基于熱致變色原理的表面熱輻射特性及其控制方法研究.pdf

1、隨著被控溫系統(tǒng)與設備的散熱功率密度和熱負荷的迅速增加、內(nèi)外熱流變化程度的加劇以及控溫精度的進一步提高，對基于熱輻射表面的熱控制與熱管理技術提出了更新更高的要求。傳統(tǒng)的熱輻射表面因其熱輻射特性不具備自動調節(jié)控制能力，無法根據(jù)系統(tǒng)與設備的發(fā)熱量變化、外部熱流變化去調節(jié)自身的熱輻射特性，無法滿足系統(tǒng)與設備的溫度自主控制要求?；跓嶂伦兩淼臒彷椛浔砻婵筛鶕?jù)系統(tǒng)與設備的溫度水平、內(nèi)外熱流變化狀況，自動調節(jié)自身輻射特性，從而可實現(xiàn)系統(tǒng)與設備溫度

2、的主動控制。因此開展基于熱致變色原理的表面輻射特性轉變機制與控制方法研究具有重要的現(xiàn)實意義和應用價值。本文以鈣鈦礦型錳氧化物La1-xAxMnO3(A=Ca，Sr，K)為基礎材料制作基于熱致變色原理的熱輻射表面，研究其熱輻射特性，探索其輻射特性的控制方法，揭示其空間粒子輻照效應，對于研制基于熱致變色原理的智能型熱控器件、對提高系統(tǒng)與設備的熱控技術水平有重大的科學意義。論文的主要研究內(nèi)容包括以下幾個方面:
　　 (1)熱致變色功能

3、材料制備與表征
　　 以稀土氧化鑭，碳酸鹽，二氧化錳為原料，擬用固相反應法制備塊體熱致變色功能材料，擬用等離子噴涂法制備熱致變色涂層。采用X射線衍射儀(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、原子力顯微鏡(AFM)、樣品振動磁強計(VSM)和多功能物理量測試系統(tǒng)(PPMS)對熱致變色功能材料的物相、微觀形貌、表面粗糙度、磁性能、電輸運性能進行表征和測量。分析了摻雜堿金屬元素或堿土金屬元素的種類、摻雜濃度、燒結溫度對熱致變色功能材料晶

4、體結構、或致密度、或電磁輸運特性、或相變溫度的影響，為研制智能型熱控器件提供技術支持。
　　 (2)基于熱致變色原理的表面熱輻射特性研究
　　 以熱致變色器件和熱致變色涂層為研究對象，用紅外光譜儀和分光光度計測量其反射率光譜，根據(jù)反射計光學方法間接測量其紅外發(fā)射率和太陽吸收率。分析摻雜元素種類、濃度以及表面狀況對基于熱致變色原理的表面熱輻射特性的影響，揭示其發(fā)射率可調特性。結果表明:Ca和/或Sr摻雜的熱致變色器件，反射

5、率隨溫度升高而降低;在合適的Ca和/或Sr濃度下，熱致變色器件出現(xiàn)金屬-絕緣轉變，從而引起熱致變色器件發(fā)射率急劇轉變，其中，僅有Ca摻雜時，發(fā)射率在相轉變溫度附近變化最劇烈，但轉變溫度較低;而僅有Sr摻雜時，發(fā)射率也發(fā)生急劇轉變，但轉變溫度較高;同時摻雜Ca和Sr，可將熱致變色器件的轉變溫度調節(jié)到所需的范圍，并維持發(fā)射率的劇烈變化，發(fā)射率變化幅度超過0.5;不同摻雜情況下，熱致變色器件的太陽吸收率都較高，達到0.78;通過優(yōu)化等離子噴涂

6、參數(shù)，獲得發(fā)射率可調特性的熱致變色涂層;由于受涂層表面粗糙度、噴涂工藝的影響，涂層的發(fā)射率變化幅度有所不同，其中最大可調幅度為0.33，而太陽吸收率高達0.85;以Ca，Sr，K三種元素為基礎，采用不同的組合方式、摻雜濃度，都不能達到降低熱致變色器件高太陽吸收率的目的。
　　 (3)熱致變色器件輻射特性耦合控制方法研究
　　 針對熱致變色器件太陽吸收率較大的問題，開展熱致變色器件熱輻射特性的控制方法研究，探索降低熱致變色

7、器件短波太陽吸收率、同時維持熱致變色器件長波紅外發(fā)射率可調的方法，實現(xiàn)熱致變色器件熱輻射特性在不同波段范圍的耦合控制。將基于多層薄膜結構的選擇性光譜控制用于實現(xiàn)熱致變色器件表面熱輻射特性控制，采用模擬退火遺傳算法優(yōu)化設計多層薄膜結構，建立多層薄膜結構內(nèi)部熱輻射傳遞理論模型，計算分析多層薄膜材料屬性、膜層數(shù)、膜層厚度、以及膜層排列方式對多層薄膜結構熱輻射特性的影響，研究由多層薄膜結構和原熱致變色器件組成的復合型熱致變色器件結構的熱輻射特性

8、。理論計算表明，增設多層薄膜結構后，太陽吸收率從原來的0.78降低到0.21，有效地削弱了到達熱致變色器件表面的太陽輻射，并較好地透過紅外熱輻射。采用電子束蒸發(fā)沉積法將最優(yōu)多層薄膜結構沉積到原熱致變色器件表面以制備復合型熱致變色器件，并測試其熱輻射特性，結果發(fā)現(xiàn)，復合型熱致變色器件不僅具有低太陽吸收率(αs=0.28)的特性，而且還維持了發(fā)射率的可調特性，其可調幅度與原熱致變色器件相同，也驗證了紅外發(fā)射率與太陽吸收率的耦合控制方法。

9、r>　　 (4)熱致變色器件空間粒子輻照效應研究
　　 熱致變色器件用于衛(wèi)星熱控領域，會受到空間環(huán)境中諸多因素的影響，特別是來自于空間環(huán)境的粒子輻照影響。為了弄清楚熱致變色器件是否能經(jīng)受空間環(huán)境的考驗，本文通過地面模擬空間粒子輻照實驗，研究不同能量的電子和質子輻照對熱致變色器件熱輻射性能的影響，探索熱致變色器件在空間環(huán)境中應用的穩(wěn)定性。結果表明:空間粒子輻照誘導非復合型熱致變色器件內(nèi)部晶體結構氧缺陷，引起其太陽吸收率和紅外發(fā)射