鎂鋁合金光熱涂層制備工藝探討范文

本站小編為你精心準(zhǔn)備了鎂鋁合金光熱涂層制備工藝探討參考范文，愿這些范文能點(diǎn)燃您思維的火花，激發(fā)您的寫(xiě)作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

《鋁加工》2017年第5期

摘要：以鎂鋁合金為實(shí)驗(yàn)基體金屬，利用大電流（>200V）通過(guò)表面放電的方式，在合金表面生成一層耐高溫性能和具有良好吸光性能的陶瓷膜層。光譜分析表明此類(lèi)涂層的吸光率為90.28%，達(dá)到了中高溫光熱轉(zhuǎn)換涂層的使用要求；在力學(xué)性能方面，通過(guò)結(jié)合力實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)此類(lèi)膜層的結(jié)合力接近53.2N，表明涂層和基體合金的結(jié)合非常緊密。

關(guān)鍵詞：光熱涂層；吸光率；高溫穩(wěn)定性

光譜選擇吸收涂層作為一種在太陽(yáng)光譜范圍內(nèi)具有高吸收率和低反射率的特殊涂層而被廣泛的應(yīng)用于太陽(yáng)能發(fā)電等領(lǐng)域。經(jīng)過(guò)近些年的研究，發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)能集熱器等光熱轉(zhuǎn)換裝置的熱轉(zhuǎn)換效率主要由光熱轉(zhuǎn)換涂層的吸光性能決定。所以涂層材料成為太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換器中最關(guān)鍵的組成部分及研究熱點(diǎn)[1-5]。根據(jù)選擇性吸收涂層的工作原理及其結(jié)構(gòu)，這類(lèi)涂層主要分為以下4個(gè)類(lèi)型：本征吸收涂層、多層吸收涂層、金屬陶瓷復(fù)合型涂層、表面結(jié)構(gòu)型涂層。

（1）本征吸收涂層又稱(chēng)為半導(dǎo)體涂層，該類(lèi)涂層材料主要是由半導(dǎo)體或過(guò)渡金屬組成，Si、Ge、PbS等半導(dǎo)體均是理想的涂層材料[6]。但是單一的半導(dǎo)體材料由于具有較高的折射率因而造成的能量損失非常大，降低了涂層的光譜吸收性能。所以在使用此類(lèi)涂層時(shí)通常會(huì)在表面進(jìn)行多孔處理或添加一層減反層。此外，半導(dǎo)體涂層一般具有良好的耐熱性和耐腐蝕性。

（2）多層吸收涂層一般由基體材料、紅外減反層、復(fù)合吸收層及表面減反層組成。這類(lèi)涂層的復(fù)合吸收層通常是金屬與電介質(zhì)形成了梯度涂層。從上到下，涂層的折射率不斷增大，從而提高涂層的整體吸收率。因此多層吸收涂層一般具有非常高的吸收率和低的發(fā)射率，并能夠經(jīng)受400℃以上的高溫[7-12]。

（3）金屬陶瓷復(fù)合型涂層一般是由金屬顆粒彌散分布在陶瓷材料中，細(xì)小的金屬顆粒一般是過(guò)渡族金屬，由于其存在的帶間躍遷作用，使得涂層吸光率增加而紅外發(fā)射率下降。這類(lèi)涂層的典型材料有Mo-Al2O3、Ni-Al2O3、Fe-Al2O3、TiB2-Al2O3和Co-Al2O3等[13-17]。

（4）表面結(jié)構(gòu)型涂層是通過(guò)控制涂層的表面結(jié)構(gòu)和形貌造成各種陷阱來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)光線的捕捉，所以這類(lèi)涂層又稱(chēng)為光學(xué)陷阱涂層。這類(lèi)涂層的制備比較容易簡(jiǎn)單，但是對(duì)表面的圍觀形貌要求較高，且在實(shí)際使用中容易發(fā)生損壞[18]。早期由于較低的使用要求，涂層在低溫使用時(shí)都能夠保持化學(xué)穩(wěn)定性和良好的性能指標(biāo)，即使使用溫度有一定的升高，也不會(huì)明顯降低涂層的光熱轉(zhuǎn)換效率，更不會(huì)發(fā)生涂層脫落等嚴(yán)重問(wèn)題。然而隨著熱發(fā)電等技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)涂層的高溫穩(wěn)定性和高溫?zé)徂D(zhuǎn)換效率都提出了更高的要求，并逐漸成為影響此類(lèi)涂層使用性能的重要因素。從而使得當(dāng)前常用的表面涂覆、表面真空濺射等涂層制備手段已經(jīng)不能夠滿(mǎn)足要求。

在前期的研究基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)通過(guò)陽(yáng)極氧化技術(shù)能夠在鎂合金表面生成一層具有優(yōu)良吸光性能和良好熱穩(wěn)定性的陶瓷層。通過(guò)對(duì)其制備過(guò)程分析認(rèn)為，由于此類(lèi)涂層是由基體金屬與電解質(zhì)等物質(zhì)直接發(fā)生反應(yīng)生成的，結(jié)合力更好，不易發(fā)生脫落[19-21]。同時(shí)此類(lèi)涂層的主要產(chǎn)物是一層陶瓷，因而也表現(xiàn)出良好的耐高溫性能。基于以上實(shí)驗(yàn)與分析，并結(jié)合過(guò)去在陽(yáng)極氧化制備涂層方面積累的經(jīng)驗(yàn)與研究成果，更深入和系統(tǒng)的研究此類(lèi)氧化陶瓷涂層的光學(xué)性能及其在光熱轉(zhuǎn)換中的實(shí)際應(yīng)用將具有非常高的應(yīng)用價(jià)值。

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1試驗(yàn)樣品的制備

本實(shí)驗(yàn)使用的材料是AZ91美鋁合金，在進(jìn)行陽(yáng)極氧化前需對(duì)試樣進(jìn)行以下處理，具體過(guò)程如下：（1）將原材料切割成樣品尺寸為40mm×20mm×5mm的尺寸；（2）切割后的試樣由于機(jī)械力的作用表面存在較深的變形層，需要在砂輪機(jī)上進(jìn)行平整；（3）進(jìn)一步細(xì)磨，消除粗磨留下來(lái)的深而粗的磨痕和變形層，磨光在砂紙上進(jìn)行，分別用400#、800#、1200#水砂紙依次打磨直至試樣表面無(wú)氧化層、機(jī)械加工痕跡、劃痕等明顯缺陷；（4）最后對(duì)試樣在拋光機(jī)上進(jìn)行拋光，酒精清洗干凈后待用。

1.2溶液的配置及參數(shù)設(shè)置

（1）溶液的配置將硅酸鈉、氫氧化鉀、高錳酸鉀、偏釩酸銨等按照一定比例依次溶解于去離子水中，并進(jìn)行攪拌，直至完全溶解。

（2）陽(yáng)極氧化實(shí)驗(yàn)參數(shù)頻率：400Hz；電壓：250～350V；時(shí)間：3～5min。

1.3膜層反射率的測(cè)量

本實(shí)驗(yàn)采用紫外分光光度計(jì)測(cè)量試樣氧化膜層的反射率。紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)能夠在可見(jiàn)光和紫外光光譜之間工作，發(fā)射器定強(qiáng)度、定波長(zhǎng)發(fā)射出的光線在通過(guò)試樣后，接收器所接收到的強(qiáng)度會(huì)有所減弱，通過(guò)計(jì)算接收到光的強(qiáng)度，可以判定出試樣的反射率，進(jìn)而求出吸收率。

1.4膜層結(jié)合強(qiáng)度的測(cè)量

本實(shí)驗(yàn)采用了涂層附著力自動(dòng)劃痕儀來(lái)測(cè)量膜層與基體的結(jié)合力強(qiáng)弱。其中加載載荷為70N，加載速率為4N/min，劃痕速度2mm/min，劃痕長(zhǎng)度10mm，往復(fù)次數(shù)1次。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1表面形貌及成分分析

2.1.1偏釩酸銨對(duì)表面膜層的影響

根據(jù)實(shí)驗(yàn)安排，按照5g/L硅酸鈉，5g/L氫氧化鉀的比例與不同濃度（0，1，2，3g/L）的偏釩酸銨進(jìn)行混合后對(duì)其進(jìn)行顯微觀察，發(fā)現(xiàn)隨著偏釩酸銨濃度的增加，試樣表面生成的膜層逐漸由白色、灰白色向淺灰色和灰色進(jìn)行轉(zhuǎn)變。當(dāng)偏釩酸銨濃度為3g/L時(shí)涂層最好，表面較為光滑，顏色均勻。隨著偏釩酸銨濃度的增加膜層顏色繼續(xù)加深，但是有燒蝕現(xiàn)象出現(xiàn)，影響膜的質(zhì)量。

2.1.2高錳酸鉀對(duì)表面膜層的影響

在前期的研究基礎(chǔ)上，研究發(fā)現(xiàn)隨著高錳酸鉀濃度的增加，試樣的表面也會(huì)逐漸發(fā)生由淺灰色、灰色向灰黑色轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象。因此，本實(shí)驗(yàn)在3.1的基礎(chǔ)上在電解質(zhì)溶液中添加高錳酸鉀，隨著高錳酸鉀濃度的增加，生成的膜層顏色逐漸加深，當(dāng)其濃度達(dá)到0.3g/L時(shí)膜層具有最深的顏色，同時(shí)膜層表面光滑，質(zhì)量最好。在掃面電鏡下觀察得到的膜層，發(fā)現(xiàn)表面呈網(wǎng)格狀，由許多微小、不規(guī)則的的熔融物組成，且其頂部存在直徑數(shù)微米（＜10μm）的孔洞。這些孔洞是溶液與基體反應(yīng)的通道，同時(shí)也是電火花產(chǎn)生時(shí)，熔融態(tài)的氧化物噴發(fā)出的通道。在電火花的作用下，膜層是以小孔為中心，通過(guò)生成的氧化物不斷熔化、迅速凝固并相互結(jié)合而增厚的。元素分析表明黑色膜顏色的加深可能與Mn的加入有關(guān)。

3結(jié)論

本項(xiàng)目以鎂鋁合金為實(shí)驗(yàn)基體金屬，按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行加工后浸泡在特定電解質(zhì)溶液中，通過(guò)陽(yáng)極氧化的方式，利用大電流（>200V）通過(guò)表面放電的方式在合金表面生成一層耐高溫性能和具有良好吸光性能的陶瓷膜層。經(jīng)過(guò)在不同的電解質(zhì)溶液中對(duì)該合金的表面進(jìn)行陽(yáng)極放電氧化，最終發(fā)現(xiàn)在硅酸鈉（5g/L），氫氧化鉀（5g/L），偏釩酸銨（3g/L），高錳酸鉀（0.3g/L）等物質(zhì)組成的混合溶液中能夠形成比較光滑、顏色較深的陶瓷膜層，并且表現(xiàn)出良好的光學(xué)和力學(xué)性能。其中，在光學(xué)性能方面，通過(guò)光譜分析，其吸光率達(dá)到了90.28%，達(dá)到了中高溫光熱轉(zhuǎn)換涂層的使用要求；在力學(xué)性能方面，通過(guò)結(jié)合力實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)此類(lèi)膜層的結(jié)合力可以達(dá)到53.2N，表明涂層和基體合金的結(jié)合非常緊密。通過(guò)表面顯微分析及結(jié)構(gòu)分析認(rèn)為以上涂層之所以具有以上良好的性能，尤其是具有良好的結(jié)合力，主要是由于涂層和基體之間沒(méi)有明顯的界限，兩者間以相互交錯(cuò)的方式結(jié)合，完全不同于涂覆和濺射等方法制備的涂層，所以能夠有效避免涂層開(kāi)裂和脫落。

參考文獻(xiàn)：

［17］崔艷艷,周莉,張?jiān)伱?TiB2-Al2O3復(fù)合陶瓷涂層的制備和性能的研究[J].當(dāng)代化工，2013，6：760-762.

［19］許振明,徐孝勉．鋁和鎂的表面處理[M]．上海:上海科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社,2005.

［20］楊海波,林營(yíng)，王芬.黑色滲彩釉的試制及其著色機(jī)理的分析［J］．中國(guó)陶瓷,2005,41(1):61-64.

作者：張恩耀 單位：西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院