论文部分内容阅读
铁氧体红外辐射材料在高温下具有优良的红外辐射性能,特别是尖晶石型铁氧体已证明在中短波段具有较高的红外发射率。然而,目前对于尖晶石型铁氧体的研究主要停留在通过尖晶石组分优化来提高发射率等方面,对于尖晶石型铁氧体在中短波段具有高发射率的原因缺乏必要的机理研究,特别是对尖晶石型铁氧体的研究并没有深入到材料本质,缺乏从晶体结构、电子特性等层面的分析,然而这对制备和优化高发射率的尖晶石型铁氧体是非常重要的。本研究从晶体学和半导体物理学的角度,通过实验分析和第一性原理计算,解释了尖晶石型铁氧体在3～5μm波段具有高发射率的原因;并对不同的尖晶石型铁氧体在8～14μm和3～5μm波段发射率的变化规律进行研究,确定了其在8～14μm和3～5μm波段发射率的变化机理;然后通过掺杂制备了尖晶石型铁氧体,验证了尖晶石型铁氧体在8～14μm和3～5μm波段发射率的变化机理,并找到了性能最优的尖晶石型铁氧体基料;最后利用最优的尖晶石型铁氧体基料制备红外辐射涂料,并对其形貌、抗热震性能、发射率进行研究,找到最优的红外辐射涂料配方。主要得出以下结论:(1)对尖晶石型铁氧体在3～5μm波段具有高发射率的原因进行分析。通过固相烧结制备具了有I41/amd和Fd-3m结构的CuFe2O4铁氧体,XPS分析表明在固相烧结过程中I41/amd和Fd-3m结构已形成氧空位(VO)。发射率测试表明:Fd-3m结构在3～5μm波段的发射率为0.88高于I41/amd结构的0.71,验证了尖晶石型铁氧体(Fd-3m结构)在3～5μm波段具有高的发射率。通过第一性计算,Fd-3m结构的CuFe2O4在3～5μm波段的光学吸收系数低于141/amd结构的CuFe2O4铁氧体,但是Fd-3m结构的CuFe2O4-VO铁氧体在3～5μm波段的光学吸收系数要高于I41/amd结构的CuFe2O4-VO铁氧体,表明VO是导致尖晶石型铁氧体(Fd-3m结构)在3～5μm波段具有高发射率的原因。(2)对Fe3O4、NiFe2O4、CuFe2O4和CoFe2O4尖晶石型铁氧体在8～14μm和3～5μm波段发射率的机理进行研究。研究表明,Fe3O4在8～14μm和3～5μm波段具有最高的发射率,其在773K时,8～14μm波段的发射率达到0.976,3～5μm波段的发射率为0.973。基于过渡金属原子Ni2+、Cu2+和Co3+离子主要占据尖晶石B位置,所以对B位置处的八面体力常数(Ko)进行计算,结果表明,ko随着阳离子氧键距离的增加而减小,Ko较小的样品在8～14μm波段具有较高的发射率。Ko与8～14μm的发射率呈负相关的关系。第一性计算结果表明,Fe3O4为半金属,其在3～5 μm波段具有最高的光学吸收系数。对不同体系尖晶石型铁氧体禁带宽度与3～5μm波段发射率关系进行验证。证明了禁带宽度与3～5μm波段发射率呈负相关关系。这表明要制备8～14μm和3～5μm波段具有高发射率的尖晶石型铁氧体,应该减小Ko和禁带宽度。(3)通过掺杂制备了 CuxCo1-xFe2O4尖晶石型铁氧体,验证了尖晶石型铁氧体在8～14μm和3～5μm波段发射率的变化机理,并找到了性能最优的CuxCo1-xFe2O4尖晶石型铁氧体基料。在CuO掺杂含量高于75%时,CuxCo1-xFe2O4样品出现了 CuFeO2杂相,会降低CuxCo1-xFe2O4尖晶石在8～14μm和3～5μm波段的发射率。利用XRD结构精修和禁带宽度测试分别分析了 CC1-CC7尖晶石型铁氧体8～14μm和3～5μm发射率与Ko和禁带宽度的关系,验证了Ko和禁带宽度分别与8～14μm和3～5μm波段的发射率呈负相关的关系。确定了最优的尖晶石型铁氧体基料为Cu0.75Co0.25Fe2O4,其在773K下,3～5μm波段的发射率为0.916,8～14μm波段的发射率为0.985。(4)利用Cu0.75Co0.25Fe2O4尖晶石型铁氧体和LaAl1-xNixO3混合料线性组合制备红外辐射混合基料。在LaAl1-xNixO3混合料:Cuo.75Co0.25Fe2O4为6:4时,3～5μm波段发射率在773K时最高为0.972,8～14μm波段发射率为0.973。按照极端顶点优化法求解的红外辐射涂料配方制备S-A系列的红外辐射样品,并对其形貌、抗热震性能、发射率进行研究。最终得到最优的红外辐射涂料,为S-A系列中3号样品,此时的红外辐射涂料的各组分配方为:混合基料:聚丙烯酸钠:皂土:粘结剂(硅溶胶)=0.7:0.05:0.15:0.1。其在773K时,3～5μm波段的发射率为0.976,8～14μm波段的发射率为0.984。1100℃下热震6次后,在3～5μm波段的发射率为0.954,衰减率为2.9%;8～14μm波段的发射率为0.98,而衰减率仅为0.1%。本研究将为高发射率铁基尖晶石材料的制备及优化提供理论基础,并为高性能红外辐射涂料的研发提供技术支撑。