分层化金属陶瓷光热转换涂层的微结构构筑与热稳定性

针对金属陶瓷基光热转换涂层高温热稳定性不足的核心问题,提出构筑吸光纳米颗粒分层化结构来替代传统金属陶瓷涂层中纳米颗粒随机分布的结构,这不仅可以抑制高温下涂层中纳米颗粒的团聚和长大,而且能够增强涂层与太阳光的交互作用,达到热稳定性和选择吸收性能的同步提升.基于此思想,本文设计并制备了Cr/AlCrN/AlCrON/AlCrO多层金属陶瓷光热转换涂层,对其微结构、光学性能和热稳定性进行了详细的研究.研究结果表明,沉积态涂层的吸收率达到了0.903,发射率为0.18.3,而且在500℃、大气环境下退火1000 h后,涂层的吸收率竟提高至0.913,发射率也仅有0.199,表现出良好的光谱选择吸收性和优异的高温热稳定性.微观组织分析发现,在AlCrON吸收层内形成了AlN,Cr₂N纳米颗粒嵌于非晶陶瓷电介质基体的稳定双相复合结构,并且AlN,Cr₂N纳米颗粒呈分层化规则排列.时域有限差分(FDTD)模拟表明,纳米粒子的分层化分布可以将光子囚禁在AlCrON层内,从而增强太阳光和涂层的作用时间和强度,有助于提升涂层对太阳光的吸收,而且退火过程中纳米颗粒...     

纳米颗粒对金属陶瓷光热转换涂层选择吸收特性的影响

以双金属、氮化物和氧化物作为吸光组元的金属陶瓷涂层是一类极具发展潜力的耐高温光热转换涂层，为了明确其光谱选择性吸收机理，采用第一性原理计算和有限差分时域(FDTD)法研究了WTi、Cr₂O₃和TiN的能带结构、电子结合特性和分布特征对选择吸收特性的影响。研究结果表明：WTi双金属纳米颗粒因Ti的掺杂会产生强烈的原子轨道杂化，导致能带上移和带宽变窄，可以强化对电子的局域限制，有助于增强带间耦合作用和表面等离子体激元共振效应；Cr₂O₃氧化物纳米颗粒中存在较窄的禁带，键长易发生变化，故在高温下其光吸收机制会从电子跃迁方式向表面等离子体激元共振效应转变；TiN氮化物纳米颗粒中不存在禁带，体现出更广的光吸收波长范围，同时颗粒间稳定的键长和较高的载流子浓度增强了体系的稳定性和自由载流子光吸收效应。此外，FDTD模拟发现，小尺寸纳米颗粒在0.3～1.5μm波段内具有很高的吸收系数，而大尺寸纳米颗粒虽然吸收系数不高，但是具有更高的散射系数。基于此，创新性地提出了多尺度分层化金属陶瓷光热转换涂层的组织构筑策略，使不...