陶瓷热障涂层的热导率和热扩散率测量

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1、２６４２０１０年增刊Ⅱ（４１）卷＊陶瓷热障涂层的热导率和热扩散率测量邱琳１，２，郑兴华１，２，李谦１，２，唐大伟１，钱杨保３，张伟刚３（１．中国科学院工程热物理研究所，北京１００１９０；２．中国科学院研究生院，北京１０００３９；３．中国科学院过程工程研究所，北京１００１９０）摘要：提出了应用３ω法进行等离子喷涂热障涂层术被证明是一种有效的热物性测量手段，被广泛用于材料的热导率和热扩散率测量的方法。测试了室温下［３］［４］［４］测量固体、微／纳米薄膜和超晶格材料的热导２种典型的热障涂层材料Ｙ２ＳｉＯ５和Ｌ

2、ａ２Ｚｒ２Ｏ７的热导率。采用３ω方法的其中一个好处就是可以直接对沉率和热扩散率，测试结果与文献中的结果吻合良好。积在基材上的陶瓷热障涂层进行测量，并且陶瓷的厚实验中对不同孔隙率的样品的热导率在室温附近的温度可以足够小，因为可以通过改变驱动信号的频率来度区间内进行测试，结果表明，孔隙率的变化对热导率改变热穿透深度。本文中，利用我们自主研发的、国内有明显的影响。另外，孔隙率对热扩散率有双向的影首台３ω法热物性测试系统，测试了喷涂于不锈钢基材响，即存在某一孔隙率值使得涂层样品的热扩散率最上的两种陶瓷热障涂层样

3、品Ｙ２ＳｉＯ５和Ｌａ２Ｚｒ２Ｏ７的热大。导率和热扩散率。关键词：３ω法；热导率；热扩散率；热障涂层本文将给出利用３ω技术测量ＴＢＣ材料的热导率中图分类号：ＴＢ３４；ＴＢ９４２文献标识码：Ａ和热扩散率的原理，对室温下Ｙ２ＳｉＯ５和Ｌａ２Ｚｒ２Ｏ７样文章编号：１００１－９７３１（２０１０）增刊Ⅱ－０２６４－０４品的热导率和热扩散率进行测量，并且分析孔隙率对１引言ＴＢＣ材料传热性能的影响。等离子喷涂陶瓷热障涂层（ｔｈｅｒｍａｌｂａｒｒｉｅｒｃｏａｔ－２３ω法测试原理及系统ｉｎｇ，ＴＢＣ）作为金属基体的保护层常

4、被沉积在燃气透３ω技术是一种利用交流热波探测材料热物理性平部件上来提高机械性能和延长寿命。由于其高可行质的测量手段。在本实验中，一个沉积在ＴＢＣ样品表性和低成本，ＴＢＣ较其它两种保护先进透平热部件的技术（改进冷却技术和先进合金）更受关注。近年来，面的微型金属带加热器在角频率为ω的正弦交流电流为了配合先进透平对更高工作温度的要求，新型涂层驱动下，产生角频率为２ω的温度波动，这个温度波动材料层出不穷，其中以Ｙ２ＳｉＯ５为代表的硅基复合材料的幅值和相位与金属带和样品的热物性参数有关。在和以Ｌａ２Ｚｒ２Ｏ７为代

5、表的烧绿石结构复合材料最受关小温度变化范围内，金属带的电阻温度系数与温度成注，这是因为与常规的ＴＢＣ相比，Ｙ２ＳｉＯ５和Ｌａ２Ｚｒ２Ｏ７线性关系，因此，电阻也以２ω的角频率变化。频率为具有更低的热导率（Ｙ２ＳｉＯ５约１．４０Ｗ／（ｍ·Ｋ），ω的交流电流与频率为２ω的电阻波动作用产生角频［１，２］Ｌａ２Ｚｒ２Ｏ７约１．８０Ｗ／（ｍ·Ｋ））和更高的热膨胀系率为３ω的３次谐波电压，其中包含与样品热物理参数数（Ｙ约８．３６×１０－６－１，Ｌａ约４．５×２ＳｉＯ５Ｋ２Ｚｒ２Ｏ７有关的信息。对于喷涂在基材的ＴＢＣ样

6、品结构，通过－６－１）［１，２］。在ＴＢＣ材料的应用方面，热导率是评１０Ｋ改变正弦交流电流的频率使得热穿透深度远小于价材料性能好坏的一个关键特性。目前，对于ＴＢＣ的ＴＢＣ样品的厚度，同时ＴＢＣ样品的宽度与金属带的热导率的测量主要是先通过闪光法测量材料的热扩散宽度相比也为无限大，则可将ＴＢＣ样品近似为一个半率，然后进一步测量材料的密度和比热，最终得到材料无限大固体。考虑一个沉积在半无限大固体表面上的的热导率，由于整个过程涉及多个物理量的测量，不可长为ｌ，半宽为ｂ的由交流电流Ｉ＝Ｉ０ｓｉｎωｔ驱动的金属避免

7、地引入了误差；而且闪光法要求待测样品必须是带，忽略样品表面热辐射造成的能量损失，根据Ｃａｈｉｌｌ独立的样品，对于等离子喷涂陶瓷热障涂层来说，在使［５］的分析，频域内的金属膜的平均温度变化可以表示用闪光法测量其热物性参数之前需要先将其从基体为：（如不锈钢等）上剥离下来，对于较薄的涂层样品，如厚∞２（ｂｋ）度＜１ｍｍ的涂层，将其从基体上剥离时很容易碎裂而ＰｓｉｎΔＴ＝（ｂｋ）２（ｋ２２）１／２ｄｋ（１）不能得到合适尺寸的样品。这就使得探究其它适合于ｌπλ∫ｓ０＋ｑ具有小尺寸厚度且不必从基材上剥离下来的热障涂

8、层其中，Ｐ／ｌ是单位长度的加热功率，λｓ是待测样品的热物性测试方法显得很有必要。近２０年来，３ω技的热导率，ｑ是热穿透深度的倒数，热穿透深度（又称＊基金项目：国家自然科学基金资助项目（５０８７６１０３）收到初稿日期：２０１０－０３－２４收到修改稿日期：２０１０－０７－１０通讯作者：唐大伟作者简介：邱琳（１９８５－），女，湖南湘潭人，在读博士，师承唐大伟研究员，从事材料热物性表征研究。邱琳等：陶瓷热障涂层的热导率和热扩散率测量２６５扩散热波的