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有序结构特别是光子晶体具有光子禁带,可以控制光的反射、透射等性能,目前人们纷纷开展有序结构热辐射调控技术的研究。利用光子晶体具有禁带位置高反射率及禁带附近辐射率增强的特点,通过构筑有序结构,可获得具有光子晶体结构的新型防护涂层。本文主要进行了Ni及SiC/Ni有序结构复合涂层的制备、力学行为、辐射性能与传热特性的研究。 利用垂直沉积法和不同粒径的聚苯乙烯微球制备了不同的胶体晶体模板,模板具有大面积的有序性。利用模板进行二次垂直沉积,制备出双层复合周期结构胶体晶体模板,两层模板都具有高质量的周期性排列,光谱测试表明存在着明显的双光子禁带。利用垂直沉积法可以在金属丝上制备出胶体晶体模板,但模板中存在四方、六方排列。利用模板辅助电沉积技术,获得了镍三维有序结构。沉积温度为25℃时,镍有序结构表面光滑、均匀性好;沉积温度为50℃时,制备出的结构呈现不规则性,孔壁结构比较粗糙,有序性差。沉积时间为1min时,获得镍二维有序结构;电沉积2.5min后,制备约3层有序结构。沉积6min后,制备出结构均匀完整的三维的镍有序结构,沉积时间至20min,可以获得厚度约30μm的有序结构镍。镍有序结构无明显的反射峰,随着波长的增加而增加。不同温度处理后镍孔骨架发生粗化,局部孔壁有断裂现象,但大孔镍的整体结构仍保持有序性。 采用Berkovich压头进行了纳米压痕测试,在相同载荷下,有序结构的硬度和弹性模量随着孔径的减小而增大,即“smaller is stronger”现象。在9mN的载荷下,硬度由85.54MPa增加为717.75MPa,弹性模量由1.55GPa增加为8.13GPa;在5mN的载荷下,硬度由88.11MPa增加为797.42MPa,弹性模量由1.75GPa增加为9.57GPa。测试出的两种孔径镍有序结构的表面残余应力数值为负数,表明镍有序结构表面存在的残余应力为压应力。 随着镍有序结构孔径的增加,显微硬度逐渐降低,当粒径由312nm增加到1200nm时,显微硬度由358.03HV下降为230.67HV。显微压入残余变形主要为压头压入区域内的变形,包括孔壁的弹性变形、孔壁的弯曲、孔的塌陷、孔壁的断裂和致密化。不同温度处理后,镍有序结构的显微硬度逐渐下降。 利用磁控溅射制备了SiC薄膜,XRD、XPS分析表明,SiC为非晶结构。制备出不同粒径的SiO2单层模板,利用SiO2胶体晶体模板为磁控溅射SiC的基板,SiC在SiO2微球表面原位生长,进而制备出SiC纳米柱有序结构。研究了不同粒径的纳米柱有序结构的光致发光,发现制备成纳米柱阵列,光致发光强度比SiC薄膜有较大提高,原因是表面积的增加和有序结构可改善发射特性。 在镍有序结构表层磁控溅射碳化硅涂层,观察了不同沉积时间的结构形貌图,发现碳化硅填充镍有序结构表层的孔洞,但不会更深的渗入,形成了类光栅结构的表面碗状图案化涂层。测试了有无镍有序结构时的涂层发射率,发现存在有序结构的涂层光谱发射率有一定的提高,提高的原因是表面粗糙度的增加和有序结构形成的相干热辐射。 以实验制备的有序结构复合涂层为计算模型,建立起一维三层半透明介质耦合换热宏观模型,对不同材料体系、不同的涂层结构进行了传热特性数值计算,对有序结构复合涂层的防护效果进行了性能对比和原因分析。