高辐射率、高热震性铁氧基红外辐射涂料及应用外文翻译资料

 2022-09-06 15:32:57

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高辐射率、高热震性铁氧基红外辐射涂料及应用

摘要

用Fe2O3，MnO2，Co2O3和NiO粉末，通过高速氧燃料喷射(技术），具有高辐射率、高耐热震性的铁氧体基的红外辐射涂料成功应用在碳钢表面。涂层厚度约为120-150微米，是一个典型的平面层状结构。涂层表面粗糙并分布着一些亚微米级颗粒。800℃下在3-20微米的短波段，对于铁氧体基红外涂层，HVOF喷涂涂层的发射率超过了0.74，在短波段内的发射率明显高于涂刷涂层。涂层和基质之间的结合强度为30.7 MPa，比传统的涂刷层高出约5倍。优越的结合强度，典型的层状结构，现存的微裂隙和新生成的毛孔的综合效应，使得1000℃下的水淬循环达到了27次。最后，辐射涂料被应用于家用水壶底部，节能效率可以达到30.5%。本次研究中所获得的涂层能被广泛的应用于炊具和工业高温炉等领域，并且在经济效益和环境效益中起到至关作用。

关键词：红外辐射涂料；铁氧体；辐射；节能；高速氧燃料喷射

1.前言

红外辐射材料，具有高辐射率或特征红外波长发射率，是一个重要的功能材料，被涂覆在金属或高温炉耐火材料的基板上时，炉的热辐射效率将得到有效提高，热损失明显降低，炉中温度分布更加均匀。此外，运用辐射涂层衬底材料可以提供保护作用，减少维护和提高炉子的使用寿命[1]。随着能源短缺和环境污染的增加，红外辐射材料在高能耗工业和日常生活中有着非常广泛的应用前景。目前，红外辐射材料已经广泛应用于工业应用，如节能工业炉[2-5]，效率改善红外加热器[6、7]、航天器热控制等[8、9]。然而，由于以下缺陷，应用严重有限:低辐射的短波段、与基体结合强度弱、耐热震性差、工作寿命短。这些缺陷主要是由于它们的制备方法。通常，红外辐射涂层用红外激活粉末与粘结剂混合的浆料涂刷制得，因其施工方便，成本低。然而，高温下结合将失去效果，因为镀层和基体之间的物理结合强度很弱。同时，涂层容易脱落，由于涂层和金属基体之间的线性膨胀系数有很大不同。因此，利用红外辐射涂料是非常重要的，它可应用于高温金属衬底。与传统涂料的涂刷过程相比，由高速氧燃料喷洒技术（HVOF)制得的涂层，其质量有明显的优势，如较强的粘接强度、高硬度、低孔隙度和更高的覆盖率。这项技术已广泛应用于耐磨涂料[10-12]，耐腐蚀涂料[13]、热障涂层[14、15]，等等。为了克服传统涂刷工艺制得的辐射涂层的结构和属性的缺陷，并弥补应用程序在烹饪起名领域的空白，用HVOF喷涂法制得的铁氧体基红外涂层在民用水壶底部，红外辐射特性和节能效率方面进行了详细的调查。用这个方法获得的红外辐射节能涂料在整个红外波段具有高辐射效率，和基体的结合力很强并且具有良好的抗热震性。

2.实验

2.1 铁氧体基红外辐射粉末的制备

这项工作中使用的所有化学品均为分析纯，直接被使用没有进一步纯化，并且仅仅用到网格大小为38mu;m的筛子收集。首先，Fe2O3(60 wt. %)，MnO2(20 wt. %)，Co2O3(10 wt. %)，和NiO(10 wt. %)的混合物行星式球磨了30分钟(QM-4F、南京南达仪器)。不锈钢锅和球被应用，铣削锅的内半径是80毫米。旋转速度是每分钟400转，旋转的速度比为1:2。然后混合粉末被做成球状通过在喷雾干燥塔中进行浆料喷雾干燥，混合均匀的由一定比例的原料，有机粘结剂和水混合而成。最后，基于红外辐射铁氧体粉末在马弗炉内 1150◦C 的空气气氛中经两个小时而合成。

2.2红外辐射涂料的制备

为了获得镀层和基体之间的良好的结合强度，对30毫米times;2.5毫米尺寸的钢板表面进行了预处理过程，如清洗、喷沙、预热。进行HVOF喷涂沉积之前，不超过10微米的Ni3Al涂层首先沉积在衬底上。均匀的黑色红外辐射涂层，超过120帷幕，通过XM-8000 HVOF燃油设备(上海修玛喷涂机械有限公司，中国)涂在经过预处理的钢铁片上。技术参数如表一所示。

表1 HVOF喷涂的工艺参数

项目

结合层

红外辐射涂层

煤油压力（Mpa）

0.6-0.7

0.6-0.7

氧气压力(Mpa)

0.6-0.7

0.6-0.7

N2流量(Lh-1)

400-500

400-500

喂料电压(V)

6-7

9-10

喷涂距离(mm)

120

80

喂料方向

径向

径向

辊身长度(mm)

100

100

涂层厚度(mu;m)

le;10

ge;120

2.3 描述

高温固态反应过程进行了热重(TG)和差热分析(DTA)(NETZSCH sta-499 C)空气气氛下以10℃/min升温速率。红外辐射粉末和涂层的相结构是用X-peter衍射仪和Cu kalpha;(lambda;= 1.5418)射线测得的，红外辐射粉末和涂层的微观结构是由扫描电子显微镜(SEM)观测的（FESEN，Nova400 NanoSEM）。涂层样品在800℃下的测定的光谱发射率比在同样的条件下合体辐射涂料样品的发射率高3-20微米(傅立叶变换红外光谱，jasco-6100)。光谱发射率ε值定义使用以下公式：ε(lambda;)= L(lambda;)/Lb(lambda;)，Lb（lambda;）是光辉的涂料样品，Lb(lambda;)是黑体的辐射。涂层的结合强度直接用拉脱法在万能试验机上测得(WE-30B)，根据GB/T 8642-200-B（热喷涂抗拉粘结强度的确定，中国国家标准）样品所用气缸的几何尺寸为Ф25mmtimes;2.5mm，所用胶水的类型是E-7环氧粘合剂。为了确保实验结果的准确性，涂层进行了5个平行测试。热震性是用热循环的方式测得，样品由1000℃用水冷却至室温。红外辐射涂料的实际节能效率是由简单的对比测试方法测得。红外辐射涂层的节能效率eta;的方程为，其中t1为没有涂层水壶的加热时间，t2为有涂层水壶的加热时间。红外辐射涂料喷在水壶底部并且做了一系列水加热测试，加热用的是一个普通电炉，用水量为2000ml。

  1. 结果与讨论

图1显示了通过从50℃到1400℃通过泥浆喷雾干燥后的准球面粒子的热重和差热分析曲线。图片显示了重量的损失低于1200℃，是由于蒸发了残余的自由水（87℃）和杂质相（全温度部分），剩余的有机粘结（284.4℃）剂和二氧化锰的分解（550.9-921.1℃)。DTA曲线中，400℃下有两个弱的吸热峰，分别对应着87.0℃残余自由水的蒸发和284.4℃残余有机粘结剂的分解【16】.因为蒸发和分解的过程是连续的，这些吸热峰量多而弱。随着温度的增加，在550.9和921.1有两个典型的吸热峰，应该是由于二氧化锰的分解引起的，这和TG曲线也一致反应方程和△G-T方程如下：

（2）

（3）

一个放热峰出现在995.1℃，可以归因为铁氧体合成，Fe2O3 Mn3O4 Co2O3 NiO→Fe-Mn-Co-Ni-O铁氧体。此外，有两个明显的吸热峰为在1227.1℃和1360.3℃，它是混合铁氧体的熔化温度阶段。

图1.泥浆喷雾干燥的准球面粒子达到TG和DTA分析

图2.红外辐射粉末固态反应前（a，b)和固态反应后(c，d)的扫描电镜图像

图2显示了经喷雾干燥的红外辐射粉末的SEM图像。从图2（a）和（c）可以看出，在高温固态反应前后，粉末由直径为20到100微米的准球面凝聚粒子组成，表明高温过程不能影响粉末的形态和大小。

凝聚粒子是由大量小且不规则的颗粒和许多直径为100纳米到1微米的多孔洞凝聚粒子组成，如图2所示（b）和（d）。与高温固态反应之前的样品对比，这些小的不规则颗粒变得更大（直径从200纳米到3微米）和反应烧结生成角：原来原料粒子反应完全转化为角铁氧体的晶体[18]，与XRD曲线结果一致(图3（a））。准球面粒子表现出颗粒间的低摩擦和优秀的流动能力。尤其是在HVOF喷涂过程中准球面凝聚粒子可以提高红外辐射粉末的流动能力，这样就可以不断的注射到火焰中心，有利于涂层的沉积效率和更均匀的微观结构[19]。经高温固态反应（a）的红外辐射粉末和HVOF喷涂的涂层（b）的X射线图谱如图所示。粉末样品的XRD图谱显示，高温固相反应后，Fe2O3、Mn3O4、Co2O3和NiO没有明显的衍射峰，但是出现了铁氧体新的的衍射峰，其中包括Fe24O32(JCPDS 96-900-5839)，Ni·4Fe2.6O4(JCPDS01-087-2336)，CoFe2O4(JCPDS 00-022-1086)，NiFe1.95Mn0.05O4 (JCPDS01 -074-2082)，(Ni0.13Mn0.87)(Ni0.87Mn1.13)O4(JCPDS 01-088-0241)等等。这表明实验中过渡金属氧化物可以合成铁氧体(Fe2O3、MnO2、Co2O3和NiO)。相比之下，通过HVOF喷涂法制得的涂层的X射线衍射图如图三（b）所示。

图3（b）.红外辐射粉末(a)和(b)的X射线衍射图谱

从图3（b）可以看出，主要晶相中仍然混合着铁氧体，并且HVOF喷涂过程没有导致新相的产生。与粉末相比，涂层的衍射峰强度大幅度降低，半宽度（FWHM)较大，表明涂层材料的结晶度有所下降并且经HVOF喷涂过程后，粒径变小。当半熔的红外辐射涂料被喷涂在碳钢表面的衬底上，由于碳钢基体具有很高的导热系数（45-48 W.mKminus;1），他们会以超快的速度冷却。晶体在这么短的时间内没有足够的时间长大，类似于等离子喷涂中无定形结构的红外辐射涂料的形成。此外，与粉末相比，涂层的衍射峰略有降低。这表明HVOF喷涂过程导致了更为严重的掺杂效应，增加了铁氧体相的平面间距和晶格畸变[21].

铁氧体阶段平面间距的增加可能是HVOF喷涂过程中某些间隙或置换离子的迁移，导致了晶格畸[22]。此外，从图（b）中可以看出，在涂层样品中Ni3Al有明显的峰值，很有可能是Ni/AL粒子和铁氧体粉末在喷涂过程中投影在一起。也有可能是铁氧体在沉积的过程中被喂料线，火炬喷嘴和桶中Ni/AL残渣污染了。

图4.红外辐射粉末的表面的SEM图像(a-c)和截面的SEM图像（d)

图4显示了涂料的表面形态和横截面的微观结构。涂层的表面非常的粗糙（图4a），除了典型的层压结构（图4（b）），部分表层的表面上中还分布着一些直径为500纳米到1微米的半熔亚微米级的粒子，并且还有一些微裂隙。如图4所示(d)，涂层的厚度约为120-150微米，层叠结构显示高的内部密度和低的孔隙度，这意味着涂层具有较高的内聚强度。基质和Ni3Al过渡层的之间的裂缝，Ni3Al和红外辐射涂料之间的裂缝都不能被观测到，表明它们结合相当密切。此外，Ni3 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

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