ZnO颜料的纳米改性及质子辐照损伤机理研究

论文摘要

本文研究了nano-SiO2对ZnO颜料的改性工艺。综合采用超声波分散法和高能物理分散法将nano-SiO2充分分散于ZnO颜料中,然后进行不同温度、不同保温时间的高温热处理,实现对ZnO颜料的改性。研究了热处理温度、保温时间和nano-SiO2添加量等工艺参数对改性效果的影响。采用XRD、光致发光光谱（PL）和正电子湮没（PAS）等分析测试方法研究质子辐照下纳米改性氧化锌的质子辐照损伤过程和光学性能退化机理,揭示了nano-SiO2对ZnO的改性机理。空间辐照模拟实验采用能量为Ep=90keV,Φp=5×1015cm-2,?p=1×1012cm-2 s-的质子来辐照ZnO纳米改性颜料,研究改性颜料在质子辐照前后的光学性能变化规律,寻找采用nano-SiO2对ZnO改性的最佳工艺。实验证明,在ZnO颜料中添20%的nano-SiO2,充分分散后经900℃至1100℃之间退火制备的纳米改性ZnO颜料具有更好的光学特性以及耐质子辐照性能。X射线衍射分析（XRD）表明,添加纳米二氧化硅的氧化锌颜料经900℃及以上处理后,在ZnO和SiO2界面处生成Zn2SiO4。且Zn2SiO4产额随nano-SiO2添加量的增加、热处理温度升高和热处理时间的延长而增加,当温度到达1100之后,混合颜料中的SiO2与过量的ZnO完全反应。质子辐照后改性颜料的光谱反射率及太阳吸收比的变化规律表明,在颜料中生成适量的Zn2SiO4能有效提高颜料的光学性能及耐质子辐照性能。光致发光光谱分析表明,在热处理和质子辐照过程中产生的大量点缺陷,包括:锌填隙（Zni）、氧填隙（Oi）、锌空位（VZn）、氧空位（Vo）等,使颜料中点缺陷数目增加。这些缺陷处于ZnO和Zn2SiO4的能带中,缺陷能级上束缚的质子辐照过程中离化效应产生的电子,使ZnO中自由电子数降低。缺陷上束缚的电子吸收可见光光子发生跃迁,导致颜料的光学性能的退化。在激发光作用下,导带上电子与缺陷能级和价带、缺陷能级之间以及缺陷能级上电子与价带之间能够形成新的跃迁,在随后的去活化过程中形成新的发光中心。加强了纳米改性ZnO颜料在质子辐照前及辐照后的光致发光强度。正电子湮没谱（PAS）分析表明,在ZnO颜料之中添加nano-SiO2并经900℃1100℃处理后,Zn2SiO4的生成使颜料中总的点缺陷数量增加,加强了对正电子的吸收,使S参数增大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 热控涂层的热控原理
• 1.2.1 太阳吸收比和半球发射率
• 1.2.2 航天器的热平衡
• 1.3 空间环境及其对热控涂层性能的影响
• 1.3.1 空间真空环境
• 1.3.2 冷黑环境
• 1.3.3 太阳电磁辐射
• 1.3.4 空间带电粒子辐射
• 1.4 ZnO 型热控涂层的主要特点
• 1.5 ZnO 热控涂层的研究进展和前沿
• 1.5.1 带电粒子辐照下ZnO 热控涂层的研究进展
• 1.5.2 表面添加剂对ZnO 光学性能退化抑制的作用机理
• 1.5.3 当前ZnO 热控涂层的研究热点
• 1.6 本文的研究的内容
• 第2章 样品制备和基本试验设备
• 2.1 实验样品的制备
• 2.2 辐照设备
• 2.3 光谱反射率的测定
• 2.4 太阳吸收比的计算
• 2.5 表面形貌分析
• 2.6 X 射线衍射分析
• 2.7 光致发光光谱分析
• 2.8 正电子湮没波谱分析
• 第3章 ZnO 颜料的纳米改性
• 3.1 ZnO 颜料的性能特点
• 3.1.1 ZnO 粉体的基本物理特性
• 3.1.2 ZnO 的纯度及光学性能
• 3.2 纳米二氧化硅性能特点
• 3.2.1 非晶态二氧化硅的基本物理性质
• 3.2.2 纳米二氧化硅的光学特性
• 3.3 纳米二氧化硅的分散
• 3.3.1 纳米二氧化硅的分散工艺研究
• 3.3.2 纳米二氧化硅的分散情况评价
• 3.4 纳米二氧化硅在ZnO 颜料中的分散
• 3.4.1 混粉工艺试验
• 3.4.2 混粉工艺试验结果及分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 质子辐照下改性ZnO 颜料的光学性能退化
• 4.1 纯ZnO 颜料的质子辐照研究
• 4.1.1 光谱反射率的变化
• 4.1.2 太阳吸收比的变化
• 4.2 纳米二氧化硅的质子辐照研究
• 4.2.1 光谱反射系数的变化
• 4.2.2 太阳吸收比的变化
• 4.3 纳米改性ZnO 颜料光学性能退化规律
• 4.3.1 中低温热处理对颜料的光学性能的影响
• 4.3.2 高温热处理对颜料光学性能的影响规律
• 4.3.3 保温时间对ZnO 颜料光学性能的影响规律
• 4.4 本章小结
• 第5章 纳米改性ZnO 颜料光学性能退化机理分析
• 5.1 质子辐照对材料损伤的一般原理和过程
• 5.2 试样表面形貌
• 5.3 纳米改性ZnO 颜料X 射线衍射分析
• 5.3.1 X 射线衍射定性分析
• 5.3.2 X 射线衍射的结果与讨论
• 5.4 颜料的光致发光谱分析
• 5.4.1 光致发光谱
• 5.4.2 光致发光光谱解析
• 5.5 正电子湮没谱分析
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢