纳米涂层热障及其制备方法技术

涂层适合于施加到衬底，用于控制热行进通过衬底的流动。所述涂层包括保持在玻璃态基体中的金属纳米颗粒阵列。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本公开内容一般涉及用于控制热能转移通过材料的技术，并且更具而言涉及热障涂层以及用于制备该涂层的方法。专利技术背景管理热能通过材料的流动在很多行业中都是重要的。热能以已知为声子的热量子形式流经材料。通过使用对声子流动存在阻力的隔层(insulation)可以减少声子通过材料的流动，导致热量差别或温度梯度。然而，使用隔层以控制热能转移在一些应用中可能具有局限性。例如，在航空航天工业中，使用隔层以减少热能转移可能对飞行器增加不期望的重量，或者可能导致部件过大或过厚而达不到应用要求。通过对材料提供在热量可能被吸收之前将其从材料反射的反射性表面，也可以减少声子通过材料的流动。然而，由于需要维护抛光和/或镜面一样的反射性表面，其可以增加操作成本，所以依赖高反射性表面控制热能转移在一些应用中可能是有问题的。近来，已经发现层状二维阵列的小金属颗粒可以干扰声子的流动，从而减少热以基本垂直于所述层的方向通过这些层的流动。然而，通过被已知为声子干扰的现象使用层状二维阵列的小金属颗粒以减少热流动很大程度上限于实验室试验。已知的层状二维阵列，对于生产而言可能耗时且昂贵，并且可产生可能不足够持久的用于高性能应用的表面，比如在航空和航天工业中发现的那些。因此，需要可用作热障以用声子干扰控制热通过材料的流动，并且持久和牢固的涂层。还需要制备该涂层并将其施加到衬底的方法，其既相对经济又可用于覆盖相对大面积的衬底表面。
技术实现思路
公开的实施方式提供了热障涂层，其使用包括具有高和低热导率的纳米级材料的复合结构阻碍或减少热流动，所述纳米级材料排列在薄膜中或作为小颗粒阵列保持在基体中。在一个实施方式中，复合结构包括具有相对高热导率的准规则3-D阵列的金属纳米球，该金属纳米球嵌入具有相对低热导率的玻璃态搪瓷（enamel）基体中。行进通过涂层的热波遇到不连续的热导率并且部分地在基体材料和纳米颗粒之间的内部界面反射。来自不连续处一组界面的部分反射的总和产生聚集的大体反射性材料。在一些情况下，这些内部反射可以造成量子水平的相互干扰。这种干扰造成高度定向的散射特性，其用以强烈地限制热向前流动，给予材料很低的热导率。实际上，公开的涂层的热能带是内部“光亮的(shiny)”。当尺寸合适时，所述涂层可以展示少到相同基体和纳米颗粒材料一起混合成为整体合金的2%的热导率。由于公开的热障涂层不根据表面特性来控制热流动，所以其可以嵌入元件或衬底的内部或之间。公开的热障涂层对于施加在大面积的衬底上而言重量轻且相对经济。可定制(tailor)涂层以减少在相对宽温度范围上的热能传递，其仍高度持久且适合用在高性能应用中，比如航空和航天工业中的那些。在一些应用中，使用公开的热障涂层可以减少对可设计用于经受更高温度的相对昂贵材料比如钛的需要。在其它应用中，所述涂层还可以定制用于适合用在复合材料比如石墨/环氧复合材料上的更低温应用。与层状2-D阵列可仅排斥垂直于那些层的调谐的声子频率的现有技术形成对比，公开的热障涂层从热能流动的任何方向产生声子干扰。根据一个公开的实施方式，提供了涂层，其适合于施加到衬底，用于控制热行进通过衬底的流动。所述涂层包括保持在玻璃态基体材料中的金属纳米颗粒阵列。该阵列基本可以是准规则3-D。纳米颗粒可以包括金属并且可以是球形。阵列中纳米颗粒的间隔可基本恒定，纳米颗粒的分子量基本大于基体材料的分子量。在一个实施方式中，纳米-颗粒颗粒材料分子量与基体材料分子量的比大于大约10。换言之，金属球由重材料比如钨制成，并且所述基体由轻材料比如硅制成。在不丧失一般原则的情况下可以选择其它材料。根据另一个公开的实施方式，提供了涂层，其适合于施加到衬底，用于控制热行进通过衬底的流动。所述涂层包括保持在基体中的纳米颗粒阵列，纳米颗粒在所述基体中的热导率基本大于基体的热导率。基体可以是包括熔凝石英、钠钙玻璃、硼硅玻璃和铝硅玻璃之一的玻璃态化合物。玻璃基体可以是陶瓷比如氧氮化铝的形式。纳米颗粒的尺寸基本类似于在预选温度经过涂层传递热的声子的波长。根据进一步的实施方式，提供了热障涂层。涂层包括至少两层，每层包括保持在玻璃态基体材料中的金属纳米颗粒阵列。所述层具有分别定制以在至少两个温度范围内减少热传递的特征。该特征可以包括纳米颗粒之间的间隔、纳米颗粒质量与玻璃态基体材料质量的比以及纳米颗粒弹性常数与玻璃态基体材料弹性常数的比之中至少一项。热障涂层可以进一步包括第三层，其包括保持在玻璃态基体材料中的金属纳米颗粒阵列，其中第三层具有定制以在不同于第一和第二温度范围的第三温度范围内减少热传递的特征。根据仍另一个实施方式，提供用于航空器部件的热障涂层。该涂层包括玻璃态基体，以及多个保持在基体中的金属纳米颗粒。该纳米颗粒在3-D阵列中排列，并且以基本恒定的距离间隔开，该距离基本等于经涂层传递热能的声子的波长。根据进一步的实施方式，提供了制备热障涂层的方法。该方法包括将玻璃态化合物施加到金属纳米颗粒，并且将玻璃态化合物熔化到保持纳米颗粒的玻璃基体中。可以通过将具有溶胶-凝胶二氧化硅化合物的玻璃态粉末或涂层喷射到纳米颗粒上来形成该涂层。该方法进一步包括将纳米颗粒组装到准规则3-D阵列中。根据仍另一个公开的实施方式，提供了在衬底上形成热障涂层的方法。该方法包括用玻璃态化合物涂布金属纳米颗粒并且将涂布的纳米颗粒自组装到准规则3-D阵列中。该方法还包括将组装的纳米颗粒施加到衬底并且将玻璃态化合物涂层熔化到基本均匀的基体中。1.涂层，其适合于施加到衬底，用于控制热行进通过所述衬底的流动，包括：保持在玻璃态基体材料中的金属纳米颗粒阵列。2.权利要求1所述的涂层，其中所述阵列是三维阵列。3.权利要求1所述的涂层，其中所述阵列基本是准规则的。4.权利要求1所述的涂层，其中所述纳米颗粒是大体球形的。5.权利要求1所述的涂层，其中所述纳米颗粒包括以下之一：钨；和钴。6.权利要求1所述的涂层，其中所述玻璃态基体材料包括以下之一：熔凝石英，钠钙玻璃，硼硅玻璃，铝硅玻璃。7.权利要求6所述的涂层，其中：所述熔凝石英包括无定形的SiO2，所述钠钙玻璃包括SiO2、Na2O、CaO、Al2O3、MgO，所述硼硅玻璃包括B2O3、Na2O、K2O、CaO，并且所述铝硅玻璃包括SiO2、Na2O、CaO、Al2O3、M本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.06.07 US 12/795,0111.涂层，其适合于施加到衬底，用于控制热行进通过所述衬底的流动，
包括：
保持在玻璃态基体材料中的金属纳米颗粒阵列。
2.权利要求1所述的涂层，其中所述阵列是三维阵列。
3.权利要求1所述的涂层，其中所述阵列是大体准规则的。
4.权利要求1所述的涂层，其中所述纳米颗粒是大体球形的。
5.权利要求1所述的涂层，其中所述玻璃态基体材料包括以下之一：
熔凝石英，
钠钙玻璃，
硼硅玻璃，
铝硅玻璃，其中：
所述熔凝石英包括无定形的SiO2，
所述钠钙玻璃包括SiO2、Na2O、CaO、Al2O3、MgO，
所述硼硅玻璃包括B2O3、Na2O、K2O、CaO，并且
所述铝硅玻璃包括SiO2、Na2O、CaO、Al2O3、MgO，
所述硼硅玻璃包括SiO2、B2O3、Al2O3、Na2O、MgO和CaO。
6.权利要求1所述的涂层，其中所述阵列中所述纳米颗粒之间的间隔
大体恒定。
7.权利要求1所述的涂层，其中所述纳米颗粒的原子量基本大于所述
基体材料的原子量。

【专利技术属性】
技术研发人员：J·C·拉塞尔，T·L·怀特，B·史夫利特，P·凯里尼特，S·瓦德里，C·巴恩哈特，V·赫吉科夫，K·纳卡摩德，
申请(专利权)人：波音公司，
类型：
国别省市：