2021年基于热障涂层微结构的多孔隔热材料传热研究论文

1、基于热障涂层微结构的多孔隔热材料传热研究论文 随着 _及地面燃机的迅速发展，涡轮高温叶片入口温度也不断提高。目前国外新型军用燃气涡轮发动机的燃气温度己达1 538 - 1 871，而现役发动机的高温部件材料许用温度均在1 100以下。目前先进的陶瓷热障涂层能够在工作环境下降低高温零件温度170左右，有效地延长热端部件寿命，提高燃机的综合表现性能。高温隔热涂层也获得了人们的广泛 _与研究，并在地面燃机中获得比较广泛的应用。 热障涂层的一个主要性能指标即为隔热性能，通常用涂层的热导率或涂层前后表面的温差来衡量。目前主要从3个方面提高涂层隔热性能:(1) _新热障涂层材料和现有热障涂层材料中添加掺杂

2、物.(2)改变热障涂层的微观 _结构;(3)改变陶瓷层结构。目前，涂层材料应用最广泛的为6%-8%部分稳定的ZrO2，等离子喷涂和物理气相沉积方法是两种比较成熟的制备方法。不管是用热喷涂还是物理气相沉积制备的热障涂层都是各向异性的，非致密多孔状介质，其孔隙率在1%-20%之间热喷涂涂层呈片层状，物理气相沉积涂层呈柱状。层状结构隔热能力强，但连接强度低，热应力大，易剥落;柱状结构隔热能力较差，热膨胀性能好，高温热应力较小，耐腐蚀，结构稳定。众多学者对改变YSZ粉末颗粒尺寸、向涂层中添加稳定剂或掺杂物以降低其导热系数进行了较多的研究;部分学者单独研究了裂纹的形状与方向、孔隙形状与大小、界面的存在与

3、否对涂层隔热能力的影响。本文针对涂层同时存在大量不规则孔隙、裂纹、界面的具体微观 _结构，对其隔热能力进行研究。热障涂层的许多性能都与涂层的结构特征相关，因此根据涂层的显微结构特征，如片层或柱状结构，孔隙的尺寸及大小，温度等定量地计算其有效导热系数的大小，对于涂层结构及工艺的设计及应用都有指导价值。 基于4参数随机生长法，构造了各向同性、各向异性的.层状与柱状YSZ热障涂层的微观结构的几何模型，利用热阻网络法 _了多孔材料导热性能的分析软件并进行了数值计算，其结果可以为涂层结构的设计及制备提供参考依据。 热阻网络法基于多相材料内部无规则的空间结构，对热量在材料内的传递过程进行研究以获得其有效导

4、热系数。从无规律的随机空间结构中提取统计学意义上的宏观特征量，是一种比较客观直接的问题处理方法。本文应用热阻网络法对基于涂层具体结构的导热问题进行数值研究。 四参数随机生长法是构造多相多孔介质的有效方法，它可以通过参数调整控制生成介质的形貌特征。该方法首先假设系统中包括一个非生长相和若干生长相。为了验证本程序对于材料有效导热系数数值求解的有效性，计算了二维两种不同导热系数的材料，导热串并联模型的有效导热系数，并将理论解和模拟解进行对比。 复合材料导热串并联模型，其有效导热系数的解析解与模拟，由误差分析可知，本文方法能准确地计算材料有效导热系数。 (1)孔隙率对热障涂层的有效导热系数有显著影响，增大孔隙率能显著地提高其隔热能力;在相同的孔隙率下，孔径对其隔热能力影响不显著;温度对涂层导热系数的影响，与其致密基体在不同温度下的导热系数密切相关。 (2)层状结构的隔热能力明显强于柱状结构，孔