B. NỘI DUNG
3.2.Tính Chất quang của mõ̃u
3.2.1. Phổ quang phỏt quang
So sỏnh phổ quang phỏt quang của mõ̃u TBC YSZ:Eu3+ 4at% ở nhiệt độ 11000C (nhiệt độ làm việc của Tua bin) và nhiệt độ phũng ta thấy sự phụ thuộc của cường độ phỏt quang vào nhiệt độ. Dựa vào sự phụ thuộc này mà ta cú thể biểu diễn cường độ phỏt quang của Eu như một hàm của nhiệt độ, từ đú xỏc định được nhiệt độ trong lũng TBC. Điờ̀u này hoàn toàn phự hợp với mụ hỡnh TBC tích hợp được mụ tả trước đú.
* * Cườ ng đụ̣ ( au) Bước sóng (nm)
Hỡnh 3.4: Phổ quang phỏt quang của TBC YSZ:Eu3+ 4at% ở nhiệt độ thường và nhiệt độ làm việc của Tuabin
Kết quả đo phổ phỏt quang của TBC YSZ:Eu3+ 4at% cú độ dày khỏc nhau thể hiện trờn hỡnh 3.5. Quan sỏt phổ cú dạng đặc trưng của ion Eu3+ với cỏc đỉnh phỏt quang tại 592nm và 607nm. Cường độ phỏt quang tại hai đỉnh này thay đổi phụ thuộc vào nhiệt độ mà gần như khụng phụ thuộc vào nụ̀ng độ của mõ̃u. Do đú trong quỏ trỡnh mụ phỏng chỳng ta cú thể khụng tớnh tới sự ảnh hưởng của nụ̀ng độ của mõ̃u đối với tỉ lệ phỏt quang ở hai đỉnh 592nm và 607nm.
3.2.2. Cỏc hợ̀ sụ́ quang học của TBC YSZ
Hỡnh 3.5: Phổ quang phỏt quang của TBC YSZ:Eu3+ 4at% cú độ dày khỏc nhau 550 560 570 580 590 600 610 620 630 640 650 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 C -ờ ng đ ộ (A U) B-ớc sóng (nm) 5 lớpYSZ:Eu 10 lớp YSZ:Eu * * 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 H ệ s ố ph ản x ạ R Góc (độ) YSZ:Eu
Hỡnh 3.6: Phổ phản xạ theo gúc của TBC YSZ:Eu3+
YSZ:Eu3+ 5 lớp YSZ:Eu3+
Để xỏc định cỏc hệ số quang học của YSZ:Eu3+, chỳng tụi đó tiến hành khảo sỏt phổ phản xạ theo hướng và phổ phản xạ toàn bộ của mõ̃u YSZ:Eu3+.
Phổ phản xạ theo hướng được thể hiện ở hỡnh 3.6. Dựa vào kết quả này hệ số phản xạ của YSZ:Eu3+
hầu như khụng thay đổi đỏng kể với gúc quột từ 100 đến 900. Như đó đờ̀ cập ở phần lý thuyết, kết quả này cú lợi cho mụ phỏng khi giả thuyết sự phản xạ là như nhau theo mọi phương được thỏa món.
Hỡnh 3.7 thể hiện kết quả phổ phản xạ toàn bộ (mặt cầu) của gúc tới 450 trờn vật liệu TBC. Cỏc phổ phản xạ toàn bộ trong vựng khả kiến của mõ̃u YSZ:Eu3+ 4at% so với mõ̃u YSZ tinh khiết khụng cú sự khỏc biệt đỏng kể trong cỏc phản xạ. Vỡ thế chỳng ta cú thể cho rằng trong vựng khả kiến hệ số phản xạ giữa cỏc lớp YSZ cú pha tạp và khụng pha tạp là gần bằng nhau. Cỏc kết quả này cú thể sử dụng trong gần đỳng của phộp mụ phỏng.
Kết luận: Từ kết quả của phổ phản xạ theo hướng và phổ phản xạ toàn
phần, chỳng ta giả định cho việc sử dụng mụ hỡnh K-M trong mụ hỡnh húa sự truyờ̀n ỏnh sỏng mõ̃u pha tạp từ mõ̃u khụng pha tạp.
200 400 600 800 1000 1200 1400 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 H ệ số p hả n xạ R B-ớc sóng (nm) R g YSZ YSZ:eu 4at%
Hỡnh 3.7: Phổ phản xạ toàn bộ của TBC YSZ:Eu3+
Hỡnh 3.8: Cỏc hệ số quang học của TBC YSZ được xỏc định từ
thực nghiệm
Dựa vào đụ̀ thị trờn ta cú thể xỏc định được cỏc giỏ trị S và K của bức xạ kích thích và bức xạ lõn quang được xỏc định từ thực nghiệm tại cỏc bước súng 532nm và 620nm. Từ cỏc giỏ trị thu được ta thay vào cụng thức K-M để chạy chương trỡnh Matlab.
3.3. Các kết quả mụ phỏng
Qua mụ phỏng Matlab ta thu được một số đụ̀ thị kết quả vờ̀ cường độ ỏnh sỏng kích thích và phỏt xạ đi qua TBC YSZ:Eu3+
4at% cú độ dày khỏc nhau.
Hỡnh 3.9: Đụ̀ thị kết quả vờ̀ cường độ ỏnh sỏng kích thích và phỏt xạ đi qua
TBC YSZ:Eu3+ 4at% cú độ dày 117àm
Hỡnh 3.10: Đụ̀ thị kết quả vờ̀ cường độ ỏnh sỏng kích thích và phỏt xạ đi qua
TBC YSZ:Eu3+ 4at% cú độ dày 970àm
Cườ n g đ ụ̣ (a.u) Cườ n g đ ụ̣ (a.u) Cườ n g đ ụ̣ (a.u) Bề dày mõ̃u (àm)
I (ỏnh sỏng kích thích đi vào) J (ỏnh sỏng kích thích đi ra) Iem (ỏnh sỏng phỏt xạ đi vào) Jem (ỏnh sỏng phỏt xạ đi ra) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Bề dày mõ̃u (àm)
I (ỏnh sỏng kích thích đi vào) J (ỏnh sỏng kích thích đi ra) Iem (ỏnh sỏng phỏt xạ đi vào) Jem (ỏnh sỏng phỏt xạ đi ra)
Hỡnh 3.11: Đụ̀ thị kết quả vờ̀ cường độ ỏnh sỏng kích thích và phỏt xạ đi qua
TBC YSZ:Eu3+ 4at% cú độ dày 600àm
Hỡnh 3.12: Đụ̀ thị kết quả vờ̀ cường độ ỏnh sỏng kích thích và phỏt xạ đi
qua TBC YSZ:Eu3+ 4at% cú độ dày 1070àm
Cườ n g đ ụ̣ (a.u) Cườ n g đ ụ̣ (a.u) Bề dày mõ̃u (àm) Bề dày mõ̃u (àm)
I (ỏnh sỏng kích thích đi vào) J (ỏnh sỏng kích thích đi ra) Iem (ỏnh sỏng phỏt xạ đi vào) Jem (ỏnh sỏng phỏt xạ đi ra)
I (ỏnh sỏng kích thích đi vào) J (ỏnh sỏng kích thích đi ra) Iem (ỏnh sỏng phỏt xạ đi vào) Jem (ỏnh sỏng phỏt xạ đi ra)
Hỡnh 3.9 thể hiện đụ̀ thị kết quả vờ̀ cường độ ỏnh sỏng kích thích và phỏt xạ đi qua TBC YSZ:Eu3+
4at% cú độ dày 117àm. Ánh sỏng laser với bước súng 532 nm được sử dụng để kích thích YSZ:Eu3+
4at% trong mụ hỡnh. Cỏc hệ số phản xạ đó được lựa chọn cho mụ hỡnh là ở 620 nm (đỉnh phỏt quang của Eu). Cường độ ỏnh sỏng tới kích thích đó được tính toỏn dựa trờn cỏc thụng số ỏnh sỏng laser với cụng thức: I - P / S (với P: cụng suất của laser và S là vựng phỏt sỏng laser). Hệ số tỏn xạ của nú ở 532 nm là 105
lớn hơn nhiờ̀u so với hệ số hấp thụ là 102,8, đõylà yếu tố chính ảnh hưởng đến sự thay đổi cường độ ỏnh sỏng qua bờ̀ dày TBC. Nhỡn vào hỡnh mụ phỏng, ở độ dày 40àm tín hiệu lõn quang được tạo ra và bắt đầu tăng dần theo độ dày. Ở độ dày 70àm trong TBC, tín hiệu trở nờn yếu hơn sau đú tắt hẳn. Cỏc ỏnh sỏng kích thích đi vào và đi ra trờn đụ̀ thị đờ̀u giảm dần theo độ dày.
Trong mụ hỡnh này, sự lan truyờ̀n của ỏnh sỏng đó được thực hiện bằng cỏch sử dụng mụ hỡnh K-M với cỏc thụng số thử nghiệm và tham khảo. Ưu điểm của mụ hỡnh K-M là đơn giản bằng cỏch sử dụng cỏc thụng số thử nghiệm. Tuy nhiờn, do sử dụng rất nhiờ̀u giả định dõ̃n đến độ chính xỏc ít hơn so với cỏc phương phỏp khỏc. Đặc biệt trong vựng UV, nơi mà lõn quang hấp thụ mạnh, phương phỏp này cú thể khụng được sử dụng để dự đoỏn sự truyờ̀n ỏnh sỏng. K-M khụng dự đoỏn sự phụ thuộc lõ̃n nhau của S và K. Do đú, ứng dụng của lý thuyết K-M phải được sử dụng một cỏch cẩn thận.
C. KẾT LUẬN
Sau một thời gian thực hiện thỡ đờ̀ tài đó thu được một số kết quả sau: 1. Vật liệu TBC YSZ:Eu3+ được khảo sỏt cấu trỳc bằng nhiễu xạ tia X theo nụ̀ng độ. Kết quả khảo sỏt cho thấy mõ̃u YSZ nụ̀ng độ 3at% bắt đầu cú sự thay đổi từ Hexagonal sang Cubic. Ngoài ra kết quả đo độ nhỏm của mõ̃u cũng khẳng định sự phức tạp trong tính toỏn cỏc hệ số quang khi mõ̃u cú bờ̀ dày càng lớn. Điờ̀u này ảnh hưởng đến tính gần đỳng của phương phỏp mụ phỏng.
2. Kết quả khảo sỏt tính chất quang của cỏc mõ̃u YSZ:Eu3+ tại cỏc nhiệt độ và độ dày khỏc nhau cho thấy sự phỏt quang đặc trưng của Eu3+
tại hai đỉnh 592nm và 607nm cú tỉ lệ cường độ chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ mà khụng phụ thuộc vào nụ̀ng độ. Do đú chỳng ta cú thể sử dụng tỉ lệ cường độ của hai đỉnh này như một hàm của nhiệt độ trong cảm biến TBC.
3. Từ phổ phản xạ theo hướng của mõ̃u YSZ:Eu3+ 4at% chỳng ta cú thể xem rằng mõ̃u phản xạ theo cỏc phương là như nhau. Mặt khỏc, kết quả phổ phản xạ toàn bộ thỡ hệ số phản xạ giữa cỏc lớp YSZ cú pha tạp và khụng pha tạp là gần bằng nhau. Cỏc kết quả này cú thể sử dụng trong gần đỳng của phộp mụ phỏng.
4. Cỏc giỏ trị S và K của bức xạ kích thích và bức xạ lõn quang được xỏc định từ thực nghiệm tại cỏc bước súng 532nm và 620nm.
5. Sự truyờ̀n ỏnh sỏng qua lớp TBC đó được thực hiện bằng cỏch sử dụng mụ hỡnh K-M với cỏc thụng số thực nghiệm và tham khảo bằng chương trỡnh Matlab. Tuy nhiờn, do sử dụng rất nhiờ̀u giả định dõ̃n đến độ chính xỏc kộm. Trong vựng UV, ỏnh sỏng bị hấp thụ mạnh, mụ hỡnh K-M khụng thể được sử dụng để dự đoỏn quỏ trỡnh truyờ̀n ỏnh sỏng. Bờn cạnh đú thuyết K-M khụng dự đoỏn được nếu S và K là độc lập lõ̃n nhau.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. R. A. Miller (1987), 'Current status of thermal barrier coatings - An overview', Surface and coatings technology, Vol. 30, pp. 1-11.
2. A. G. Evans, D. R. Mumm, J. W. Hutchinson, G. H. Meier and F. S. Pettit (2001), 'Mechanisms controlling the durability of thermal barrier coatings', Progress in materials science , Vol. 46, pp. 505-533.
3. V. K. Tolpygo, D. R. Clarke and K. S. Murphy (2001), 'Oxidation- induced failure of EB-PVD thermal barrier coatings', Surface and coatings technology, Vol. 146-147, pp. 124-131.
4. A. G. Evans, D. R. Mumm, J. W. Hutchinson, G. H. Meier and F. S. Pettit (2001), 'Mechanisms controlling the durability of thermal barrier coatings', Progress in materials science , Vol. 46, pp. 505-533.
5. M. Gentleman, Vanni Lughi, John A. Nychka, and David R. Clarkew (2006), ‘Noncontact Methods for Measuring Thermal Barrier’, Coating Temperatures Molly. Int. J. Appl. Ceram. Technol., 3 [2] 105–112
6. Džimbeg-Malčić, Vesna; Barbarić-Mikočević, Željka; Itrić, Katarina (2011), ‘Kubelka – Munk theory in describing optical properties of paper’, Technical Gazette;, Vol. 18 Issue 1, p117.
7. C C Pilgrim et al. (2012) ‘Accuracy of Kubelka-Munk reflectance theory for dental resin composite material’, Meas. Sci. Technol, 729-35.
8. C C Pilgrim, J P Feist and A L Heyes,’ On the effect of temperature gradients and coating translucence on the accuracy of phosphor thermometry’, 2013 Meas. Sci. Technol. 24 105201. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
9. Jeffrey I. Eldridge, Charles M. Spuckler and James R. Markham (2009), ‘Determination of Scattering and Absorption Coefficients for Plasma- Sprayed Yttria-Stabilized Zirconia Thermal Barrier Coatings at Elevated Temperatures’, Journal of the American Ceramic Society, Volume 92, Issue 10, pages 2276–2285.
10. D.R. Clarke, M.M. Gentleman (2007),’Luminescence sensing of temperatures in thermal barrier coatings’, Surface and Coatings Technology, 202(s 4–7):681–687.
11. Li Wanga, Jeffrey I. Eldridgeb, S.M. Guo (2014),’Comparison of different models for thedetermination of the absorption and scattering coefficients of thermal barrier coatings’, Acta Materialia, Volume 64, P. 402– 410.
12. Resmy STEENBAKKER (2007), ‘ Phosphor thermometry in an EB PVD TBC’, Thesis.
13. Clarke, David R.; Oechsner, Matthias; Padture, Nitin P (2012), ‘Thermal-barrier coatings for more efficient gas-turbine engines’, Bulletin, Vol. 37 Issue 10, p891.
14. C. G. Levi (2004), 'Emerging materials and processes for thermal barrier systems', Current opinion in solid state and materials science, Vol. 8, No. 1, pp.77-91.
15. Trần Thị Hoài Giang (2009), Ảnh hưởng cỏc tõm bõ̃y đến hiện tượng phỏt quang của vật liệu aluminate kiờ̀m thổ, Luận văn Thạc sĩ khoa học.
16. Trần Thị Hoài Giang (2014), Quantitative study of phosphor emissions from functionalised Yttria Stabilised Zirconia multilayer Thermal Barrier Coatings deposited by a sol-gel process, Luận văn Thạc sĩ khoa học.
17. Phosphor handbook.
18. Vargas WE, Niklasson GA (1997), ‘Applicability conditions of the Kubelka-Munk theory’, Appl Opt. 1;36(22):5580-6.
19. Paul Kubelka Josa (1948), ‘New Contributions to the Optics of Intensely Light-Scattering Materials’, Vol. 38, Issue 5, pp. 448-448.