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工程科学与技术 2022年第4期54卷 47-55页

作者：孙斌祥黄尹泰沈航姜奕绍兴文理学院土木工程学院浙江绍兴312000 绍兴文理学院元培学院浙江绍兴312000

传统的沥青路面吸热、储热能力强,容易造成沥青路面车辙问题和加剧城市热岛效应的发展,沥青热反射涂层的运用可以有效解决此问题。目前,路用热反射涂层的研究大多集中在材料的组成优化上,对涂层结构的研究较少,受单层结构涂层的限制,沥... 详细信息

传统的沥青路面吸热、储热能力强,容易造成沥青路面车辙问题和加剧城市热岛效应的发展,沥青热反射涂层的运用可以有效解决此问题。目前,路用热反射涂层的研究大多集中在材料的组成优化上,对涂层结构的研究较少,受单层结构涂层的限制,沥青热反射涂层降温性能发展面临着持续的挑战。针对此问题,本文提出了一种由反射涂层、辐射涂层和隔热涂层组成的3层结构降温涂层,用于沥青路面上可有效降低路面温度。通过室内降温试验研究了多层结构降温涂层中组成材料的最佳掺量和各涂层的最佳用量,并研究了多层降温涂层的结构组合形式。试验结果表明:钛白粉、中空玻璃微珠和远红外陶瓷粉的最佳掺量分别为15%、20%和15%;反射涂层、辐射涂层和隔热涂层的最佳用量分别为0.6、0.3和0.3 kg/m^(2);着色颜料的加入会降低涂层的降温效果;将3种降温填料加入到不同的结构层中,涂层降温性能得到增强,在反射涂层下增添辐射层增加涂层降温达3.70℃,在反射涂层下增添隔热层可以增加涂层内部降温达1.10℃,其中,3层结构降温涂层以反射层作为表面层、辐射层作为中间层、隔热层作为底层的组合形式降温效果最佳,表面和内部降温幅度可达10.45和9.22℃。与单层热反射涂层相比,多层结构降温涂层降温效果更佳,能更有效降低沥青路面温度。

关键词：道路工程沥青路面多层结构涂层降温效果

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中高温多层结构选择性吸收涂层的制备与研究

中高温多层结构选择性吸收涂层的制备与研究

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作者：柯成竹武汉理工大学

学位级别：硕士

光热发电是太阳能热利用的重要形式之一,研制出能够在中高温大气环境下稳定使用的高性能太阳能选择性吸收涂层是提高光热转化效率的关键。本文从实际需求出发,考虑到包括成本、工艺和实用性能等方面的需求,使用超音速热喷涂法制备的Co-W... 详细信息

光热发电是太阳能热利用的重要形式之一,研制出能够在中高温大气环境下稳定使用的高性能太阳能选择性吸收涂层是提高光热转化效率的关键。本文从实际需求出发,考虑到包括成本、工艺和实用性能等方面的需求,使用超音速热喷涂法制备的Co-WC涂层作为吸收底层,采用溶胶-凝胶法制备的CuCoMnO尖晶石复合氧化物作为辅吸收层并对其进行封孔,采用CuCoMnO-SiO复合溶胶作为过渡层连接吸收层和外层的SiO减反层,以此多层设计来结合超音速喷涂层的优异中高温稳定性和溶胶凝胶涂层的优异光谱选择性,从而制备出能够稳定在中高温大气环境中使用的高性能选择性吸收涂层。然后进一步使用Ni对CuCoMnO溶胶进行掺杂改性,改善其光谱选择性能和中高温热稳定性能,从而再次提高多层涂层的整体性能。在多层结构选择性吸收涂层中,CuCoMnO溶胶和Co-WC喷涂层之间的润湿角小于10°,溶胶层和喷涂层之间有十分良好的结合性,进一步分析结合条件表明:当对Co-WC层打磨10min,粗糙度约为1.78μm时,使用4000r/min的旋涂速度涂敷CuCoMnO溶胶能够使两层涂层有较好的光谱选择性。其次,过渡封孔层和辅吸收层之间的界面明显,局部有相融态的晶体,元素分布呈现梯度特征,表现出较好的过渡性。随着溶胶层的涂敷,涂层表面的孔隙缺陷不断减小,表面粗糙度不断降低,涂层的吸收发射率由0.821/0.434提升到了0.914/0.291。将多层结构涂层在500℃大气环境下保温250h后,涂层的表面出现了一定的裂纹,光学性能退化呈现梯度特征,层间元素发生了扩散。得益于溶胶层的保护,最终吸收发射率为0.901/0.323,PC值为0.0305涂层。将多层结构中溶胶层替换为Ni(CuCoMnO)溶胶后得到的Co-WC/Ni(CuCoMnO)/Ni(CuCoMnO)-SiO/SiO四层结构涂层的吸收发射率为0.928/0.274。同样对该涂层进行500℃热稳定实验,经过250h保温,涂层的吸收发射率为0.911/0.295,PC值仅为0.0255,其衰退速度远低于原多层结构涂层,光学性能的衰退符合实验要求,多层涂层的综合性能得到了进一步的提升。

关键词：多层结构涂层掺杂改性 CuCoMnOx氧化物太阳能选择性吸收涂层

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典型钢氮化扩散与TC4表面涂层强化力学性能研究

典型钢氮化扩散与TC4表面涂层强化力学性能研究

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作者：王鼎辽宁科技大学

学位级别：硕士

作为典型的实际应用中需要表面强化的钢种及轻质合金,如316L不锈钢、M50模具钢、W6高速钢及TC4钛合金,离子氮化及涂层强化是其常用表面强化手段。本文采用热丝增强等离子体低温离子氮化与磁控溅射一体化技术对316L、M50和W6钢进行了低... 详细信息

作为典型的实际应用中需要表面强化的钢种及轻质合金,如316L不锈钢、M50模具钢、W6高速钢及TC4钛合金,离子氮化及涂层强化是其常用表面强化手段。本文采用热丝增强等离子体低温离子氮化与磁控溅射一体化技术对316L、M50和W6钢进行了低温表面离子氮化处理,通过对其化学成份、晶体结构和力学性能的差异分析,研究了氮元素在典型钢中的扩散机制行为,阐明了影响氮元素扩散的因素,并揭示了扩散机制。对TC4钛合金进行了表面沉积Ti金属层复合离子氮化、沉积了不同厚度调制比Ti/TiN及Ti（N）/TiN多层结构涂层。通过对TC4基体表面强化多层涂层厚度调制及软钛层离子氮化的设计,研究TC4钛合金表面多层涂层改性后的力学性能,阐明了软/硬层厚度与涂层形变的关联性,揭示了强化与失效机制。研究结果有助于离子氮化和涂层强化设计原则的建立,将为工业生产实际提供理论依据。（1）对于316L、M50和W6钢表面低温离子氮化:N原子优先扩散进入八面体间隙中,体心立方结构的钢含有的八面体间隙个数和尺寸大于面心立方结构钢,故M50钢和W6钢渗氮层厚度大于316L钢;316L钢中置换固溶元素Cr对N亲合力较大,阻碍N原子扩散;高含碳量加速了元素的合金化。经计算,在实验温度450℃下N原子在316L钢中所需的扩散激活能76.02 k ***远高于在M50钢和W6钢中的23.37 k ***和23.16 ***。（2）对于TC4钛合金表面沉积金属Ti复合离子氮化:Ti复合氮化的TC4钛合金表面纳米硬度及模量均提高,磨损率从基体的10mm·N·m降至10mm·N·m量级;随着靶电流增加,沉积速率加快,涂层更加疏松,利于N原子扩散,且有助于TiN相生成,涂层力学性能提高。（3）在TC4表面沉积厚度比不同的Ti/TiN及Ti（N）/TiN多层结构涂层及单层TiN:Ti及Ti（N）作为软连接层的多层结构抑制了TiN柱状晶的生长,细化了TiN晶柱尺寸;在受到正应力和切应力作用时,厚度调制比较高,即较厚的软Ti及Ti（N）层塑性变形严重,导致多层结构中的硬TiN层崩裂;厚度调制比低,软Ti及Ti（N）层塑性变形吸收了一定的外界功,界面应力降低,有效阻止了裂纹在硬TiN层中的扩展,提高了涂层强韧性;由于硬度和模量的匹配性,离子氮化的Ti（N）层比纯金属Ti层对多层结构的强韧化作用更强。

关键词：典型钢钛合金离子氮化多层结构涂层表面强化

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多层金刚石涂层刀具制备及其性能研究

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作者：王宜豹长安大学

学位级别：硕士

金刚石是由sp杂化的碳碳共价键的原子晶体,面心立方结构,具有高硬度、抗磨损、高导热率和低摩擦系数等优异特点。金刚石薄膜是硬质涂层材料中的最佳选择,可作为涂层刀具的涂层材料。金刚石涂层刀具广泛应用于航空航天、汽车、电子等领域... 详细信息

金刚石是由sp杂化的碳碳共价键的原子晶体,面心立方结构,具有高硬度、抗磨损、高导热率和低摩擦系数等优异特点。金刚石薄膜是硬质涂层材料中的最佳选择,可作为涂层刀具的涂层材料。金刚石涂层刀具广泛应用于航空航天、汽车、电子等领域,在切削高硅铝合金、陶瓷、碳纤维增强复合材料、石墨等难加工材料方面,表现出优异的切削性能。本文使用热丝化学气相沉积法（HFCVD）,在碳化钨钴基硬质合金片和硬质合金立铣刀上制备不同表面结构的单层金刚石涂层和不同调制周期的多层微/纳金刚石涂层,利用扫描电子显微（SEM）、X射线衍射仪（XRD）、拉曼光谱（Raman）和原子力显微镜（AFM）等对金刚石涂层结构和成分进行表征;使用拉曼光谱仪和X射线衍射仪对不同结构涂层进行应力分析;利用压痕实验系统研究不同结构的金刚石涂层与碳化钨硬质合金的结合性能;利用数控加工中心系统研究不同结构金刚石涂层刀具的切削性能,并初步探索硬质合金基金刚石刀具涂层脱落机理。本文利用热丝化学气相沉积法制备金刚石生涂层,其基本生长规律如下:随着基底温度、甲烷浓度、腔室压强的提高金刚石涂层的生长速率随之提高,其中甲烷浓度对金刚石的生长质量影响最为明显;随着甲烷浓度的升高金刚石涂层表面由1-3μm的金刚石晶粒减小至几十纳米,由于表面金刚石晶粒细化,涂层粗糙度呈现下降趋势,同时金刚石涂层中非金刚石相也随之上升,金刚石涂层由柱状晶生长方式转变为纳米堆积生长方式;通过调节甲烷浓度,在无偏压条件下,利用热丝化学气相沉积方法成功制备出不同调制周期（600 nm,300 nm和100 nm）的多层金刚石涂层结构。本文对不同结构金刚石涂层残余应力及涂层力学性能进行系统研究得到如下结果:单层微米金刚石涂层的残余应力最大,为-3.06 GPa,但是微米金刚石与硬质合金基底有较强的机械锁合效应,出现涂层小面积脱落和较宽的裂纹扩展区域;单层纳米金刚石涂层残余应力最小,为-2.27 GPa,但是纳米金刚石在硬质合金界面处形成大量sp碳,与基底结合性能最差。多层微/纳米金刚石涂层与微米金刚石涂层相比,由于在微米金刚石的基础上引入了纳米金刚石层,降低涂层残余应力最小至-2.55 GPa,提高了涂层韧性,我们发现以300 nm为生长周期的多层结构在压痕实验中性能最为优异,可以有效的抑制裂纹扩展。本文对不同结构的单层金刚石和微/纳米多层金刚石涂层刀具进行切削性能研究得到如下结论:除100 nm调制周期的多层结构金刚石涂层刀具外,另外两种多层金刚石刀具（600 nm和300 nm）切削性能整体优于单层金刚石涂层刀具,其中以300 nm为调制周期的涂层刀具性能最为优异,切削长度为1130 m时,刀刃涂层仍然保持完整,而单层金刚石涂层刀具在切削初期刃部出现了明显的涂层破损。通过对刀刃处涂层破损观察发现,微米金刚石涂层由于脆性大,以柱状晶解离的方式脱落;而多层金刚石涂层韧性高,前期涂层以磨损的形式被消耗,当刃部涂层磨损至一定厚度时,涂层受到的剪切力会骤然升高,从而引起涂层的脱落。根据以上多层金刚石涂层失效机理,下一步优化多层微米/纳米金刚石涂层制备工艺,可以通过提高涂层的整体厚度,或者增加单层微米金刚石厚度来增加涂层的耐磨性。

关键词：金刚石涂层刀具多层结构涂层切削性能失效机理

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