钛表面高太阳吸收膜层的制备及性能研究
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文
目录
摘要 ............................................................................................................................ I ABSTRACT ................................................................................................................. II 第1章绪论 (1)
1.1课题来源及研究的目的和意义 (1)
1.2高太阳吸收率膜层 (2)
1.3高吸收率膜层的制备方法概述 (3)
1.3.1高吸收高发射膜层的制备方法概述 (3)
1.3.2高吸收低发射膜层的制备方法概述 (3)
1.4电化学氧化在功能涂层上的应用概述 (5)
1.4.1阳极氧化技术的应用概述 (5)
1.4.2微弧氧化技术的应用概述 (7)
1.4.3电化学氧化在高吸收率和高发射率膜层上的应用 (9)
1.5本论文研究内容 (11)
第2章实验材料及研究方法 (12)
2.1实验材料及化学药品 (12)
2.1.1实验材料 (12)
2.1.2实验药品 (12)
2.2实验设备及样品制备过程 (13)
2.2.1 实验设备 (13)
2.2.2 实验步骤 (13)
2.3膜层表征方法 (13)
第3章高吸收率高发射率膜层的制备及性能研究 (15)
3.1电解液组分对膜层结构组成和性能的影响 (15)
3.1.1不同偏钒酸铵浓度下膜层的结构和性能 (15)
3.1.2不同硫酸亚铁浓度下膜层的结构和性能 (20)
3.1.3不同醋酸镍浓度下膜层的结构和性能 (23)
3.2反应电压对膜层结构和性能的影响 (26)
3.2.1反应电压对膜层结构的影响 (27)
3.2.2反应电压对膜层性能的影响 (28)
3.3反应时间对膜层结构和性能的影响 (29)
3.3.1反应时间对膜层结构的影响 (29)
3.3.2反应时间对膜层性能的影响 (30)
3.4本章小结 (31)
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第4章高吸收低发射膜层制备及性能研究 (32)
4.1前处理工艺探索 (32)
4.2氧化时间对膜层组成结构及性能的影响 (32)
4.2.1膜层的组成结构 (33)
4.2.2膜层的性能 (38)
4.3电压对膜层结构及性能的影响 (41)
4.3.1膜层的组成结构 (41)
4.3.2膜层的性能 (43)
4.5高吸收率低发射率膜层的机制分析 (46)
4.6本章小结 (46)
第5章阳极氧化法制备高吸收低发射膜层及性能研究 (48)
5.1反应电压对膜层组成结构及性能的影响 (48)
5.1.1膜层的结构与组成 (49)
5.1.2膜层吸收率和发射率 (52)
5.2反应时间对膜层性能的影响 (55)
5.2.1膜层的结构 (55)
5.2.2膜层吸收率和发射率 (56)
5.3阳极氧化膜层/氧化锰复合膜层的制备及性能研究 (59)
5.3.1硫酸锰浓度对膜层组成结构及性能的影响 (59)
5.3.3反应时间对膜层的影响 (63)
5.3.4氧化电压对膜层发射率的影响 (65)
5.3.4沉积氧化锰前后膜层红外发射率对比 (65)
5.4本章小结 (66)
结论 (67)
参考文献 (69)
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果 (73)
哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限 (74)
致谢 (75)
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第1章绪论
1.1课题来源及研究的目的和意义
钛的密度小，而强度大，而且钛合金耐腐蚀、耐热性良好，中低温性能稳定，化学活性大，导热系数小因而日益得到了广泛的应用。其中工业纯钛TA7(Ti-5Al-2Sn) 在航空航天、军械领域应用较多，TA7在-257 ~540 ℃性能良好，在500℃可以长期工作。工业纯钛TA2(Ti含量98%以上)有很好地可塑性，是工业中常用到的纯钛。钛及钛合金由于其优异的机械性能，经常用作基体在其表面制备功能涂层。在航天军械领域常用的是高太阳吸收涂层，而高吸收膜层可以分为高吸收高发射黑色膜层和高吸收低发射膜层。
高吸收高发射黑色膜层有独特的光学性质和颜色，使其在光学遥感系统、红外制导以及激光通讯方面有着广泛的应用，膜层能有效地提高系统的灵敏度和精确度。高吸收高发射膜层的制备方法多以有机涂料为主，但有机涂料易老化，挥发的有机物会降低系统的灵敏度，有结合力不牢等缺点。
高吸收低发射膜层又称为高吸收低发射太阳能选择性吸收膜层，是太阳能光热转换的核心。如今随着社会的发展，能源问题日渐突出。因此可再生能源的开发已成为当前一个重要的研究方向，而太阳能对于人类来说是清洁而又可再生能源，而且安全易得。目前太阳能的利用主要有光-电、光-化学和光热转换。其中太阳能集热技术不消耗任何矿物燃料，无污染，适用面广，已成为太阳能利用领域的主要的发展方向。太阳能光热转化的核心是太阳能选择性吸收材料。目前的研究重点主要集中在低成本、高性能膜层的设计。既追求提高太阳能吸收率、降低红外发射率，又要有良好的耐温和耐候等性能。目前高吸收低发射膜层制备方法[1]主要有涂料法，但其发射率较大；气相沉积，但设备要求高成本高；电化学法，但使用条件苛刻，只用于特定环境如真空条件。高吸收低发射膜层的制备方法中有电化学方法，但所使用的是电镀技术，电镀黑镍，只能用在真空条件下。而阳极氧化法和微弧氧化法制备高吸收低发射膜层却很少有报导，这两种方法都属于原位生长膜层的方法，具有结合力好、膜层组成及厚度可控、成本低、高效等优点。
本课题以此为背景，用微弧氧化技术在TA7上原位生长高吸收高发射黑色膜层。另外钛及钛合金具有比强度高耐蚀性好等优点，并且纯钛本身太阳吸收率高、半球发射率低，所以本论文用纯钛TA2作基体，用阳极氧化法和微弧氧化法设计和制备高吸收低发射膜层。