化学气相沉积铼涂层的组织结构与热辐射特性研究

Rhenium possesses a unique combination of properties which make it an excellent choice for high temperature heat radiation coating material. Used either as a load bearing materials or as a thermal conversion materials. In these applications, the thermal radiation property of rhenium is high requested. Emissivity of rhenium coatings prepared by chemical vapor depositon (CVD) is up to 0.8, which is much higher than the emissivity of the rhenium materials preparedy by powder metallurgy (PM)process, even close to the value of infrared ceramic materials with high emissivity. But the formation mechanism of this thermal radiation characteristics of CVD rhenium coatings is not yet in-depth research.The program will use a CVD method to prepare rhenium coatings. The structure and thermal radiation properties of the rhenium coatings are studied. The emissivities of rhenium coating with different crystal structures, microscopic defects, surface states are tested. The analyses and comparison research on microstructure and radation performance of CVD Re and PM Re is carried on. Molecular dynamics method will be used to build the model to simulate the interaction between different preferred orientation, internal microstructure and thermal radiation waves, meanwhile to verify and explain the formation mechanism of high emissivity of the CVD Re coatings. The program is expected to reveal the cause of high emissivity of rhenium coatings and realize the metal coating material structural controllable growth and performance predicted control. The research achievement of the program will provide experimental data for rhenium to be used in the field of aerospace, aviation and energy applications, but also a scientific basis to explore the preparation of metal coatings with a high emissivity.

铼因其优异的性能在高温热辐射涂层材料方面的应用日益广泛，兼具载荷及热能转换的作用。这对铼材料热辐射性能的研究提出了迫切的需求。化学气相沉积铼（CVD Re）材料表面发射率可达0.8，远高于粉末冶金铼（PM Re），接近高发射率红外陶瓷材料的指标，但其热辐射特性的形成机制尚未有深入研究。本项目拟采用CVD方法制备铼涂层，研究铼涂层的结构与热辐射性能间的关系，确定不同晶体结构、微观缺陷及表面状态铼涂层的发射率，并与PM铼材料进行对比，采用分子动力学方法构建不同择优取向及内部微观结构与热辐射波的相互作用模型，从理论验证并解释CVD铼具有高发射率的形成机制。项目预期揭示CVD铼涂层具有高发射率的本质，实现金属涂层材料结构可控生长及其性能可预测调控。项目的研究成果将为铼材料在航天、航空及能源领域的应用提供科学依据。

铼因其优异的性能在高温热辐射涂层材料方面的应用日益广泛,这对铼材料热辐射性能的研究提出了迫切的需求。本项目采用CVD技术成功地制备了沉积温度1100℃-1300℃，氯气流量50-150ml/min的铼（Re）涂层，获得了CVDRe的沉积动力学规律：基体温度升高，沉积速率呈指数上升；氯气流量增加，沉积速率以直线方式上升。Re涂层的生长模式符合复合生长模式（Stranski-Krastanov型）。Re涂层的组织结构与沉积温度之间符合Movchan-Demchishin关系，呈现柱状晶结构。沉积温度越高致密度越高，1300℃沉积的Re涂层相对密度达到99.9%。通过研究CVDRe涂层的形成及生长模型，确定了沉积参数与晶面生长之间的关系，低温、低氯气流量有利于密排面生长，高温、高氯气流量有利于非密排面生长，分别获得了表面为楔形和六棱锥形貌的CVDRe涂层。本研究中制备的CVD Re涂层具有较高发射率：沉积温度1100℃的CVDRe涂层半球发射率最高，基本在0.83以上；沉积温度1300℃的次之（0.62-0.83），1200℃的相对较低（0.68-0.74），均高于PMRe的发射率（0.28-0.31），将CVDRe的粗糙表面抛光后，发射率最低（0.15-0.19），通过氧化发射率又提高至0.4-0.5。CVDRe涂层具有明显的择优取向，以（002）基面纤维织构为主，还有少量较弱的（01-10）<0001> 、（02-27）<7-3-40> 织构。以谐振子模型为基础，通过VASP和Phonopy软件包模拟计算Re的发射率，结果表明在红外区域Re的发射率为0.3，与PMRe的发射率数较为一致。使用Matlab语言构造满足Gauss分布的随机粗糙表面，解释了CVDRe涂层发射率随沉积温度变化的规律。并预测，如果在试验研究的基础上降低沉积温度，减小颗粒直径（相关长度减小）；提高氯气流量，保持表面的择优织构及尖锐的六棱锥形貌（均方根增加），可以获得更高发射率的材料。.通过本项目的研究，实测了不同状态CVDRe涂层的发射率，为铼在实际应用中进行热防护设计提供了重要基础数据；分析了铼涂层的形成机制及生长模型，实现了铼涂层材料结构可控生长；最后结合实验结果与模拟计算分析了CVDRe具有高发射率的成因，对进一步提高铼的热辐射性能进行预测，也为探索制备具有高发射率的金属涂层提供科学依据。