纳米多层隔热膜的制备及性能研究

发布时间：2020-08-18 13:49

【摘要】：隔热材料对缓解能源危机、提高能源利用率等具有重要的意义,同时也是很多组件在应用中的技术要求。从化工设备容器、房屋、船舶、航天器等各类大型设备、建筑,到空调、热水器等各类小型家电器件,隔热材料都发挥着节能降耗的重要作用。其中,在平板太阳能热水器或玻璃组建的众多器件中,往往要求玻璃在具有良好隔热性能的同时兼具优秀的力学性能,并且对隔热材料的轻质化、安全性等要求也越来越高。因此,研究综合性能优异的隔热材料意义十分重大,而纳米多层膜材料便是有潜力实现此目标的翘楚之一。本实验首先以W与Al2O3作为纳米多层膜的组元材料,利用磁控溅射技术,在常温下制备了不同周期厚度的W/Al2O3纳米多层隔热膜,通过GIXRD、XPS、SEM、TEM、纳米压痕仪及瞬态热反射技术对多层膜的结构和性能进行了表征。结果表明,实验沉积的多层膜中各单层均匀连续,不存在断层现象,且层间界面清晰。A1203膜层呈非晶形态,W膜层具有亚稳态β-W(210)的择优取向,并在周期厚度为5 nm时呈现明显的非晶态。随着膜层界面密度的增大,多层膜的热阻增大,热导率减小,硬度增大。周期厚度为5nm、膜层数为41层的W/A1203多层膜具有较为优异的隔热性能与力学性能,其热阻为3.14× 10-7 m2·K·W-1,有效热导率为0.36 Wm-1·K-1,硬度为8.53 GPa,膜/基结合力为42.20 mN。所制备的多层膜在室温到500℃之间具有良好的热稳定性。为进一步提高材料的隔热性能,探索了不同氧氩比对部分氧化W/Al2O3纳米多层隔热膜结构和性能的影响,制备了系列部分氧化W/Al2O3纳米多层膜。通过结构表征研究发现,多层膜中的Al2O3单层呈非晶态,而部分氧化W单层主要由β-W及β-WO3两相组成,且随着O2/Ar的增加,样品中WO3结晶性逐渐变好。同时,部分氧化多层膜层间界面清晰,各膜层均匀连续。相较未部分氧化(O2/Ar为0)W/Al2O3多层膜,部分氧化体系具有更低的热导率。且当C2/Ar为0.0125时,部分氧化W/Al2O3纳米多层膜相较其他多层膜兼具优异的隔热性能与较好的力学性能,其热阻为4.18×10-7m2·K·W-1,有效热导率达0.36 W·m-1·K-1,纳米硬度为8.22GPa,膜/基结合力为21.79 mN。在室温到500℃之间,所制备的部分氧化多层膜仍具有良好的热稳定性。
【学位授予单位】：海南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.2
【图文】：

多层隔热材料,结构示意图,陈诚,当量热导率

而间隔层（即隔热层）则降低气体与固体传热的贡献（孙陈诚等，２０１１）。逡逑在二者的相互作用下，多层隔热材料的理论当量热导率可低至Ｈ＾Ｗ－ｎ＾邋Ｋ－１邋（李德富逡逑等，２０１３），因此被誉为超级绝热材料。其结构如下图１．１所示（王苗等，２０１６；邋Ｓｐｉｎｎｌｅｒ逡逑Ｍ邋ｅｔ邋ａｌ．，２００４）。逡逑５逡逑

示意图,隔热材料,组织结构,连续结构

逦吸热涂层玻璃板逡逑而依据隔热材料的结构不同，还可将其分为气相连续固相分散型、气相分散固相逡逑连续型与气固连续型隔热材料，如图１．２邋（陈延新，２００８）所示。逡逑栜＿逡逑＊逦ｂ逦ｃ逡逑图１．２隔热材料组织结构示意图逡逑ａ－气相连续结构型；ｂ－固相连续结构型；ｃ－气固连续结构型逡逑１－固相；２－气相；３－纤维逡逑Ｆｉｇ．１．２邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｔｈｅｒｍａｌ邋ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ邋ｍａｔｅｒｉａｌｓ逡逑ａ－邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｔｙｐｅ邋ｏｆ邋ｇａｓ邋ｐｈａｓｅ邋ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ；邋ｂ－邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｔｙｐｅ邋ｏｆ邋ｓｏｌｉｄ邋ｐｈａｓｅ邋ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ；邋ｃ－逡逑ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｔｙｐｅ邋ｏｆ邋ｔｗｏ邋ｐｈａｓｅ邋ｂｏｔｈ邋ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ逡逑Ｉ－ｓｏｌｉｄ邋ｐｈａｓｅ；邋２－ｇａｓ邋ｐｈａｓｅ；邋３－ｆｉｂｃｒ逡逑

曲线,热导率,界面密度,热输运

Ｃｏｓｔｅｓｃｕ邋Ｒ邋Ｍ等（Ｃｏｓｔｅｓｃｕ邋Ｒ邋Ｍ邋ｅｔ邋ａｌ．，邋２００４），米用原子层沉积（ＡＬＤ）技术制备了高逡逑界面密度的Ｗ／Ａｈ0３纳米多层，成功突破了材料的非晶极限。在这种材料中，他们发逡逑现材料的界面在热输运中主导热导率，并导致材料热导率的降低。图１．５为Ｗ／Ａｈ0３逡逑纳米多层热导率与温度的相关性曲线。为了便于比较，同时也示出了邋Ａｈ0３膜的数据，逡逑Ａ１２０３最小热导率的计算值及Ｗ／Ａｂ0３纳米多层的扩散失配模型（ＤＭＭ）分析数逡逑值。由图可见，Ｗ／Ａ１２０３纳米多层的热导率均低于其他数值。逡逑１１逡逑

【参考文献】