界面反射。来自不连续处一组界面的部分反射的总和产生聚集的大体反射性材料。在一些情况下，这些内部反射可以造成量子水平的相互干扰。这种干扰造成高度定向的散射特性，其用以强烈地限制热向前流动，给予材料很低的热导率。实际上，公开的涂层的热能带是内部“光亮的(shiny)”。当尺寸合适时，所述涂层可以展示少到相同基体和纳米颗粒材料一起混合成为整体合金的2%的热导率。由于公开的热障涂层不根据表面特性来控制热流动，所以其可以嵌入元件或衬底的内部或之间。
公开的热障涂层对于施加在大面积的衬底上而言重量轻且相对经济。可定制(tailor)涂层以减少在相对宽温度范围上的热能传递，其仍高度持久且适合用在高性能应用中，比如航空和航天工业中的那些。在一些应用中，使用公开的热障涂层可以减少对可设计用于经受更高温度的相对昂贵材料比如钛的需要。在其它应用中，所述涂层还可以定制用于适合用在复合材料比如石墨/环氧复合材料上的更低温应用。与层状2-D阵列可仅排斥垂直于那些层的调谐的声子频率的现有技术形成对比，公开的热障涂层从热能流动的任何方向产生声子干扰。
根据一个公开的实施方式，提供了涂层，其适合于施加到衬底，用于控制热行进通过衬底的流动。所述涂层包括保持在玻璃态基体材料中的金属纳米颗粒阵列。该阵列基本可以是准规则3-D。纳米颗粒可以包括金属并且可以是球形。阵列中纳米颗粒的间隔可基本恒定，纳米颗粒的分子量基本大于基体材料的分子量。在一个实施方式中，纳米-颗粒颗粒材料分子量与基体材料分子量的比大于大约10。换言之，金属球由重材料比如钨制成，并且所述基体由轻材料比如硅制成。在不丧失一般原则的情况下可以选择其它材料。
根据另一个公开的实施方式，提供了涂层，其适合于施加到衬底，用于控制热行进通过衬底的流动。所述涂层包括保持在基体中的纳米颗粒阵列，纳米颗粒在所述基体中的热导率基本大于基体的热导率。基体可以是包括熔凝石英、钠钙玻璃、硼硅玻璃和铝硅玻璃之一的玻璃态化合物。玻璃基体可以是陶瓷比如氧氮化铝的形式。纳米颗粒的尺寸基本类似于在预选温度经过涂层传递热的声子的波长。
根据进一步的实施方式，提供了热障涂层。涂层包括至少两层，每层包括保持在玻璃态基体材料中的金属纳米颗粒阵列。所述层具有分别定制以在至少两个温度范围内减少热传递的特征。该特征可以包括纳米颗粒之间的间隔、纳米颗粒质量与玻璃态基体材料质量的比以及纳米颗粒弹性常数与玻璃态基体材料弹性常数的比之中至少一项。热障涂层可以进一步包括第三层，其包括保持在玻璃态基体材料中的金属纳米颗粒阵列，其中第三层具有定制以在不同于第一和第二温度范围的第三温度范围内减少热传递的特征。
根据仍另一个实施方式，提供用于航空器部件的热障涂层。该涂层包括玻璃态基体，以及多个保持在基体中的金属纳米颗粒。该纳米颗粒在3-D阵列中排列，并且以基本恒定的距离间隔开，该距离基本等于经涂层传递热能的声子的波长。
根据进一步的实施方式，提供了制备热障涂层的方法。该方法包括将玻璃态化合物施加到金属纳米颗粒，并且将玻璃态化合物熔化到保持纳米颗粒的玻璃基体中。可以通过将具有溶胶-凝胶二氧化硅化合物的玻璃态粉末或涂层喷射到纳米颗粒上来形成该涂层。该方法进一步包括将纳米颗粒组装到准规则3-D阵列中。
根据仍另一个公开的实施方式，提供了在衬底上形成热障涂层的方法。该方法包括用玻璃态化合物涂布金属纳米颗粒并且将涂布的纳米颗粒自组装到准规则3-D阵列中。该方法还包括将组装的纳米颗粒施加到衬底并且将玻璃态化合物涂层熔化到基本均匀的基体中。
1.涂层，其适合于施加到衬底，用于控制热行进通过所述衬底的流动，包括：
保持在玻璃态基体材料中的金属纳米颗粒阵列。
2.权利要求1所述的涂层，其中所述阵列是三维阵列。
3.权利要求1所述的涂层，其中所述阵列基本是准规则的。
4.权利要求1所述的涂层，其中所述纳米颗粒是大体球形的。
5.权利要求1所述的涂层，其中所述纳米颗粒包括以下之一：
钨；和
钴。
6.权利要求1所述的涂层，其中所述玻璃态基体材料包括以下之一：
熔凝石英，
钠钙玻璃，
硼硅玻璃，
铝硅玻璃。
7.权利要求6所述的涂层，其中：
所述熔凝石英包括无定形的SiO2，
所述钠钙玻璃包括SiO2、Na2O、CaO、Al2O3、MgO，
所述硼硅玻璃包括B2O3、Na2O、K2O、CaO，并且
所述铝硅玻璃包括SiO2、Na2O、CaO、Al2O3、MgO，
所述硼硅玻璃包括SiO2、B2O3、Al2O3、Na2O、MgO和CaO。
8.权利要求1所述的涂层，其中所述玻璃态基体材料是陶瓷。
9.权利要求8所述的涂层，其中所述陶瓷是氧氮化铝。
10.权利要求1所述的涂层，其中所述阵列中所述纳米颗粒之间的间隔大体恒定。
11.权利要求1所述的涂层，其中所述纳米颗粒的原子量基本大于所述基体材料的原子量。
12.权利要求11所述的涂层，其中所述纳米颗粒的原子量与所述基体材料的量的比大于大约10。
13.权利要求1所述的涂层，其中所述纳米颗粒的弹性常数基本大于所述基体材料的弹性常数。
14.权利要求1所述的涂层，其中所述玻璃态基体材料是搪玻璃。
15.适合于施加到衬底用于控制热行进通过所述衬底的流动的涂层，包括：
保持在基体材料中的纳米颗粒阵列，其中所述纳米颗粒的热导率基本大于所述基体材料的热导率。
16.权利要求15所述的涂层，其中所述阵列是基本上规则的三维阵列。
17.权利要求15所述的涂层，其中所述基体材料是玻璃态材料。
18.权利要求15所述的涂层，其中所述纳米颗粒的形状是大体球形。
19.权利要求15所述的涂层，其中所述纳米颗粒选自：
钨，和
钴。
20.权利要求17所述的涂层，其中所述玻璃态材料包括以下之一：
熔凝石英，
钠钙玻璃，
硼硅玻璃，
铝硅玻璃。
21.权利要求20所述的涂层，其中：
所述熔凝石英包括无定形的SiO2，
所述钠钙玻璃包括SiO2、Na2O、CaO、Al2O3、MgO，
所述硼硅玻璃包括B2O3、Na2O、K2O、CaO，并且
所述铝硅玻璃包括SiO2、Na2O、CaO、Al2O3、MgO，
所述硼硅玻璃包括SiO2、B2O3、Al2O3、Na2O、MgO和CaO。
22.权利要求17所述的涂层，其中所述玻璃态材料是陶瓷。
23.权利要求22所述的涂层，其中所述陶瓷是氧氮化铝。
24.权利要求15所述的涂层，其中所述阵列中所述纳米颗粒之间的间隔大体恒定。
25.权利要求15所述的涂层，其中所述纳米颗粒的原子量与所述基体材料的原子量的比大于大约10。
26.权利要求15所述的涂层，其中所述纳米颗粒的弹性常数基本大于所述基体材料的弹性常数。
27.权利要求17所述的涂层，其中所述玻璃态材料是搪玻璃。
28.权利要求13所述的涂层，其中所述阵列中所述纳米颗粒之间的距离基本等于经所述涂层传递热的声子的波长。
29.热障涂层，包括：
至少两层，每层包括保持在玻璃基体中的金属纳米颗粒阵列，其中所述层具有分别定制以在两个温度范围内减少热传递的特征。
30.权利要求29所述的热障涂层，其中所述特征包括以下至少一个：
在每个所述阵列中，所述纳米颗粒之间的间隔，
在每个所述阵列中，所述纳米颗粒质量与所述玻璃基体质量的比，以及
在每个所述阵列中，所述纳米颗粒的弹性常数与所述玻璃基体的弹性常数的比。
31.权利要求29所述的热障涂层，进一步包括第三层，其包括保持在玻璃基体中的金属纳米颗粒阵列，其中所述第三层具有定制以在不同于所述第一和第二温度范围的第三温度范围内减少热传递的特征。
32.权利要求29所述的热障涂层，其中：
每个所述阵列都是三维阵列并且是准规则的，并且
每个所述阵列中的所述纳米颗粒是大体球形的。
33.权利要求29所述的热障涂层，其中每个所述层中的所述玻璃基体包括以下之一：
熔凝石英、
钠钙玻璃、
硼硅玻璃，以及
铝硅玻璃。
34.用于航空器部件的热障涂层，包括：
玻璃态搪瓷基体；以及
多个保持在所述基体中的金属纳米颗粒，所述纳米颗粒在3-D阵列中排列，并且以基本恒定的距离间隔开，该距离基本等于经所述涂层传递热能的声子的波长。
35.制备热障涂层的方法，包括：
将玻璃态化合物施加到金属纳米颗粒；并且
熔化所述玻璃态化合物进入保持所述纳米颗粒的玻璃基体中。
36.权利要求35所述的方法，其中施加所述玻璃态化合物通过以下之一来执行：
将玻璃态粉末喷射到所述纳米颗粒上，以及
将玻璃态粉末的溶胶-凝胶施加到所述纳米颗粒上。
37.权利要求35所述的方法，进一步包括：
将所述纳米颗粒排列到准规则3-D阵列中。
38.权利要求35所述的方法，进一步包括：
选择设计所述涂层以用作热障的温度范围，并且
基于所述选择的温度范围选择所述金属纳米颗粒的大小。
39.权利要求35所述的方法，其中熔化所述玻璃态化合物是通过将在所述涂布的纳米颗粒上的所述玻璃态化合物加热至所述玻璃态化合物的熔解温度来进行的。
40.权利要求39所述的方法，其中加热所述玻璃态化合物是通过激光进行的。
41.权利要求35所述的方法，进一步包括：
将所述纳米颗粒组装到准规则3-D阵列中。
42.通过权利要求35所述的方法制备的热障涂层。
43.在衬底上形成热障涂层的方法，包括：
用玻璃态化合物涂布金属纳米颗粒；
将所述涂布的纳米颗粒自组装到准规则3-D阵列中；
将所述组装的纳米颗粒施加到所述衬底；并且
熔化所述玻璃态化合物涂层进入基本均匀的基体中。
44.权利要求43所述的方法，其中所述熔化是通过将所述涂布的纳米颗粒至少加热到所述玻璃态化合物的熔点进行的。
45.权利要求43所述的方法，其中所述自组装是通过以下方式进行的：
通过添加溶剂与所述涂布的纳米颗粒的混合形成淤浆，并且
从所述淤浆蒸发所述溶剂。
46.权利要求45所述的方法，其中将所述组装的纳米颗粒施加到所述衬底是通过将所述淤浆施加到所述衬底进行的。
47.权利要求43所述的方法，进一步包括：
选择温度范围，在该温度范围内所述涂层减少热能传递；并且
基于所述选择的温度范围选择所述纳米颗粒和所述玻璃态化合物的特征。
48.权利要求45所述的方法，进一步包括：
使所述3-D阵列中所述纳米颗粒的间隔与将热能传递进入所述涂层中的声子的波长基本上匹配。
49.用于控制热行进通过衬底的流动的方法，包括：
将涂层施加到所述衬底上，包括将3-D阵列的金属颗粒组装到基体中。
50.权利要求49所述的方法，进一步包括：
通过使用所述金属颗粒反射穿过所述涂层的热声子(thermalphonon)，至少部分地阻碍热行进通过所述衬底的流动。
51.权利要求49所述的方法，进一步包括：
使用所述金属颗粒反射在基本任何方向上穿过所述涂层的热声子。
52.权利要求49所述的方法，进一步包括：
选择金属颗粒和基体，其具有基本上不同的热导率并造成所述声子行进通过所述涂层的反射。
53.权利要求52所述的方法，其中选择所述金属颗粒包括基于温度范围选择所述金属颗粒的大小，在该温度范围内控制所述热的行进。
54.权利要求52所述的方法，其中选择所述基体包括使所述基体的热膨胀系数与所述衬底的热膨胀系数基本匹配。
55.权利要求49所述的方法，其中将所述金属颗粒组装到所述3-D阵列中包括用玻璃态化合物涂布所述金属颗粒并且将所述涂层熔化到基本均匀的基体中。
56.权利要求49所述的方法，其中将所述金属颗粒组装到所述3-D阵列中包括：
将所述金属颗粒和基体材料的混合物施加到所述衬底上，并且
将所述基体材料熔化到保持所述金属颗粒在所述3-D阵列中的基本均匀的基体中。
57.权利要求56所述的方法，其中将所述基体材料熔化是通过将所述混合物至少加热到所述基体材料的熔点进行的。
58.权利要求49所述的方法，其中将所述金属颗粒组装到所述3-D阵列中包括将所述颗粒以导致携带热通过所述涂层的声子之间干扰的距离彼此分隔开。
59.用于航天飞行器组件的热障涂层，包括：
选自以下的玻璃态化合物基体：
熔凝石英，
钠钙玻璃
硼硅玻璃，以及
铝硅玻璃。
准规则3-D阵列的球形金属纳米颗粒保持在所述基体中，并且选自钨和钴，所述金属纳米颗粒的热导率基本大于所述基体的热导率，并且彼此间以与经过所述基体传递热能的声子的波长基本相等的距离隔开。
60.在航天飞行器的组件上形成热障的方法，包括：
选择温度范围，在该温度范围内所述热障减少传递到所述组件的热能；
选择用于所述涂层的金属纳米颗粒，包括基于所选择的温度范围选择所述纳米颗粒的材料和选择所述纳米颗粒的大小；
基于对于用作所述纳米颗粒选择的所述材料的热导率选择玻璃态化合物基体材料，在基体材料中可以保持所述纳米颗粒；
通过将玻璃态化合物粉末喷射到所述纳米颗粒上在所述纳米颗粒周围形成玻璃态化合物外壳；
通过将溶剂与所述涂布的纳米颗粒混合形成淤浆；
将所述淤浆施加到所述组件的表面；
将所述涂布的纳米颗粒自组装到准规则3-D阵列中，包括从所述淤浆蒸发所述溶剂；并且，
通过将所述玻璃态化合物外壳一起熔化，包括将所述玻璃态化合物至少加热到其熔点，形成基本均匀的基体，用于支撑纳米颗粒的所述3-D阵列和将所述基体结合到所述组件的表面。
公开的实施方式满足了对于低成本、持久的高性能热障涂层的需求，该涂层在用于控制经过衬底的热能传递的许多应用中是有用的。
附图简述
图1是根据公开的实施方式，在其上具有热障涂层的衬底的截面图图示。
图2是航空器发动机安装排列的侧视图图示，包括具有热障涂层施加至其的挡热罩。
图3是与图1类似的图示，但显示使用热障涂层以减少热能从衬底逸出。
图4是显示夹在两个衬底之间的热障涂层的截面图图示。
图5是与图4类似的图示，但显示夹在三个衬底之间的两个热障涂层，用于控制两个单独的温度范围内的热能传递。
图6是衬底的截面图图示，在其上有三个堆叠的热障涂层，用于分别控制三个不同温度范围内的热能传递。
图7是热障涂层的透视图图示，其中金属纳米颗粒排列在准规则3-D阵列中。
图8是涂布的纳米颗粒在被熔化到基本均匀的搪玻璃之前在阵列中排列的平面图图示。
图9是对于解释通过声子干扰减少热能传递有用的图的图示。
图10是在其上具有热障涂层的衬底的截面图图示，其中该涂层包括不同尺寸的纳米颗粒的层，用于控制三个不同温度范围内的热能传递。
图11是优化和施加热障涂层的方法的流程图图示。
图12是控制热行进通过衬底的流动的方法的流程图图示。
图13是航空器生产和维护方法的流程图图示。
图14是航空器的方框图的图示。
发明详述
参考图1，公开的实施方式涉及热障涂层30，其可以施加到衬底34以便控制热36——本文也称作热能——从较高温度TH区域到较低温度TL区域的传递。图1所示的实例中，热障涂层30被设计用于减少到达衬底34的热36的量。如下面将更详细的描述，热障涂层30可以是相对薄的、持久的层，或这样的材料层：其通过干扰通过涂层30的声子流动减少已知为声子的热量子形式的热能36的传递，因而形成基本减少转移至衬底34的热能36的屏障。声子是准粒子，特征是固体的周期性、弹性晶体结构的晶格振动模式的量子化。声子可被视为具有类粒子特性的波包。
公开的热障涂层30具有很多在各种工业中的应用，比如，但不限于，航空和航天工业。例如，图2图示说明了涂层30的航空和航天应用。喷气发动机38通过悬臂架(pylon)42安装在机翼40上。金属挡热罩44防止悬臂架42遭受由于在46处离开发动机38的热排气造成的过热。热障涂层30可施加到挡热罩44的外表面以便减少到达挡热罩44的热能的量。由于涂层30提供热障，挡热罩44可以由重量较轻的和/或不太昂贵的材料形成，所述材料可能不能够承受直接暴露于发动机38产生的热排气温度。例如，但不限于，在不存在热障涂层30的情况下，使用由钛制成的挡热罩44可能是必要的，以便抵挡来自发动机38的热排气。然而，由于使用热障涂层30，挡热罩44可以由不太昂贵的和/或较轻的材料比如铝或复合材料制成。
涂层30的航空和航天应用的其它典型实例包括，但不限于，位于APU(辅助动力单元)附近的组件、热液压组件、发动机舱、钛喷嘴表面、涡轮叶片和燃烧室壁，仅举几例。热障涂层30可用在其它工业中，比如用于维护双壁真空系统(未显示)内的低温电缆(未显示)。涂层30的应用可以减少保持真空的需要，提供低得多的制造和运行成本。
图3图示说明了另一个实例，其中具有厚度t的热障涂层30用于限制从施加涂层30的衬底34逸出的热能(热)36的量。在该实例中，热能传递的方向与图1中实例所示的方向相反。除了减少热能36经过涂层30的厚度t的流动，涂层30还有效地减少涂层30内图3中箭头36a所示的面内方向、以及其它方向上的热能传递。
参考图4，热障涂层30可用作夹在两个衬底34、34a之间的内层35，而不是仅作为图1和3所示的表面涂层。接触热障涂层30的衬底34、34a可以是任何材料，包括但不限于金属和复合材料。
多于一个的热障涂层30可用于控制热能通过一个或多个衬底34的传递。例如，如图5所示，两个热障涂层30、30’分别夹在两个外部衬底34、34b和中间衬底34a之间。根据应用，两个热障涂层30、30’可基本相同，或者可以具有不同的材料和/或特征，其在控制在两个不同温度范围Tr1、Tr2内的热能传递方面分别是有用的。
图6图示说明了热障涂层30的另一个实施方式。在该实例中，涂层30包括三个堆叠的层30a、30b、30c，其可分别利用不同的材料和/或具有不同的特征，这产生分别在不同温度范围Tr1、Tr2、Tr3内控制热能传递经过涂层30的层30a、30b、30c。
现参考图7和8，涂层30包括嵌入和保持在基体66中的单个纳米尺寸颗粒60的准规则3-D(三维)阵列，基体66可以包括二氧化硅基化合物。如本文所用的，“3-D阵列”和“准规则3-D阵列”是指其中纳米颗粒60一般在3-D阵列中排列并且以大体恒定的距离D间隔开的3-D阵列，但其中可能存在一些不规则，比如，但不限于，缝隙、不恒定的颗粒内间隔、缺失的纳米颗粒60等。
图8显示处于制造的中间阶段的涂布的纳米颗粒58，其中个体纳米颗粒60已经被玻璃态(二氧化硅基)化合物的层涂布，其形成包围纳米颗粒60的外壳62。金属纳米颗粒60可以包括金属比如钨或钴并且可以是球形的，然而其它金属和几何形状也可是可能的。纳米颗粒60的尺寸，以及在阵列56中其之间的间隔D(图9)取决于声子64的波长λ，其又可通过其中热障涂层30被设计为有效的温度或温度范围确定。通过涂层30的声子的平均自由行程用于限定在阵列中间隔的将纳米颗粒分隔开的间距D(spacing nono-particle spacing D spacing in the array)。颗粒的平均自由行程是其在连续的冲击(impact)之间行进的平均距离。
选择用于支持基体66的材料应当展现至少和声子波长λ一样长的声子平均自由行程长度以便防止声子从材料位错中散射。用于基体66与用于纳米颗粒60的材料之间的原子量比应当如实际一样高，并且基体66的材料的机械顺从性可以优化以便实现涂层30的大的声子捕获率。在一个实际的实施方式中，纳米颗粒60与基体66的原子量比为至少大约10。
涂层30可以具有厚度t，其足以对自组装过程中的位错或误差提供容限。可以选择用作基体66的化合物，以便涂层30的热膨胀系数基本匹配施加涂层的衬底34的热膨胀系数。涂层30的性能可以取决于原子量比、热导率比、弹性常数以及复合结构的几何形状。超点阵中的两个原子量之间的差越大，充当声子镜(phonon mirror)的超点阵越多，只要基体66和纳米颗粒60之间存在显著的弹性常数差，则将反射热。
如本文所用的，“玻璃”、“玻璃态”、“玻璃化合物”、“玻璃化合物”和“二氧化硅基化合物”指的是含二氧化硅的化合物。在一个实施方式中，基体66可以包括玻璃态化合物，比如，但不限于，陶瓷、熔凝石英、钠钙玻璃、硼硅玻璃、铝硅玻璃，仅举几例。熔凝石英可以包括无定形的SiO2，并且钠钙玻璃可以包括SiO2、Na2O、CaO、Al2O3和MgO。硼硅玻璃可以包括B2O3、Na2O、K2O和CaO。铝硅玻璃可以包括SiO2、Na2O、CaO、Al2O3和MgO。硼硅玻璃可以包括SiO2、B2O3、Al2O3、Na2O、MgO和CaO。熔凝石英和熔凝硅石是主要含无定形形式的二氧化硅的玻璃类型。钠钙玻璃(soda-lime glass)，也称作钠钙硅玻璃(soda-lime-silica glass)，是最普遍的玻璃类型，并且通常用于窗玻璃和玻璃容器。
众所周知和已经证实的玻璃工程技术可用于制备用作基体66的玻璃态搪瓷。合适的陶瓷可以包括氧化物、非氧化物和复合材料。典型的陶瓷包括氧氮化铝、二氧化硅玻璃纤维以及二氧化硅气凝胶。这三种类型的陶瓷可以具有大约1150℉至1200℉的运行的最大安全工作温度。包括上述类型的二氧化硅基化合物的基体66可以是玻璃釉料(frit)的形式。当通过施加热熔化时，玻璃釉料熔化进入透明的(vitreous)、低成本的、持久的搪瓷涂层中，该涂层展示良好的粘合性能并且容易地与表面金属氧化物结合。搪瓷涂层还可以具有期望的量子特性，并且可以用于大约1400℉以上。
图9图示说明在制造步骤之后一部分嵌入的纳米颗粒60的3-D阵列，其中外壳62(图8)已经熔入基本均匀的玻璃态基体66中。随着声子64从涂层30内较热的区域TH行进至较冷的区域TL，冲击式(ballistic)声子64经过涂层30的流动被中断。这种中断是由于分别具有显著不同热导率的主基体66和纳米颗粒60之间的大量界面65造成的。
遇到纳米颗粒60的声子64被部分地反射，如箭头70所示。如果纳米颗粒60的间距接近声子64的波长λ，则反射70可能彼此干扰。这些干扰共同产生聚集的热反射，其减少热能流动通过涂层30并降低其有效的热导率。对声子64的反射70造成干扰的基体66和颗粒60的热导率差可取决于质量比、有效基体刚性度常数、短路径长度上基体中的声子分散和散射、以及纳米颗粒60排序的相对周期。这里应当注意，不论声子64经过涂层30流动的方向如何，纳米颗粒60的3-D空间排列——包括选择用于其间距的距离D(图8)——造成期望的声子64的内部反射。
图10图示说明了多层涂层30的额外细节，类似于之前与图6结合的描述。在该实例中，层30a、30b和30c中的每个都包括嵌入玻璃态基体66中的纳米颗粒60a、60b和60c的准规则3-D阵列(图9)，其中层30a、30b、30c中的每个分别“被调谐(tuned)”至特定的带隙，其减少特定温度范围内的热能传递。层30a、30b、30c的调谐可以包括选择3-D阵列结构的组合参数，比如周期、颗粒尺寸、质量比、弹性常数、散射密度等。例如，但不限于，在一个实际的实施方式中，在顶层30a的情况下，可能需要10至20nm的纳米颗粒60周期或间隔以调谐所述层，用于减少大约1000℉至500℉的温度范围内的热能传递。中间层30b可能需要大约20nm至50nm的纳米颗粒周期以便将其调谐用于大约500℉至200℉的温度范围，同时底层30c可能需要大约50nm至100nm的纳米颗粒周期以便将其调谐用于大约250℉至100℉的温度范围。
现将注意力放到图11，其图示说明使用热障涂层30控制热行进通过衬底34的方法以及制备涂层30的方法的一个实施方式的所有步骤。在步骤72开始，选择一个或多个温度或温度范围用于给定的应用。这些选择的温度是其中热障涂层30被设计用于控制热能行进通过衬底34的那些温度。基于在步骤72选择的温度，在步骤74选择基体材料并在步骤76选择纳米颗粒材料。在步骤74和76基体材料和纳米颗粒材料的选择至少部分地基于在步骤72选择的温度范围。在步骤74和76选择基体材料和纳米颗粒材料以便其具有基本不同热导率。选择金属纳米颗粒60的尺寸，以便产生的金属纳米颗粒60之间的间距D(图8)与携带热通过衬底34的声子64的波长基本匹配。可以选择基体材料，以便其热膨胀系数与衬底34的热膨胀系数基本匹配。随后，在78，使用各种方法中的任一种将基体材料涂布在选择的纳米颗粒60上，包括但不限于，将基体材料喷射在纳米颗粒60上。随后，在80，通过将涂布的纳米颗粒58(图8)置于溶剂或凝胶(未显示)中形成淤浆，其使得涂布的纳米颗粒58自组装到准规则3-D阵列中。在步骤82，通过任何合适的技术，比如将淤浆喷射在衬底34上或通过将衬底34浸在淤浆中，将淤浆施加到衬底34。
在步骤84，从衬底34上的淤浆蒸发溶剂或凝胶，使得涂布的纳米颗粒58自组装到准规则3-D阵列中。作为通过上述方案技术将涂布的纳米颗粒58自组装到3-D阵列中的备选方案，可以通过静电辅助的干沉积实现自组装。最后，在步骤86，通过烧结涂布的纳米颗粒58将包围纳米颗粒60的外壳62熔合到一起以形成基本均匀的基体66。基体材料外壳62的烧结和熔化可通过在炉中加热涂布的纳米颗粒58以熔融和熔化玻璃釉料状外壳62、或可通过用激光将外壳62熔化到结合到衬底34的搪瓷表面中来进行。使用激光熔化外壳62允许更低的处理温度，其可允许将热障涂层施加到复合结构(未显示)，比如石墨/环氧复合材料。可以通过浸渍、喷射或其它合适的技术将涂层30施加到衬底34。
图12图示说明使用通过之前结合图11描述的方法产生的热障涂层30控制热行进通过衬底的流动的方法的步骤。在步骤87开始，选择其中热障涂层30有效的温度或温度范围。在89，选择用于金属颗粒60和基体66的材料。选择这两种材料以便其具有基本不同的热导率。在步骤91，选择3-D阵列中的金属颗粒60之间的尺寸和间距，以便其截断从基本任意方向流经涂层30的声子64。如之前所述，选择颗粒60之间的间距基本等于选择的温度范围内的声子波长，以便干扰声子反射。根据之前所述制备和施加涂层30的方法，在步骤93在衬底34上形成涂层30。在95，颗粒60用于内部反射从基本任意方向流经涂层30的声子64，从而减少经过衬底34的热能传递。
本公开内容的实施方式可用于各种潜在的应用，特别是在运输工业中，包括，例如，航空航天、船舶和机动车应用。因此，现参考图13和14，本公开内容的实施方式可用在图13所示的航空器制造和维护方法90和图14所示的航空器92的情况中。公开的实施方式的航空器应用可以包括，例如，各种可能需要防止高温的结构性和非结构性部件和组件。在试生产期间，示例性方法90可以包括航空器92的规格和设计94以及材料采购96。在生产期间，产生航空器92的组件和子组件制造98以及系统整合100。其后，航空器92可经受认证和交付102以便投入使用104。在消费者使用的同时，航空器92定期进行日常维修和保养106(其还可以包括改进、重新配置、整修等等)。
方法90的每个过程可以通过系统整合人员、第三方和/或操作人员(例如，消费者)执行或实施。出于该描述的目的，系统整合人员可以包括但不限于诸多航空器制造商和主要系统转包商；第三方可以非限制性地包括诸多销售商、转包商和供应商；以及操作者可以是航空公司、租赁公司、军事实体、服务组织等。
如图14所示，通过示例性方法90生产的航空器92可以包括具有多个系统110的机体108和内部112。高水平系统110的实例包括一个或多个推进系统114、电力系统116、液压系统118和环境系统120。可以包括任意数量的其它系统。公开的涂层可施加至用在内部112、机体108或任何系统110中的部件和组件。虽然显示的是航空航天的实例，本公开内容的原理还可适用于各种其它的工业，包括但不限于船舶和机动车工业，以及能量系统和能量分配。
可以在生产和维护方法90的任意一个或多个阶段期间利用本文呈现的系统和方法。例如，对应于生产过程198的部件、结构和组件可以以与使用航空器92时生产的部件、结构和组件类似的方式组装或制造。另外，例如通过大幅加快装配或减少航空器92的成本，可以在生产阶段98和100期间利用一个或多个装置实施方式、方法实施方式或其组合。类似地，当航空器92在使用中，例如但不限于，用于维修和保养106时，可以利用一个或多个装置实施方式、方法实施方式或其组合。
虽然本公开内容的实施方式已经根据某些示例性的实施方式进行了描述，但应当理解特定实施方式是出于说明而非限制的目的，本领域技术人员将想到其它变型。

Claims (15)

1.涂层，其适合于施加到衬底，用于控制热行进通过所述衬底的流动，包括：
保持在玻璃态基体材料中的金属纳米颗粒阵列。
2.权利要求1所述的涂层，其中所述阵列是三维阵列。
3.权利要求1所述的涂层，其中所述阵列是大体准规则的。
4.权利要求1所述的涂层，其中所述纳米颗粒是大体球形的。
5.权利要求1所述的涂层，其中所述玻璃态基体材料包括以下之一：
熔凝石英，
钠钙玻璃，
硼硅玻璃，
铝硅玻璃，其中：
所述熔凝石英包括无定形的SiO2，
所述钠钙玻璃包括SiO2、Na2O、CaO、Al2O3、MgO，
所述硼硅玻璃包括B2O3、Na2O、K2O、CaO，并且
所述铝硅玻璃包括SiO2、Na2O、CaO、Al2O3、MgO，
所述硼硅玻璃包括SiO2、B2O3、Al2O3、Na2O、MgO和CaO。
6.权利要求1所述的涂层，其中所述阵列中所述纳米颗粒之间的间隔大体恒定。
7.权利要求1所述的涂层，其中所述纳米颗粒的原子量基本大于所述基体材料的原子量。
8.权利要求7所述的涂层，其中所述纳米颗粒的原子量与所述基体材料的量的比大于大约10。
9.权利要求1所述的涂层，其中所述纳米颗粒的弹性常数基本大于所述基体材料的弹性常数。
10.制备热障涂层的方法，包括：
将玻璃态化合物施加到金属纳米颗粒；并且
将所述玻璃态化合物熔化进入保持所述纳米颗粒的玻璃基体中。
11.权利要求10所述的方法，其中施加所述玻璃态化合物通过以下之一来执行：
将玻璃态粉末喷射到所述纳米颗粒上，以及
将玻璃态粉末的溶胶-凝胶施加到所述纳米颗粒上。
12.权利要求10所述的方法，进一步包括：
将所述纳米颗粒排列到准规则3-D阵列中。
13.权利要求10所述的方法，进一步包括：
选择将所述涂层设计用作热障的温度范围，并且
基于所述选择的温度范围选择所述金属纳米颗粒的大小。
14.权利要求10所述的方法，其中熔化所述玻璃态化合物是通过将在所述涂布的纳米颗粒上的所述玻璃态化合物加热至所述玻璃态化合物的熔解温度来进行的。
15.权利要求10所述的方法，进一步包括：
将所述纳米颗粒组装到准规则3-D阵列中。
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