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基于熱障涂層微結構的多孔隔熱材料傳熱研究論文
1引言
隨著(zhù)航空及地面燃機的迅速發(fā)展，渦輪高溫葉片入口溫度也不斷提高。目前國外新型軍用燃氣渦輪發(fā)動(dòng)機的燃氣溫度己達1 538 - 1 871℃，而現役發(fā)動(dòng)機的高溫部件材料許用溫度均在1 100℃以下。目前先進(jìn)的陶瓷熱障涂層能夠在工作環(huán)境下降低高溫零件溫度170℃左右，有效地延長(cháng)熱端部件壽命，提高燃機的綜合表現性能。高溫隔熱涂層也獲得了人們的廣泛關(guān)注與研究，并在地面燃機中獲得比較廣泛的應用。
熱障涂層的一個(gè)主要性能指標即為隔熱性能，通常用涂層的熱導率或涂層前后表面的溫差來(lái)衡量。目前主要從3個(gè)方面提高涂層隔熱性能:(1)開(kāi)發(fā)新熱障涂層材料和現有熱障涂層材料中添加摻雜物.(2)改變熱障涂層的微觀(guān)組織結構;(3)改變陶瓷層結構。目前，涂層材料應用最廣泛的為6%-8%部分穩定的ZrO2，等離子噴涂和物理氣相沉積方法是兩種比較成熟的制備方法。不管是用熱噴涂還是物理氣相沉積制備的熱障涂層都是各向異性的，非致密多孔狀介質(zhì)，其孔隙率在1%-20%之間熱噴涂涂層呈片層狀，物理氣相沉積涂層呈柱狀。層狀結構隔熱能力強，但連接強度低，熱應力大，易剝落;柱狀結構隔熱能力較差，熱膨脹性能好，高溫熱應力較小，耐腐蝕，結構穩定。眾多學(xué)者對改變YSZ粉末顆粒尺寸、向涂層中添加穩定劑或摻雜物以降低其導熱系數進(jìn)行了較多的研究;部分學(xué)者單獨研究了裂紋的形狀與方向、孔隙形狀與大小、界面的存在與否對涂層隔熱能力的影響。本文針對涂層同時(shí)存在大量不規則孔隙、裂紋、界面的具體微觀(guān)組織結構，對其隔熱能力進(jìn)行研究。熱障涂層的許多性能都與涂層的結構特征相關(guān)，因此根據涂層的顯微結構特征，如片層或柱狀結構，孔隙的尺寸及大小，溫度等定量地計算其有效導熱系數的大小，對于涂層結構及工藝的設計及應用都有指導價(jià)值。
基于4參數隨機生長(cháng)法，構造了各向同性、各向異性的層狀與柱狀YSZ熱障涂層的微觀(guān)結構的幾何模型，利用熱阻網(wǎng)絡(luò )法開(kāi)發(fā)了多孔材料導熱性能的分析軟件并進(jìn)行了數值計算，其結果可以為涂層結構的設計及制備提供參考依據。
2熱阻網(wǎng)絡(luò )法
熱阻網(wǎng)絡(luò )法基于多相材料內部無(wú)規則的空間結構，對熱量在材料內的傳遞過(guò)程進(jìn)行研究以獲得其有效導熱系數。從無(wú)規律的隨機空間結構中提取統計學(xué)意義上的宏觀(guān)特征量，是一種比較客觀(guān)直接的問(wèn)題處理方法。本文應用熱阻網(wǎng)絡(luò )法對基于涂層具體結構的導熱問(wèn)題進(jìn)行數值研究。
3涂層微結構構造方法
四參數隨機生長(cháng)法是構造多相多孔介質(zhì)的有效方法，它可以通過(guò)參數調整控制生成介質(zhì)的形貌特征。該方法首先假設系統中包括一個(gè)非生長(cháng)相和若干生長(cháng)相。為了驗證本程序對于材料有效導熱系數數值求解的有效性，計算了二維兩種不同導熱系數的材料，導熱串并聯(lián)模型的有效導熱系數，并將理論解和模擬解進(jìn)行對比。
復合材料導熱串并聯(lián)模型，其有效導熱系數的解析解與模擬，由誤差分析可知，本文方法能準確地計算材料有效導熱系數。
4結論
(1)孔隙率對熱障涂層的有效導熱系數有顯著(zhù)影響，增大孔隙率能顯著(zhù)地提高其隔熱能力;在相同的孔隙率下，孔徑對其隔熱能力影響不顯著(zhù);溫度對涂層導熱系數的影響，與其致密基體在不同溫度下的導熱系數密切相關(guān)。
(2)層狀結構的隔熱能力明顯強于柱狀結構，孔隙率為15%的涂層，層狀結構導熱系數要比柱狀結構有46%左右的降低。涂層材料的內部微結構對涂層隔熱性能將有很大影響。
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