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高温金属热防护系统以其较低的成本、良好的耐冲击性和易于一体化设计等优点广泛应用于高超声速飞行器迎风面上的大面积热防护。目前广泛使用的镍基高温合金面板使用温度上限为1000–1100oC,为了防止镍基合金在高温下性能退化,其表面往往需要制备一层高发射率、抗氧化和抗热震的多功能防护涂层。碳化硅及其复合材料在1–14μm具有较高的发射率,但是它与镍基高温合金存在热膨胀失配的问题;Y2O3部分稳定的ZrO2涂层在1–6μm内的发射率较低,也难以满足辐射防热的需求。这就使得开发新型的耐高温高发射率涂层材料成为当务之急。 本文首先采用固相反应法制备了LaMAl11O19、LaMg1–xNixAl11O19、La0.90Ln0.10MgAl11O19、La1–xNdxMgAl11O19和AMgAl10O17陶瓷,采用X射线衍射、扫描电镜、透射电镜和高温热膨胀仪等研究了六铝酸盐陶瓷的微观组织结构和热膨胀行为;采用能量比较法测试了其法向光谱发射率,采用傅里叶变化红外光谱、室温光学吸收光谱和荧光光谱揭示了六铝酸盐陶瓷的热辐射机理。最后优选出组分,并采用等离子喷涂法制备了涂层,对其进行了物相分析与组织形貌观察、抗热震失效以及热辐射特性研究。 六铝酸盐陶瓷中掺杂过渡金属离子、稀土Sm3+或Dy3+后,促进了烧结过程中陶瓷的致密化,发现了晶粒形貌由长方板状向等轴状转变。LaMAl11O19与La0.90Ln0.10MgAl11O19陶瓷在1200oC下的热膨胀系数为8.43–8.81×10–6K–1。 采用固相反应成功制备了新型高发射率LaFeAl11O19、LaNiAl11O19、LaMg0.25Ni0.75Al11O19和 La0.90Nd0.10MgAl11O19陶瓷;该系列陶瓷在3–14μm测试波段内法向光谱发射率大于0.7,尤其在6–11μm波段大于0.9。基于Kirchhoff定律,通过对陶瓷试样晶格振动和电子跃迁机制的研究,首次阐明了六铝酸盐陶瓷的热辐射机理:在1–6μm波段内发射率由掺杂离子吸收带(峰)的位置及电子辐射跃迁强度决定,而在6–14μm波段内的高发射率源于其Al-O四面体和八面体的伸缩振动。 进一步采用等离子喷涂法成功制备了LaFeAl11O19涂层,发现涂层由磁铅石结构六铝酸盐主相和少量非晶高温相组成,呈熔融态片层堆积结构。LaFeAl11O19涂层在1000oC和1200oC下的热循环寿命分别为87次和30次。GH99镍基高温合金的法向光谱发射率在整个波段内均为0.2左右,而LaFeAl11O19涂层的发射率在短波段内接近或超过0.7,在7–14μm波段大于0.9。 本工作可能为新型高发射率材料的开发提供新的途径与思路,在高超声速飞行器表面的辐射防热涂层、红外诱饵涂层、红外干燥与加热和高温炉节能等方面都将有较大的应用前景。