聚合物表面空间环境防护涂层热应力分析方法研究进展

柔性聚合物材料作为航天器表面用关键材料,易受到空间环境的协同损伤,在其表面制备防护涂层是实现长期服役的重要技术。但由于常用防护涂层与基体间的性能差异,涂层易因应力出现开裂和剥落,因此应力分析对于材料的设计和优化非常重要。对于涂层应力的分析方法,主要可以分为基于试验测量以及基于数值仿真的有限元分析方法两类。梳理目前常见的试验测量方法,分析有损法和无损法试验测量的应用,整理归纳基于数值仿真的有限元分析方法的原理以及相关应用,比较不同方法的优缺点,总结其局限性以及应用前景。不同应力测试分析方法在材料的服役寿命和失效形式预测中发挥了重要作用,但传统的机械有损测量方法难对应力情况进行实时监测,近年来发展起来的无损法也存在一定的应用局限性,有限元模拟具有实时、全面的应力测量优点,但是与实际涂层模型具有一定的差距。基于目前试验方法与有限元仿真各自的局限性,提出将有限元仿真与试验表征结合成为进一步指导涂层设计的有效方法,有望有效预测涂层失效机制,优化涂层材料制备工艺,开发具有低应力结构的涂层材料,为聚合物表面用关键涂层材料的轻量化发展和长期可靠服役提供技术支撑。

镁、锌和锶离子掺杂硅酸钙涂层成骨行为比较研究

等离子体喷涂硅酸钙(Ca-Si)涂层中掺入Mg^(2+)、Zn^(2+)和Sr^(2+)能够显著降低生理环境下涂层降解速率并可改善涂层的生物性能。然而,涂层生物性能的提高机理并不明确,尤其是掺入离子的贡献仍缺少直接的证据。本文通过减小涂层表面物理特征差异以及Ca和Si离子释放的干扰,考察Mg^(2+)、Zn^(2+)和Sr^(2+)掺杂对硅酸钙基涂层(Ca_2MgSi_2O_7,Ca_2ZnSi_2O_7和Sr-CaSiO_3)促成骨能力的影响。通过优化工艺参数,获得具有相似粗糙度、结晶度和表面形貌的涂层样品。涂层样品在浸泡过程中释放的Ca和Si离子浓度接近。结果表明,MC3T3-E1细胞在Mg掺杂的涂层表面粘附与增殖最显著。Zn掺杂涂层表面能够显著促进成骨分化早期标记物(COL-I和ALP)基因表达。Sr掺杂涂层表面能够显著促进成骨分化晚期标记物(OPN和OC)基因表达并能诱导矿化骨节大量形成。Mg^(2+)、Zn^(2+)和Sr^(2+)在成骨不同阶段的调控作用能够为骨修复涂层材料设计提供一定的理论基础。

铝合金表面氧化锆等离子体电解氧化涂层的制备及形成机理研究

采用等离子体电解氧化方法在铝合金表面制备了氧化锆涂层,电解液为包含Zr（OH）4颗粒的碱性溶液.涂层的组成、结构通过XRD、EPMA进行了研究.结果显示,涂层主要由t-ZrO2、m-ZrO2、α-A l2O3和-γA l2O3组成,t-ZrO2为涂层的主晶相,分布在涂层表面,而-αA l2O3出现在涂层的内侧.涂层表面呈颗粒状,颗粒尺寸约为1～2μm.在氧化过程中,Zr（OH）4颗粒在电场力的作用下向等离子体放电通道口沉积,在放电产生的高温作用下直接转化为氧化锆.

等离子喷涂ZrC基涂层逐道逐层沉积残余应力模拟与实验验证

采用商用ANSYS14.5软件,依据复合梁增层力学模型,采用逐道逐层累积模型模拟了C/C复合材料表面等离子喷涂ZrC基涂层沉积残余应力的特征,分析了SiC过渡层、第二相(SiC,MoSi2)和涂层厚度对ZrC基涂层残余应力的影响,并进行了实验验证。结果表明,SiC过渡层有效缓解了涂层与基体的热失配应力。涂层体系的应力随着涂层厚度的增加逐渐减小,符合应力松弛和叠加规律。在涂层内部的径向应力以拉应力为主,基体中主要为压应力,且在界面边缘存在压应力集中的极限区域,易使涂层产生裂纹并沿界面扩展。该模拟采用逐道逐层累积的方法更逼近实际喷涂过程,能更准确预测涂层的残余应力。

硅酸钙复合磷酸钙镁水门汀对成骨细胞早期粘附性能影响的研究

目的比较研究成骨细胞在磷酸钙镁水门汀(CMPC)和硅酸钙复合磷酸钙镁水门汀(CMPSiC)表面的早期粘附性能。方法测试比较两种水门汀浸提液的主要离子浓度。采用MTT法和细胞形态参数测量法研究两种水门汀材料对MG-63细胞早期粘附能力的影响。结果浸泡后24 h,CMPC组和CMPSiC组的钙、镁、磷离子浓度均明显升高(P<0.05),CMPSiC组的硅离子浓度显著增高(P<0.05)。MTT结果显示,两种水门汀表面粘附细胞的数量均随时间延长而增多,CMPSiC表面粘附的细胞数量明显高于CMPC表面(P<0.05)。接种6 h后,CMPC表面粘附细胞仍呈球状,CMPSiC表面粘附细胞铺展明显,且CMPSiC表面粘附细胞的细胞面积、周长、费雷德直径等细胞形态参数值均明显大于CMPC表面粘附细胞(P<0.05)。结论CMPSiC比CMPC更利于成骨细胞的早期粘附。

等离子喷涂高温涂层残余应力模拟比较研究

本文运用有限元方法对等离子喷涂高温涂层(包括W涂层、Zr C涂层和Zr O2涂层)沉积过程中涂层内部残余应力进行了数值模拟计算,着重对涂层表面及涂层与钛合金基体界面处径向应力进行分析,讨论了这三种高熔点材料及不同的涂层厚度(0.2mm,0.5mm,0.8mm和1.0mm)对残余应力状态及分布的影响。结果表明,涂层表面处,Zr C涂层径向应力值最大;涂层与基体界面处,随着涂层厚度的增加,W涂层径向应力值逐渐超过Zr C涂层;Zr O2涂层在其表面及涂层与基体界面处的径向应力值在三种材料中均为最小。涂层内部径向应力分布均匀,在试样边缘处,W涂层和Zr C涂层应力集中和突变现象较为显著,而边缘效应对Zr O2涂层影响较小。

高温防护涂层对燃气舵瞬态绕流场影响的模拟研究

采用流体计算软件Fluent研究了等离子体喷涂不同厚度的Zr O2涂层和W涂层对燃气舵瞬态绕流压力场和速度场的影响。结果表明,燃气舵前缘为激波最强烈位置,此处压力值达到最大,但速度值降至最低。燃气流受燃气舵形状的扰动在其前缘边缘和后缘处形成膨胀波,压力大幅突降,速度显著增大。为了提高燃气舵抵抗激波能力,需增加Zr O2涂层和W涂层厚度,但膨胀波强度有所增强。计算结果对探究添加等离子体喷涂涂层后燃气舵的防护有一定意义。

TiO2热控涂层激光辐照特性研究

目的探究激光辐照前后TiO2热控涂层的结构和性能变化。方法采用空气喷涂方法分别制备单层TiO2热控涂层(简称单层TiO2涂层)和双层TiO2-ZrO2热控涂层(简称双层TiO2-ZrO2涂层),分析激光辐照后两种涂层的表面形貌、晶体结构变化,在线测量激光辐照过程中两种涂层样品的背底中心温度和散射光强度变化,比较激光辐照前后两种涂层的光热性能变化等。结果激光辐照后,涂层表面形貌发生变化,不同辐照区域出现了柱状树枝晶、平面晶等形貌,其中双层TiO2-ZrO2涂层中心区域颜色加深变黑。双层TiO2-ZrO2涂层的(110)和(220)面XRD峰值明显增强,出现取向生长现象。单层TiO2涂层的激光损伤阈值为500 W/cm^2、7.2 s;双层TiO2-Zr O2涂层的激光损伤阈值为500 W/cm^2、2.5 s。激光辐照后,两种涂层在1064 nm激光波段的反射率分别由辐照前的97.7%和97.3%下降到60.1%和51.0%,太阳吸收比αs明显增大,发射率εh降低。结论表面形貌发生变化与裂纹、晶体形貌及热缺陷吸收等有关,Ti3+缺陷和氧空位缺陷浓度增大可能是导致双层TiO2-Zr O2涂层中心区域颜色加深变黑的主要原因。单层TiO2涂层的激光损伤阈值更高,与双层涂层相比,吸收的激光能量得到更有效的疏导,但双层TiO2-ZrO2涂层抗热震性能更好。激光辐照后,两种涂层的光热性能显著下降。热控涂层的抗激光损伤性能与涂层结构设计、激光辐照下涂层的宏微观结构及光热稳定性等密切相关。

Y_2O_3与Gd_2O_3共掺杂SrZrO_3热障涂层材料的热物理性能

采用固相反应法合成了5mol%Y2O3与5mol%Gd2O3共掺杂SrZrO3（Sr（Zr0.9Y0.05Gd0.05）O2.95,SZYG）粉末.采用X射线衍射（XRD）和差示扫描量热仪（DSC）分别研究了SZYG粉末在1450℃长期热处理后以及200~1400℃范围内的相稳定性.采用高温热膨胀仪测量了SZYG块材的热膨胀系数,结果表明：通过Y2O3与Gd2O3共掺杂改性可以明显抑制SrZrO3的相转变.在1000℃下SZYG块材的热导率是～1.36 W/（m.K）,与SrZrO3和8YSZ块材相比降低~35%SZYG分别与8YSZ和Al2O3在1250℃热处理24 h表现出很好的化学相容性.

热喷涂纳米结构La_2Zr_2O_7(LZ)/8YSZ双陶瓷热障涂层

为了满足发动机以及涡轮机越来越高的性能要求,双陶瓷热障涂层逐渐取代单陶瓷层的8YSZ涂层,成为可以长期使用温度高于1 200℃的新型陶瓷涂层。采用等离子喷涂方法制备了La2Zr2O7(LZ)/8YSZ双陶瓷热障涂层,并同时制备了微米结构和纳米结构的单层8YSZ陶瓷涂层作为对比。通过X射线衍射仪和扫描电子显微镜研究了粉体喂料和涂层的组织结构。采用对偶拉伸试验法、水淬方法和日本工业标准等研究了涂层的结合强度、隔热效果、热震行为以及高温抗氧化行为。结果表明,与单层的8YSZ陶瓷层相比,双陶瓷型n-LZ/8YSZ涂层的隔热效果提高了35%,热震次数增加了一倍,热氧化失效时间延长了100多小时,具有较佳的隔热效果、抗热震性能以及抗高温氧化性能。

等离子喷涂Mo/8YSZ功能梯度热障涂层结构优化与热力耦合模拟计算

目的研究不同结构参数对Mo/8YSZ热障涂层系统残余应力的影响因素。方法设计Mo/8YSZ功能梯度热障涂层,并利用ANSYS有限元软件建立了等离子喷涂Mo/8YSZ功能梯度热障涂层的数值模型,模型中考虑了材料热物理性能参数随温度变化,研究粘结层、过渡层及陶瓷层厚度对Mo/8YSZ功能梯度热障涂层残余应力的影响规律。结果随着径向距离的增大,粘结层与陶瓷层界面的残余应力逐渐由压应力变为拉应力,并且在涂层边缘位置,径向残余拉应力达到最大值。在0~12 mm路径范围内的同一位置,伴随着陶瓷层厚度的增加,粘结层与陶瓷层界面位置的轴向残余应力无明显变化,且轴向残余应力的数值几乎为0;在6~12.5 mm路径范围内的同一位置,伴随着陶瓷层厚度的增加,其剪切残余应力逐渐增大。在基体与粘结层界面边缘0.5 mm处存在着与其他位置相比更大的应力突变。粘结层与陶瓷层的厚度参数比控制在4∶10~4∶13时,涂层具有最低的热失配。过渡层与陶瓷层的厚度参数比控制在1∶4时,涂层具有最低的热失配。当功能梯度热障涂层的过渡层采用50%Mo与50%8YSZ复合而成时,将粘结层、过渡层及陶瓷层三者的厚度比值控制在16∶10∶40~16∶13∶52,涂层具有最低的热失配。结论通过设计功能梯度热障涂层,并合理调控热障涂层系统的结构参数,可进一步减小喷涂构件的残余应力和应力突变情况,提升基体与涂层的结合强度。

几种热控涂层的真空-紫外辐照试验

无机热控涂层是航天器常用的一类热控涂层。文章采用上海硅酸盐研究所研制的真空-紫外辐照装置,选用合适的加速倍率,对国内几种常用的热控涂层进行了10 000 ESH以上的辐照试验,原位测量了各阶段试验样品的太阳吸收比,获得了这些热控涂层的太阳吸收比变化曲线,验证了热控涂层的"漂白效应"。相关研究结果可以为热控制专家进行热设计时提供参考。

C/C材料表面ZrB_2-SiC功能梯度涂层残余应力分析

目的以C/C复合材料为基体,设计ZrB_2-SiC功能梯度材料。方法利用Ansys软件对等离子喷涂ZrB_2-SiC功能梯度涂层在沉积过程中产生的残余应力进行数值模拟,分析成分分布指数p和梯度层厚度t对梯度涂层残余应力的影响;并通过基于悬臂梁理论的热应力解析,计算与基体接触的涂层在涂层与基体厚度比λ不同时的残余应力值。结果模拟分析结果表明,在涂层与基体的界面,梯度层的厚度对轴向压应力影响不大,径向压应力和切向应力均随厚度的增加而增大,在边缘区域应力集中较为严重,易产生层间破坏;纯ZrB_2层为表面层,其应力主要为径向压应力,且沿径向逐渐减小至0,到边缘处又突变为拉应力,并随p的增大而减小。对比解析法分析可得两者计算的与基体接触的涂层内部的残余应力随λ的增大都是逐渐降低的,这符合涂层内部的应力分布原理。根据优化设计,获得功能梯度材料在各梯度层厚度d为0.1~0.2 mm,成分梯度指数为4时的热应力变化缓和效果较好。结论基于悬臂梁理论的解析解可以很好地评估热应力,并验证了该模拟的正确性。

燃气舵表面ZrO_2涂层热-结构耦合分析

基于流体计算软件FLUENT和有限元分析软件ANSYS对燃气舵表面Zr O_2涂层进行了热-结构耦合的分析,主要对不同厚度(0.5 mm,1.0 mm和1.5 mm)Zr O_2涂层表面的瞬态温度及其引起的相变和热应力进行了研究。结果表明,Zr O_2涂层的厚度增加后应力值增大导致超过其屈服强度以及Zr O_2涂层温度达到相变温度引发相变是其失效的主要原因;燃气舵的失效与Zr O_2涂层的失效密切相关。计算结果对探究"消熔舵"技术中Zr O_2涂层及燃气舵的失效行为有一定的指导意义。

C/C复合材料表面等离子喷涂ZrB_2基涂层沉积残余应力仿真分析

在C/C复合材料表面采用等离子喷涂ZrB_2基陶瓷涂层是提高复合材料抗氧化性能的理想途径。为有效防止热裂纹的产生、设计性能更优的材料,基于数值模拟,通过合理的模型,采用间接顺序热结构耦合,可预测涂层在沉积过程中由于热失配引起的宏观残余应力的大小和分布。结果表明,径向应力是残余应力的主要表现形式;较厚的粘结层能够有效缓解材料的热物性差异;涂层的厚度为0. 5 mm时能够保证涂层表面不会因为受压而开裂的情况下在界面处的残余应力较小;涂层体系的材质倾向于导热系数较高、热膨胀系数较低的ZrB_2-30%SiC(体积分数)材料,以保证涂层在边缘不会有太大的拉应力而产生翘曲。

燃气舵的绕流场及气动特性数值研究

以燃气舵的气动特性为目标,通过设定不同舵偏角的多个工况,进行了燃气舵纯气相绕流场的数值模拟。结合燃气射流的流场分布特点,详细分析了燃气舵及其舵基表面的绕流特性,获得了舵片的升力和阻力随舵偏角的变化曲线。计算结果分析表明:燃气舵前缘的压力和温度最高;迎风面的压力和温度高于背风面;随舵偏角的增大,迎风面和背风面的压差亦增大,符合燃气舵推力矢量控制的原理;随温度升高,背风面靠近后缘的侧根部温差增大,这是燃气舵因热应力易变形的主要原因;升力曲线的线性度较好,阻力曲线变化梯度很小,且随舵偏角的增大,阻力差值亦增大,其作用是造成发动机的主推力损失的原因,为燃气舵推力矢量控制提供了依据。

基于二氧化硅气凝胶制备的多层隔热材料微观结构及热性能研究(英文)

成功制备了一种新型多层隔热材料,其间隔层基于氧化铝纤维制备,并由溶胶-凝胶法植入二氧化硅气凝胶颗粒。在高真空环境下(10-3Pa),新型多层隔热材料当量热导率比传统材料低21.8%,同时重量比传统材料降低了67.2%。此外,这种新型多层隔热材料在1200 K的高温以及低真空条件下(100 Pa)也表现出良好的隔热性能。

长寿命载人航天器热控白漆退化性能试验研究

针对长寿命载人航天器热控白漆在空间环境下的性能退化评估需要,文章对KS-ZA白漆热控涂层进行了地面原子氧、近紫外远紫外和电子质子辐照试验,获取了涂层的空间环境退化数据,得到了涂层与原子氧的反应率,分析了涂层的长期原子氧剥蚀情况。利用经验模型对涂层的紫外辐照性能进行了数据拟合和退化预示,评估了涂层长期紫外辐照退化性能。结果表明,KS-ZA白漆具有良好的空间环境稳定性,可以满足长寿命载人航天器的热控需要。研究结果将为载人航天器热控设计与分析提供试验和退化数据支持。

Nafion改性多级孔径石墨烯气凝胶制备与性能研究（英文）

通过溶胶–凝胶法制备了孔径小于1μm的多级孔径新型石墨烯气凝胶。制备过程中,首先通过Nafion对氧化石墨烯(GO)表面进行化学修饰,并利用乙二胺还原制备石墨烯水凝胶,最终通过冷冻干燥形成石墨烯气凝胶。实验发现Nafion可以有效减少制备过程中氧化石墨烯的团聚,使石墨烯气凝胶形成多级孔径形貌。所得石墨烯气凝胶的孔径可控制在1μm以内,远小于传统石墨烯气凝胶材料的孔径(20~100μm)。这种具有独特结构的石墨烯气凝胶表现出优异的性能,例如高比表面积,高孔隙率,其电化学电容性能相对传统气凝胶提高了约40%。

应用等离子体辉光监控反馈控制反应气体流量制备VO_2薄膜的研究（英文）

采用等离子体辉光监控系统（PEM）反馈控制反应溅射过程,在石英基底上制备出单斜相VO_2薄膜,并研究了反馈控制下反应溅射的等离子体相对辉光强度与氧气流量的关系。实验结果表明：在不同的反应压强（0.8 Pa、0.5 Pa、0.2 Pa）下,通过调整相对辉光强度值（REI）均可稳定获得单斜相VO_2薄膜,对应的REI值分别为0.6~0.65、0.65、0.6。XRD测试结果表明VO_2薄膜具有明显的（011）晶面取向,XPS测试结果表明薄膜的化学计量比为VO_（2.02）。VO_2薄膜在2.5μm处的变温透过率测试结果显示薄膜在相变前后的透过率变化达到65%,相变温度确定为66℃。