陶瓷涂层物理性能评价的相对法模型及验证

发布时间：2018-03-12 20:39

本文选题：相对法　切入点：陶瓷涂层　出处：《中国建筑材料科学研究总院》2015年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：材料性能评价和测试技术的发展对结构设计和材料安全服役是至关重要的。然而,在现代工程材料或复合材料与结构的性能评价领域,仍存在各种严重制约材料应用和发展的盲区,即现有的测试方法和技术无法直接获得材料性能。例如近些年在航空航天等领域快速发展和应用的陶瓷涂层,它的性能评价方法和技术相对于材料的研发严重滞后,陶瓷涂层的关键性能,包括热膨胀系数、密度、高温下的弹性模量和断裂强度等都没有可用的评价手段和标准。又如当前新能源领域的热点,光伏建筑一体化中的建筑用光伏双玻组件,其额定工作温度等性能的测试方法尚属于空白。这些问题的共同点是,材料在现有的结构或环境下无法直接测试获得所需性能,因此,探索间接的测试方法来评价材料性能是国内外测试工作者们紧迫而重要的任务。针对这一重大技术需求和问题,本研究发展了一种间接的材料性能评价方法——相对法,基本原理是通过建立可测(或已知)参量和难测参量之间的解析关系,从而可以通过现有测试技术测量可测参量而获得难测参量,绕过了直接测试难测参量的这一难题。针对陶瓷涂层的物理性能无法像单质材料一样直接测试的难题,研究利用等效刚度模型建立了陶瓷涂层弹性模量与基体样品弹性模量和基体/涂层复合样品弹性模量和三者间的理论关系,而复合体的弹性模量和基体的弹性模量很容易通过弯曲法或脉冲激励法测得。将相对法和脉冲激励法结合形成脉冲激励相对法,此方法不仅很方便测试常温弹性模量,而且可以测试涂层在高温下的弹性模量。在此基础上,建立了不同涂层结构,包括单面涂层、双面涂层和四面涂层的涂层弹性模量的计算公式和测试方法,并推广到多层陶瓷涂层每一层弹性模量的测试方法,具体是将被测层看做一单层涂层,其余部分看做是一个等效基体,形成涂层-基体系统进行测试。脉冲激励法评价固体材料弹性模量具有方便、快捷、准确的优点,但一直无法用于陶瓷涂层的测试。本研究突破了这一瓶颈,解决了高温下涂层弹性模量无法测试的难题。并分别利用CVD Si C涂层、釉面砖上的釉涂层和金属基热障涂层的弹性模量实验结果验证了本方法的可行性和准确性。同样,为了解决陶瓷涂层热膨胀系数和密度无法直接测试的难题。利用相对法并结合界面均匀应力模型建立起涂层热膨胀系数、复合体样品的热膨胀系数与基体样品热膨胀系数三者间的理论关系式。而后两个参数可以方便的使用热膨胀仪来测得,从而可以求出陶瓷涂层的热膨胀系数。采用CVD Si C涂层的试验结果验证了本方法的可行性。利用相对法并结合阿基米德排水法的原理,推导出陶瓷涂层密度、基体密度和复合体密度三者之间的理论关系式。而基体和复合体的密度可以通过阿基米德排水法获得,从而求出涂层的密度。无论哪种性能参数的评价,基本流程均为相似的三个步骤,故也可称为三步法:第一步测试复合样品的性能;第二步测试基体样品的性能;第三步利用上面测到的两个参数带入三者之关系式算出涂层的性能。从而用这种简便的方法,可以求出过去国内外无法测试的三个涂层的物理性能。另外,针对建筑用光伏组件(通常为光伏双玻组件)的额定工作温度无法在实际工作环境中直接测试且目前还没有国家标准规范双玻组件额定工作温度测试方法的问题,采用相对法来作为解决方案。针对四种双玻组件,利用相对法分析了用室内测试环境代替室外实际工作环境的可行性,建立太阳能电池额定工作温度的室内测试方法,根据双玻组件的实际工作特性,分析了环境温度、环境风速和最佳负载对双玻组件工作温度影响以及这些条件的实现方法。利用测温热电偶检测出双玻组件的盖板温度、电池温度和背板温度,从而可获得电池组件的额定工作温度。并将相同组件在室外进行了长期的对比试验,室外测试结果验证了室内测试方法的可行性。本研究的主要成果概括为:从理论上建立了涂层性能评价的三种相对法性能本构关系,从而使得涂层性能无法测试的僵局得以突破,并通过实验得到验证。同时也将相对法用于光伏双玻组件的额定工作温度的测试。
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【学位授予单位】：中国建筑材料科学研究总院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG174.4

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