CN109251563A - 一种高温高发射率红外辐射涂层的制备方法 - Google Patents

一种高温高发射率红外辐射涂层的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高温高发射率红外辐射涂层的制备方法，包括以下步骤：向原料粉末中加入去离子水和粘接剂，并混合研磨得到均匀料浆，原料粉末包括HfO2粉末和Pr6O11粉末；对料浆进行喷雾造粒，制得具有球形度颗粒的粉末；将具有球形度颗粒的粉末进行高温焙烧，高温焙烧后筛分；将焙烧筛分后的粉末喷涂在待喷涂件上，得到高温高发射率红外辐射涂层。本发明所述的新型红外辐射涂层具有红外发射率较高、使用温度高、寿命长、合成周期短、能耗低。

Description

一种高温高发射率红外辐射涂层的制备方法
技术领域
本发明涉及功能涂层材料与制备技术领域，具体涉及一种高温高发射率红外辐射涂层的制备方法。
背景技术
红外辐射材料是一种用途广泛的新型功能材料，在航空航天、医疗保健、新型建筑材料、各种工业炉窑等领域已得到了广泛的应用。
高温红外辐射材料是指在高温条件下向其周围发射一定波段红外光谱的陶瓷材料。红外发射率和使用温度是它的两个关键性能指标。要想提高高温红外辐射涂层的全发射率，必须提高短红外波段的吸收系数，降低散射系数。利用掺杂工艺是制备高温高辐射材料的可行途径，经过合理选材及合理的热处理工艺控制晶粒大小、形状以及密度，尽可能降低散射系数，使材料表面的发射率得到进一步提高。Ni-Cr尖晶石体系是红外辐射材料中发展较为成熟的一个体系，通过在其中掺杂过渡金属氧化物、碳化物、硼化物、稀土氧化物等材料，可以将其在1000℃时的红外发射率提升至0.90以上。红外辐射材料目前面临的主要问题是使用温度较低，对于Ni-Cr尖晶石体系红外辐射材料，当环境温度提升至1200℃以上时，Cr元素会开始挥发，涂层中NiCr2O4的量逐渐减少，发射率迅速降低，最终涂层失效。随着我国航空航天事业的发展，一些超音速飞行器的表面温度甚至能达到1400℃以上，所以提高红外辐射涂层的使用温度刻不容缓。
另外，虽然现有的红外辐射涂层在中远红外区(5～25μm)的辐射率已超过0.9，但是根据维恩定律，随着使用温度的升高，红外辐射的主波峰会向短波段移动，所以提高红外辐射涂层在短波段的发射率是关键。
因此，针对现有的红外辐射材料存在使用温度较低、寿命短、短波段发射率低等问题，开发使用温度更高、红外辐射性能更稳定的红外辐射涂层尤为重要。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述缺陷，提供了一种高温高发射率红外辐射涂层的制备方法，制备工艺简单、合成时间短、能耗低等特点，所制备的红外辐射涂层具有全波段发射率高、使用温度高、寿命长。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种高温高发射率红外辐射涂层的制备方法，包括以下步骤：
1)向原料粉末中加入去离子水和粘接剂，并混合研磨得到均匀料浆，原料粉末包括HfO2粉末和Pr6O11粉末；
2)对料浆进行喷雾造粒，制得具有高球形度颗粒的粉末；
3)将具有高球形度颗粒的粉末进行高温焙烧，高温焙烧后筛分；
4)将焙烧筛分后的粉末喷涂在待喷涂件上，得到高温高发射率红外辐射涂层。
按照上述技术方案，所述步骤1)中，原料粉末的组成成分按质量百分比计为：HfO2粉末为60～97％、Pr6O11粉末为3～40％。
按照上述技术方案，所述的步骤1)中，加入粘接剂与原料粉末的质量比为3～5％。
按照上述技术方案，所述的步骤1)中，加入去离子水研磨时，去离子水与原料粉末的体积比为1～1.5：1，研磨时间不少于1h。
按照上述技术方案，所述的步骤2)中，通过喷雾干燥仪对料浆进行喷雾造粒，喷雾干燥仪包括干燥塔和料泵，料泵先通过高速旋转将料浆分散，然后干燥塔对被分散的料浆进行干燥，干燥塔的温度为150℃～180℃，料泵的转速为2000～4000r/min。
按照上述技术方案，所述的步骤3)中，高温焙烧的温度为1300～1600℃，高温焙烧的时间为0.5～2h。
按照上述技术方案，所述的步骤3)中，筛分的筛选范围为40～90μm。
按照上述技术方案，所述的步骤4)中，采用大气等离子喷涂方法将筛分后的粉末喷涂到待喷涂件上。
按照上述技术方案，所述的步骤4)中，喷涂的距离为90～130mm，喷涂电流为400～500A，喷涂电压为75～80V，大气等离子喷涂的等离子气为氩气、氢气和氮气，氩气、氢气和氮气的流量分别为28～40L/min、1～5L/min、1～3L/min。
按照上述技术方案，所述的待喷涂件为经预处理的钨片。
按照上述技术方案，所述的喷雾造粒是将粉浆或溶液喷入造粒塔，在喷雾热风的作用下，粉浆或溶液干燥、团聚，从而得到球状团粒的造粒方法。
进一步地，大气等离子喷涂就是用氩气、氮气、氢气作为离子气，经电离产生等离子高温射流，将输入的材料熔化或熔融喷射到工作表面形成涂层的方法。这三种气体的流量是等离子喷涂过程中的重要工艺参数。
本发明具有以下有益效果：
本发明制备的高红外辐射涂层，常温下全波段法向全发射率可达0.85，且随着高温的提升有缓慢上升的趋势；制备工艺简单、合成时间短、能耗低等特点，所制备的红外辐射涂层具有全波段发射率高、使用温度高、寿命长等优点。
附图说明
图1是本发明实施例中高温高发射率红外辐射涂层的XRD图；
图2是本发明实施例中高温高发射率红外辐射涂层在不同温度条件下测量的涂层发射率图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
参照图1～图2所示，本发明提供的一个实施例中的高温高发射率红外辐射涂层的制备方法，包括以下步骤：
1)向原料粉末中加入去离子水和粘接剂，并混合研磨得到均匀料浆，原料粉末包括HfO2粉末和Pr6O11粉末；
2)对料浆进行喷雾造粒，制得具有高球形度颗粒的粉末；
3)将具有高球形度颗粒的粉末进行高温焙烧，高温焙烧后筛分；
4)将焙烧筛分后的粉末喷涂在待喷涂件上，得到高温高发射率红外辐射涂层。
进一步地，所述步骤1)中，原料粉末的组成成分按质量百分比计为：HfO2粉末为60～97％、Pr6O11粉末为3～40％。
进一步地，所述的步骤1)中，加入粘接剂与原料粉末的质量比为3～5％。
进一步地，所述的步骤1)中，加入去离子水研磨时，去离子水与原料粉末的体积比为1～1.5：1，研磨时间不少于1h。
进一步地，所述的步骤2)中，通过喷雾干燥仪对料浆进行喷雾造粒，喷雾干燥仪包括干燥塔和料泵，料泵先通过高速旋转将料浆分散，然后干燥塔对被分散的料浆进行干燥，干燥塔的温度为150℃～180℃，料泵的转速为2000～4000r/min。
进一步地，所述的步骤3)中，高温焙烧的温度为1300～1600℃，高温焙烧的时间为0.5～2h。
进一步地，所述的步骤3)中，筛分的筛选范围为40～90μm。
进一步地，所述的步骤4)中，采用大气等离子喷涂方法将筛分后的粉末喷涂到待喷涂件上。
进一步地，所述的步骤4)中，喷涂的距离为90～130mm，喷涂电流为400～500A，喷涂电压为75～80V，大气等离子喷涂的等离子气为氩气、氢气和氮气，氩气、氢气和氮气的流量分别为28～40L/min、1～5L/min、1～3L/min。
进一步地，所述的待喷涂件为经预处理的钨片。
进一步地，所述的喷雾造粒是将粉浆或溶液喷入造粒塔，在喷雾热风的作用下，粉浆或溶液干燥、团聚，从而得到球状团粒的造粒方法。
进一步地，大气等离子喷涂就是用氩气、氮气、氢气作为离子气，经电离产生等离子高温射流，将输入的材料熔化或熔融喷射到工作表面形成涂层的方法。这三种气体的流量是等离子喷涂过程中的重要工艺参数。
本发明的一个实施例中，所述原料的纯度大于99％，粒度为1～3μm。
实施例1
一种高温红外辐射涂层，其制备方法包括以下步骤：
1)以95wt％HfO2粉末和5wt％Pr6O11粉末为原料，加入去离子水和自制的粘接剂混合研磨得到均匀料浆，其中粘接剂的质量比为5％、水与料的体积比为1:1；采用喷雾造粒法制得颗粒具有高球形度的粉末，喷雾造粒时，干燥塔的温度为180℃，料泵的转速为3000r/min；在马弗炉中1550℃下保温2h，然后随炉冷却并筛分出粒度在45～75μm的粉末；
2)采用大气等离子喷涂的方法将将筛分好的已焙烧粉末喷涂在经预处理的钨片上，其中：喷涂距离为130mm，电流为500A，电压为78V，氩气、氢气、氮气的流量分别为28L/min、5L/min、1L/min，得到在高温下具有高发射率的红外辐射涂层。
将本实例所得产物进行X射线衍射分析，结果见图1，图中生成了具有氧空位的非化学计量化合物Pr2Hf2Ox。
本实施例制备的高温红外辐射涂层的全波段法向发射率为0.85，涂层厚度约为25μm。
实施例2
一种高温红外辐射涂层，其制备方法包括以下步骤：
1)以90wt％HfO2粉末和10wt％Pr6O11粉末为原料，加入去离子水和自制的粘接剂混合研磨得到均匀料浆，其中粘接剂的质量比为5％、水与料的体积比为1.2:1；采用喷雾造粒法制得颗粒具有高球形度的粉末，喷雾造粒时，干燥塔的温度为180℃，料泵的转速为3000r/min；在马弗炉中1600℃下保温2h，然后随炉冷却并筛分出粒度在45～75μm的粉末；
2)采用大气等离子喷涂的方法将将筛分好的已焙烧粉末喷涂在经预处理的钨片上，其中：喷涂距离为130mm，电流为500A，电压为78V，氩气、氢气、氮气的流量分别为28L/min、3L/min、2L/min，得到在高温下具有高发射率的红外辐射涂层。
将本实例所得产物的发射率随温度的变化如图2所示，其在常温下的发射率高达0.86，并且随着温度的升高发射率有着明显的提升。
本发明的工作原理：
1)本发明采用的超高温陶瓷HfO2作为红外辐射材料的基料，它的熔点高达2758℃，首次相转变(单斜转变成斜方)温度超过1700℃，在高温环境下具有优异的化学稳定性、热稳定性和机械性能，是制备航空航天、核工业领域中高温结构部件和耐火部件的重要组成材料，氧-铪键具有强烈的离子极性，因此如果氧化铪晶体内发生畸变则很容易引起偶极矩的变化。通过热喷涂技术制备的氧化铪，多为非平衡态，氧化铪涂层成型后为多相复合的状态，涂层内部因为应力而导致了大量的晶格畸变，使得材料具有一定的热辐射性能。
2)本发明以Pr6O11作为掺杂物，由于它本身就是缺陷型的稀土氧化物，晶体结构中的缺陷有利于发射率的提升；同时在高温焙烧的过程中Pr3+会进入到HfO2的晶格中，使得HfO2的晶格常数增大，破坏了其晶格周期性，在局部形成杂质能级，杂质能级与本征能级之间的跃迁可以使材料在1～3μm波段的光谱发射率提高；生成的具有氧空位的Pr2Hf2Ox新相，使得自由载流子浓度增加，自由载流子的吸收也随之提升，从而提高了3～5μm波段的发射率。根据维恩定律，材料在高温环境下的发射率主要取决于其短波段的发射率，因此掺杂Pr6O11会显著提升材料在高温环境下的红外发射率。
3)本发明制备的高红外辐射涂层，常温下全波段法向全发射率可达0.85，且随着高温的提升有缓慢上升的趋势。
4)本发明具有制备工艺简单、合成时间短、能耗低等特点，所制备的红外辐射涂层具有全波段发射率高、使用温度高、寿命长等优点。
以上的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种高温高发射率红外辐射涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)向原料粉末中加入去离子水和粘接剂，并混合研磨得到均匀料浆，原料粉末包括HfO2粉末和Pr6O11粉末；
2)对料浆进行喷雾造粒，制得具有球形度颗粒的粉末；
3)将具有球形度颗粒的粉末进行高温焙烧，高温焙烧后筛分；
4)将焙烧筛分后的粉末喷涂在待喷涂件上，得到高温高发射率红外辐射涂层。
2.根据权利要求1所述的高温高发射率红外辐射涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中，原料粉末的组成成分按质量百分比计为：HfO2粉末为60～97％、Pr6O11粉末为3～40％。
3.根据权利要求1所述的高温高发射率红外辐射涂层的制备方法，其特征在于，所述的步骤1)中，加入粘接剂的质量比为3～5％。
4.根据权利要求1所述的高温高发射率红外辐射涂层的制备方法，其特征在于，所述的步骤1)中，加入去离子水研磨时，去离子水与原料粉末的体积比为1～1.5：1，研磨时间不少于1h。
5.根据权利要求1所述的高温高发射率红外辐射涂层的制备方法，其特征在于，所述的步骤2)中，通过喷雾干燥仪对料浆进行喷雾造粒，喷雾干燥仪包括干燥塔和料泵，料泵先通过高速旋转将料浆分散，然后干燥塔对被分散的料浆进行干燥，干燥塔的温度为150℃～180℃，料泵的转速为2000～4000r/min。
6.根据权利要求1所述的高温高发射率红外辐射涂层的制备方法，其特征在于，所述的步骤3)中，高温焙烧的温度为1300～1600℃，高温焙烧的时间为0.5～2h。
7.根据权利要求1所述的高温高发射率红外辐射涂层的制备方法，其特征在于，所述的步骤3)中，筛分的筛选范围为40～90μm。
8.根据权利要求1所述的高温高发射率红外辐射涂层的制备方法，其特征在于，所述的步骤4)中，采用大气等离子喷涂方法将筛分后的粉末喷涂到待喷涂件上。
9.根据权利要求8所述的高温高发射率红外辐射涂层的制备方法，其特征在于，所述的步骤4)中，喷涂的距离为90～130mm，喷涂电流为400～500A，喷涂电压为75～80V，大气等离子喷涂的等离子气为氩气、氢气和氮气，氩气、氢气和氮气的流量分别为28～40L/min、1～5L/min、1～3L/min。
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