一种具有本征低热导高发射率的功能型高温热防护涂料

本发明涉及高温热防护领域，尤其涉及一种具有本征低热导高发射率的功能型高温热防护涂料。

背景技术：

1、随着现代科技和工业的快速发展，尤其在航空、航天、核能和高温加工等领域，高温环境下的材料和设备对热防护的需求日益增加。传统的高温热防护材料往往不能满足现代工业应用的需求，尤其是在高温、高压和复杂环境下。

2、高温热防护涂料是一种用于高温环境下保护基材的材料。传统的高温热防护涂料主要依赖于涂料的物理隔热功能，通过增加涂料的厚度或改变其组成来提高隔热效果。但这些方法往往带来了涂料重量增加、附着性下降、耐热性不稳定等问题。近年来，有研究者开始探索利用材料的本征性质来实现高效热防护。其中，低热导和高发射性质被认为是理想的高温热防护功能。低热导意味着涂料本身具有很好的隔热性能，可以有效地减少热量的传递；高发射性则意味着涂料可以有效地将吸收的热量以辐射的形式迅速释放出去，进一步提高其热防护效果。然而，如何制备具有这两种功能的高温热防护涂料，以及如何确保涂料的稳定性和附着性，在实际应用中仍然存在挑战。

3、钙钛矿氧化物通常展示出良好的热稳定性、抗腐蚀能力、抗氧化性能。铬酸型钙钛矿是比较常见的一种，铬元素的加入可以增强晶体结构的稳定性，使材料在高温环境下仍能保持其晶体结构和功能特性。特别地，铬元素可能会改变钙钛矿的光学和电子性质，使其具有特定的能带结构和电子跃迁特性，这对于红外辐射传热非常有利。然而，目前报道的铬酸钙钛矿氧化物红外发射率通常低于0.9。尽管掺杂过渡金属和稀土金属元素能够提升红外发射率，但是掺杂过程中容易形成不稳定的中间相，降低了材料热稳定性，不利于其在高温条件下的应用。

4、近年来，高熵钙钛矿材料由于其独特的组合原理和优越的物理化学性能，逐渐受到材料领域科学家的广泛关注。与传统钙钛矿相比，高熵钙钛矿在其a位和/或b位引入了五种或更多种的金属离子，形成了一种高度混杂、统计均匀分布的复杂构型。这种多元素共存的特性使得高熵钙钛矿具有一系列独特的物理和化学性质。相对于传统的钙钛矿材料，高熵钙钛矿由于其元素种类的增加导致高构型熵，通常展现出更高的热稳定性和优越的机械性能。此外，其晶格畸变效应可以增加声子散射，从而抑制声子的传播，降低热导率。同时，基于高熵材料鸡尾酒效应，多元素共存有望增强材料红外发射率，带来更高的辐射传热效率。另外，熵辅助的结构稳定效应确保了在高温环境下仍能维持良好的防护性能。

5、因此，利用高熵钙钛矿材料是一种提升高温热防护性能的有效途径，但其制备方法、组成优化以及与其他材料的相容性等方面仍然面临挑战。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种性能良好的具有本征低热导高发射率的功能型高温热防护涂料。

2、为解决上述问题，本发明所述的一种具有本征低热导高发射率的功能型高温热防护涂料，其特征在于：该高温热防护涂料的工作温度为800~1500℃，导热系数为1.2~1.6wm-1k-1，由下述重量份的原料组成；功能颜料10~15份、填料20-25份、高温粘结剂20~30份、助剂3~8份和去离子水15~25份；所述功能颜料为高熵稀土钙钛矿，化学通式为recro3, 其中re为稀土元素la、pr、ce、nd、sm、gd、y、dy中的五种，各稀土元素为等摩尔比。

3、所述功能颜料具有钙钛矿型晶体结构，其在0.78 ~ 2.5μm波段红外辐射率为0.84~0.90。

4、所述功能颜料按下述方法制得：以金属元素摩尔比为1：1的reox粉末和cr2o3粉末为原料进行球磨混合，经烘干、研磨后即得混合物粉末；所述混合物粉末在空气氛围中高温煅烧，经冷却、研磨即得；所述reox为pr6o11、la2o3、ce2o3、nd2o3、sm2o3、y2o3、gd2o3、dy2o3中的五种。

5、所述球磨混合的条件是指采用行星式球磨机进行湿法球磨，球磨转速为300~500r/min，球磨时间为5~12小时，球料水的质量比为2~5：1：3。

6、所述高温煅烧的条件是指煅烧温度为900~1500℃，升温速率为3~10℃/min，煅烧时间为2~6小时；所述冷却方式为随炉冷却、空气淬火冷却和液氮淬火冷却中的一种。

7、所述填料为氧化锆、氧化铪、董青石、锆英石、莫来石、黏土中的至少三种，粒径为20~100nm，比表面积为40~100m2/g。

8、所述高温粘结剂是指磷酸稀土、硅溶胶、磷酸二氢铝中的一种或两种。

9、所述助剂为流平剂、分散剂与消泡剂以1：1：1 ~ 1：2：3的质量比混合均匀的混合物；所述流平剂为德谦810硅酮流平剂-聚醚改性聚硅氧烷、afcona-3587-聚醚改性有机硅、afcona-3085-聚醚改性有机硅中的一种或者两种；所述分散剂为5040分散剂、led-1分散剂、 s19分散剂和木质素磺酸钠中的一种或者多种；所述消泡剂为聚醚改性聚二甲基硅氧烷、聚氧乙烯聚氧丙醇胺醚和二甲基硅油中的一种或者两种。

10、如上所述的一种具有本征低热导高发射率的功能型高温热防护涂料的制备方法，其特征在于：该方法是指首先按配比称重；然后将功能颜料加入到高温粘结剂中，机械搅拌10~15分钟，待搅拌均匀后，再加入填料，机械搅拌30~45分钟，即得混合物a；所述混合物a中加入去离子水，机械搅拌10~15分钟，再加入助剂，搅拌均匀，即得混合物b；所述混合物b采用行星式球磨机以400~500r/min的转速搅拌1.5~3小时，即得。

11、一种采用如上所述的高温热防护涂料制备的涂层，其特征在于：该涂层常温下在0.78~2.5μm波段发射率不小于0.96。

12、本发明与现有技术相比具有以下优点：

13、1、本发明中添加有稀土掺杂钙钛矿材料，引起晶格畸变，破坏了原有的晶格振动周期，使晶格振动增加，从而提高了涂料的光吸收性能和红外辐射性能。同时高熵材料熵驱动的结构稳定效应增加了涂层的结构稳定性，极大降低了高温条件下红外辐射性能的衰减，衰减率低至0.25%。

14、2、本发明通过稀土掺杂钙钛矿提高涂层红外辐射率高达0.96，同时稀土元素的加入，降低了涂层的本征热导率。同时稀土金属具有优异的热稳定性，多主元的掺杂还可以改善材料的热稳定性和热膨胀系数。

15、3、采用本发明涂料制备的涂层外表光滑、致密、无起泡、无龟裂，进一步提高耐高温腐蚀性能。将本发明涂料制备的涂层在700℃熔盐腐蚀240小时，熔盐是质量比为1：1的na2so4+k2so4，涂层高温熔盐腐蚀后光滑、致密、无起泡、无开裂，表明该涂料制备的涂层具有优异的耐高温熔盐腐蚀性能。

16、4、采用本发明涂料在陶瓷纤维板上制备的涂层，在1300℃空气环境中进行72h热稳定实验，结果显示该涂料制备的涂层具有优异的耐高温性能。

17、5、采用本发明涂料制备的涂层可全面平衡高温器件受热面的换热比例，强化辐射换热能力，主要表现在减轻航空、航天表面热聚集，增加服役寿命；增强高温加工窑炉热利用率，起到节能增效的作用。

18、6、本发明生产效率高、无需复杂的热处理工序，且可实现大规模工业生产等。