摘要
高红外辐射材料在航空航天和节能环保领域有很重要的作用，越来越受到国内外学者的关注。到目前人们发现了很多材料都具有较高的红外发射率，其中尖晶石结构材料因兼具高红外发射率和很好的高温稳定性而成为近几年研究的热点。其中镍铬尖晶石(NiCr2O4)在室温下具有很高的红外发射率（0.87），且可以在中高温（600-1000℃）环境下稳定服役。但随着材料服役条件的日益苛刻，对现有的红外辐射材料提出了更高的要求，因此有必要进一步提高红外辐射涂层的红外发射率。课题组前期研究表明，在镍铬尖晶石中单掺杂硼化物（如ZrB2）或者氧化物（如MnO2）一方面可以提高晶格非对称性，引入晶格畸变从而有效提高中远波段红外发射率，另一方面可以提高载流子浓度，增加自由载流子吸收，提高中短波段红外发射率。然而两者共掺杂的影响规律未知，有待进一步揭示。 故本文首次研究了不同硼化物MBx（M=V、Mo、Fe）和MnO2共掺杂对镍铬尖晶石微观结构和性能的影响，从而优选出发射率最佳的硼化物。在此基础上，研究了最优硼化物和MnO2共掺杂下的掺杂不同摩尔比的影响。具体为采用喷雾造粒的方法制备团聚粉末，使用大气等离子喷涂的方法制备涂层。对粉末的流动性、松装密度和物相结构进行了表征分析，对涂层的物相结构、微观形貌、红外辐射性能和抗热震性能进行了表征分析。 结果表明，在不同硼化物MBx（M=V、Mo、Fe）和MnO2共掺杂镍铬尖晶石涂层中，掺杂后的涂层仍具有尖晶石结构。陶瓷涂层的厚度为 50~60 μm，粗糙度 Ra 为 3.51~3.65 μm。由于金属离子和硼离子进入尖晶石晶格，引起晶格畸变，增强了晶格振动吸收，有效地提高了涂层在 5~25 μm 波段的发射率。V 掺杂涂层在 5~25 μm 处的具有最高的红外发射率为 0.8836，比纯 NiCr2O4涂层高0.0175。又NiCr2O4为P型半导体，由于高价离子掺杂的补偿效应，降低了载流子的浓度，从而导致 3~5 μm 的发射率降低。3~5 μm 处的 Mo 掺杂涂层的红外发射率最低为0.8664，比纯NiCr2O4涂层低0.017。由于高价掺杂引入了施主杂质能级，自由电子的浓度增加，促进了自由电子从杂质能级到导带的跃迁吸收，从而提高了 0.75~2.5 μm 的发射率。Mo 掺杂涂层在 0.75~2.5 μm 处的发射率值最高为0.935，比纯NiCr2O4涂层的发射率高0.02。通过抗热震测试表明，VB2-MnO2共掺涂层在750℃~25℃水冷却30次后，涂层表现出良好的抗热震性能。 在不同摩尔比MnO2和硼化物（VB2）共掺杂镍铬尖晶石涂层中，相比于MnO2和VB2单掺杂，两者共掺杂NiCr2O4可以更有效的提高涂层的红外发射率。所有涂层具有相似的粗糙度（3.55~3.68 μm）和厚度（50~60 μm）。在 0.75~2.5 μm波段，MnO2和VB2的掺杂摩尔比为1：1时（MV11），此时涂层具有最高的红外发射率为0.928，这主要由于多种元素掺杂增加了尖晶石系统中的杂质能级，且高价 V5+的掺入促进了带内电子跃迁。在 5~25 μm 波段，MV11 涂层同样具有最高的红外发射率为0.884，这主要由于各掺杂原子半径不同，发生替代时会导致晶格畸变，且多种离子掺杂会增加晶格混乱度，从而增加了晶格振动吸收。MV11 涂层在 2.5~25 μm 范围内的 1000℃红外发射率为最高的 0.918。MV11 涂层在经历同样的热震实验后，同样表现出了很好的热稳定性能。
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