基于粉体燃烧凝胶合成LSMO可变发射率材料结构及性能

发布时间：2017-08-17 17:32

  本文关键词：基于粉体燃烧凝胶合成LSMO可变发射率材料结构及性能

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【摘要】：热控制装置是卫星上的重要组成部分之一,其用来维持卫星温度在合理的范围内,保证其内部电子器件的正常工作。为了满足这个特殊的要求,研究者在开发不同的热控制系统做了很多研究,其中最流行的是热百叶窗。尽管热百叶的有效发射率变化范围很高,它的主要问题是质量高,高功率消耗和高生产成本。为了克服这些障碍,有必要开发出更轻,更少能量消耗和更低成本的设备。在近二十年的报道中,钙钛矿型的锰氧化物La1-xAx Mn O3(A=Sr,Ca,Ba等)材料系统由于其特殊的辐射性能,具有很大的潜力成为新一代热控制装置。通过适当的掺杂,该材料表现出在低温下具有低的热辐射性能,而在较高温度下可以观察到高的热辐射性能。这意味着该材料可以在没有外源的情况下,自动地通过本身性能来调节热量释放。其中前述组合物中,锰酸镧掺杂锶由于其显著的组织结构,电性能,磁性能及光学性能引起人们的极大兴趣。这种材料已经通过不同的制备方法制备,并获得以上几方面的性能。很多合成方法很复杂,并且需要先进的设备和昂贵的原材料。因此,凝胶燃烧和热压成为一种替代手段来合成LSMO块体材料,其成本低,制备过程简单。目前,关于热压烧结制备LSMO块体材料,其制备工艺对材料的组织结构、电、光和发射性能的研究并无报道,因此需要进一步的研究。本文研究了凝胶燃烧过程中合成参数对LSMO粉末的影响规律。这种合成方法是化学溶胶—凝胶,自燃烧和剧烈燃烧过程的有效结合,这是一种采用低成本原始材料的简单的合成方法。采用此合成方法得到的粉末通常具有较好的均匀性,纯度,粒度和活性。然而,在凝胶化过程中,有很多因素会影响凝胶溶液的质量和稳定性,以及其后的燃烧过程和形成粉末的质量。其中的两个最重要的因素是溶液的p H值和溶液中螯合剂与金属离子的摩尔比(φ)。为了防止凝胶化过程中的沉淀以及后续燃烧的有效性,需要对其进行优化。所用的原料是柠檬酸,乙二醇和金属的硝酸盐,通过滴加氨水调节混合溶液的p H值。为了获得最佳p H和φ值,采用目测法,红外线吸收光谱及XRD分析对凝胶形成及燃烧过程进行分析,同时对于所有样品均获得单晶相的烧结温度进行研究,并对烧结后的晶体结构与最终粉末的形态和Sr2+的掺杂量的关系进行了研究。获得结果表明当p H值小于1.8时,凝胶化的过程不发生任何沉淀。当柠檬酸与金属离子的比例小于1时,其后燃烧过程的粉末的结晶结构是像LSMO相位。当烧结温度为1200°C时,所有Sr掺杂的样品都获得了单相粉末。采用上面获得的最佳参数,合成大量的LSMO粉末用作进一步的研究。将该粉末分成几份,并使用不同的参数进行热压,参数包括压强、颗粒大小、烧结温度/时间及掺杂量。并对这些参数对LSMO块体材料的组织结构、形貌、成分和化学相的影响规律进行研究。获得结果表明,随成形压力提高,材料的电阻率降低以及金属-绝缘体转变温度TP向高温转移。随颗粒尺寸的减小,烧结后块体材料的点阵常数增加,孔隙率降低,致密度增加以及电阻率升高。随烧结温度的升高,晶粒尺寸增大,同时温度每升高100°C,电阻率降低约一个量级,金属-绝缘体转变温度向高温移动。随烧结时间的延长,晶界密度降低,电阻率增加。随Sr掺杂含量增加,块体材料LSMO的电阻率降低,同时使得TP向高温转移。对热压制备的LSMO块体材料的光学特性进行了研究。首先,我们研究的不同烧结温度及掺杂量对室温下中间和远红外线范围下光谱反射率的影响。在100-4000 cm-1光谱波数区间内,所有光谱反射率的图谱具有三个谱峰,即170、360和590 cm-1,分别对应于La位外部、Mn-O-Mn的弯曲振动和Mn-O的伸缩振动模式。随着烧结温度升高,弯曲模式和伸缩模式的频率向高频地转移,而外部声子的振动基本上不变。采用Kramers-Kronig变换来计算了光学常数,包含折射率n和消光系数k,也得到与光谱反射率类似的3个峰。掺杂量的增加导致了光学声子的消失,同时使得反射率升高。对153-513K区间内发射率变化计算表明,材料可以随温度变化自动调解发射率,在掺杂量在0.2时变化最明显。文中同时讨论了带内发射与掺杂浓度的关系,表现为在有限的波长范围内(2.5-25微米)的发射与全域(2.5-100微米)发射的比值,F2.5-25(T)。当温度T433 K时,F2.5-25(T)与掺杂浓度无关。当温度T433 K时,F2.5-25(T)在掺杂浓度x约0.33出现最大值。
【关键词】：凝胶燃烧 热压 氧化锰 发射率 导电性能 光学特性 K-K分析
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TF125
【目录】：

• Abstract4-7
• 摘要7-13
• Chapter 1 Introduction13-31
• 1.1 Introduction13-15
• 1.2 Fundamentals of physical characteristics15-19
• 1.2.1 Perovskite structure15-17
• 1.2.2 Electronic structure17-19
• 1.3 Electrical transport properties19-23
• 1.3.1 Influence of A-site/ B-site doping20-21
• 1.3.2 Influence of non-stoichiometry21
• 1.3.3 Influence of fabricating process21-23
• 1.4 Optical properties23-25
• 1.5 Emissivity properties25-27
• 1.6 Methods for synthesizing La_(1-x)Sr_xMnO_3 composition27-29
• 1.6.1 Solid-state reaction27-28
• 1.6.2 Mechano-chemical synthesis28
• 1.6.3 Wet chemical synthesis28-29
• 1.7 Contents of this research29-31
• Chapter 2 Experimental and methods31-46
• 2.1 Chemical compounds and experimental equipment31-33
• 2.1.1 Chemical compounds31
• 2.1.2 Experimental equipment31-33
• 2.2 Experimental design33-35
• 2.2.1 Parameters for gelatinization33-34
• 2.2.2 Synthesizing process of LSMO composition34-35
• 2.3 Analyzing methods and measuring equipment35-46
• 2.3.1 Chemical analysis for dried gel35-37
• 2.3.2 Structural analysis37-39
• 2.3.3 Density determination39
• 2.3.4 Microstructure analysis39-40
• 2.3.5 Chemical state analysis40-41
• 2.3.6 Measurement of electrical resistivity41-42
• 2.3.7 Measurement of infrared reflectivity and analysis42-43
• 2.3.8 Emissivity determination43-46
• Chapter 3 Synthesis of LSMO powder by gel combustion method46-56
• 3.1 Influence of p H on gelatinizing stability and combustion46-48
• 3.2 Influence of citric acid  metal ratio on combustion48-51
• 3.3 Thermo-gravimetric and differential thermal analysis of as-formed xerogel51
• 3.4 Phase structure of La_(1-x)Sr_xMnO_3 powders51-53
• 3.5 Morphology analysis of LSMO powders53-55
• 3.6 Summary55-56
• Chapter 4 Structural and electrical properties of hot-pressed LSMO ceramics56-87
• 4.1 Crystalline structure of hot-pressed LSMO ceramics56-69
• 4.2 Microstructure of hot-pressed LSMO ceramics69-74
• 4.3 Influence of doping content on chemical state of La_(1-x)Sr_xMnO_3 ceramics74-78
• 4.4 Influence of compressing conditions on electrical properties of LSMO ceramics78-85
• 4.5 Summary85-87
• Chapter 5 Optical properties and emittance calculation for hot-pressed LSMO ceramics87-103
• 5.1 Optical properties87-95
• 5.1.1 Kramers-Kronig transformation and optical constants87-89
• 5.1.2 Influence of sintering temperature on optical properties of hot-pressed LSMO ceramic89-93
• 5.1.3 Influence of Sr-doped level on optical properties of hot-pressed LSMO ceramics93-95
• 5.2 Calculation of emissivity and emissive power95-102
• 5.2.1 Temperature dependence of infrared spectral reflectance95-97
• 5.2.2 Calculation of emissivity and emissive power97-102
• 5.3 Summary102-103
• Conclusions103-105
• Appendix105-108
• References108-120
• List of publications120-122
• Acknowledgement122-123
• Curriculum vitae123

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本文编号：690259