高压烧结致密非晶SiBCN块体陶瓷的组织结构演化与力学性能

非晶SiBCN陶瓷是一类独特的结构材料，具有低比重、高比强度、优异的高温损伤容限等特殊结构和性能，因此在高温防热结构部件上极具应用潜力。通过合理的结构与化学成分协同设计，可探索陶瓷形貌/微观结构演化及断裂行为的基本特征，从而进一步提高其力学性能，以满足实际应用需求。因此，文章以石墨、六方氮化硼、立方硅和硼等元素粉末为原料，提出了采用机械合金化结合高压烧结技术(1 000 ^oC/3~5 GPa/30 min)制备致密非晶Si₂ByC₂N(y=1.5~4)块体陶瓷的方法。通过XRD、SEM、TEM、TG等表征手段，研究了烧结压力诱导该系非晶陶瓷的组织结构演化、相变及热稳定性，并对其力学性能，特别是断裂行为进行了详细讨论。结果表明，提高烧结压力促使陶瓷基体由完全非晶态向晶态转变，部分块体陶瓷由大量非晶相、少量c-Si和/或t-BN(C)纳米晶相组成，显示出依赖于硼含量的物相组成。高压烧结有效地促进了陶瓷的烧结致密化，导致材料内自由体积的湮灭和“河流状”断裂形貌的产生。随着烧结压力的提高，陶瓷材料的体积密度、纳米硬度和杨氏模量单调增加。在相同烧结条件下，硼含量的增加削弱了非晶Si₂ByC₂N(y=1.5~4)块体陶瓷的力学性能和热稳定性。1 000 °C/5 GPa/30 min烧结制备的致密非晶Si₂B_1.5C₂N块体陶瓷的体积密度、纳米硬度和杨氏模量分别为2.69 g/cm³、33.6±2.2GPa和414.2±16.5 GPa。     

高压烧结致密非晶SiBCN块体陶瓷的组织结构演化与力学性能（英文）

非晶SiBCN陶瓷是一类独特的结构材料,具有低比重、高比强度、优异的高温损伤容限等特殊结构和性能,因此在高温防热结构部件上极具应用潜力。通过合理的结构与化学成分协同设计,可探索陶瓷形貌/微观结构演化及断裂行为的基本特征,从而进一步提高其力学性能,以满足实际应用需求。因此,文章以石墨、六方氮化硼、立方硅和硼等元素粉末为原料,提出了采用机械合金化结合高压烧结技术(1 000°C/3～5 GPa/30 min)制备致密非晶Si_2B_yC_2N(y=1.5～4)块体陶瓷的方法。通过XRD、SEM、TEM、TG等表征手段,研究了烧结压力诱导该系非晶陶瓷的组织结构演化、相变及热稳定性,并对其力学性能,特别是断裂行为进行了详细讨论。结果表明,提高烧结压力促使陶瓷基体由完全非晶态向晶态转变,部分块体陶瓷由大量非晶相、少量c-Si和/或t-BN(C)纳米晶相组成,显示出依赖于硼含量的物相组成。高压烧结有效地促进了陶瓷的烧结致密化,导致材料内自由体积的湮灭和"河流状"断裂形貌的产生。随着烧结压力的提高,陶瓷材料的体积密度、纳米硬度和杨氏模量单调增加。在相同烧结条件下,硼含量的增加削弱了非晶Si_2B_yC_2N(y=1.5～4)块体陶瓷的力学性能和热稳定性。1 000°C/5 GPa/30 min烧结制备的致密非晶Si_2B_(1.5)C_2N块体陶瓷的体积密度、纳米硬度和杨氏模量分别为2.69 g/cm~3、33.6±2.2GPa和414.2±16.5 GPa。     

超高温陶瓷复合材料的研究进展

超高温陶瓷复合材料主要由ZrB2,ZrC,HfB2,HfN,HfC,TaC等过渡族难熔硼化物、碳化物和氮化物组成,这些材料的熔点高于3000℃,是一类非常重要的高温结构材料,近年来在基础研究和技术应用方面均受到了极大的关注.在超高温陶瓷复合材料家族中,ZrB2-SiC和Hf B2-SiC基超高温陶瓷复合材料因具有优异的综合性能,包括优异的抗氧化/烧蚀性能、良好的高温强度保持率和适中的抗热冲击性能,可以在2000℃以上的氧化环境中长时间使用.这些独特的性能使得它们成为高超音速飞行、再入大气层和火箭推进等极端环境下使用的最有前景的候选材料.本文对超高温陶瓷复合材料的制备、力学性能、抗热冲击性能、抗氧化/烧蚀性能和热响应进行了全面的综述.对超高温陶瓷复合材料组分、微结构和性能之间的关系进行了详细的讨论,同时添加剂对材料性能的影响也进行了讨论,这为超高温陶瓷复合材料在特定使用环境的综合性能的优化提供了有效的设计原则和方法.此外,本文还指出了超高温陶瓷复合材料目前存在的挑战,并对未来的发展趋势作了展望.     

铝硅酸盐无机聚合物转化法制备先进陶瓷材料研究进展

铝硅酸盐无机聚合物及其转化制备的陶瓷材料具有节能环保、制备温度低、耐热性能良好、热学性能可调控的优点,因此在航空航天、原子能、生物以及化工等领域具有广阔的应用前景.此外,随温度升高,铝硅酸盐无机聚合物会转变为辉石或榴石陶瓷,具有可调控的力学和热学性能;铝硅酸盐无机聚合物的低温成型特性也使得增强的种类选择非常广泛,并且可以很方便地引入.因此铝硅酸盐无机聚合物技术为低成本成型制备高性能陶瓷和陶瓷基复合材料提供了一种新工艺.本文综述了铝硅酸盐无机聚合物热演变、结晶动力学、显微组织结构演变、性能演化等方面的主要研究进展,并阐述了碳纤维强韧铝硅酸盐无机聚合物复合材料的陶瓷化过程和性能演化研究,指出了今后的发展方向.     

数据挖掘驱动的BiFeO_3-BaTiO_3铁电陶瓷元素替代效应

传统的材料研究方式是耗时费力的试错法,现代材料科学研究方式转向基于材料信息学(material informatics)理论的数据生产和利用——采用各种数据挖掘方法以发现材料数据下隐藏的构效关系和知识,对新材料进行预测和验证.在总结过去对钙钛矿结构氧化物铁电材料数据挖掘实践结果的基础上,选择多种不同原(离)子特征组合的元素对BiFeO_3-BaTiO_3(BF-xBT)铁电固溶体陶瓷进行替代实验,重点探索三方-赝立方结构相界附近组分的BF-xBT基三元固溶体陶瓷的铁电相变和介电、压电响应性能.实验发现替代元素的性质是BF-xBT基三元固溶体陶瓷制备工艺条件和介电损耗、压电响应等电学性质的决定因素,Bi(Zn_(1/2)Ti_(1/2))O_3是当前发现的对BF-xBT基固溶体陶瓷进行改性、获得可工程实用的高性能高温压电陶瓷新材料的有效组元.与现有商用偏铌酸铅和钛酸铋系压电陶瓷材料相比,它们可采用相同的固相反应电子陶瓷工艺制备、但具有更高压电响应等综合性能,为研制高灵敏高温压电传感器提供了新材料选项.     

透明氮化铝陶瓷的制备

以碳热还原法制备的氮化铝粉体为原料,ＣａＣ２为烧结助剂,采用常规的热压烧结和无压烧结工艺在高温和低温下制备透明的氮化铝陶瓷,实验结果表明,碳热还原法制备的ＡｌＮ粉纯度较高,粒度较小,粒径分布较窄,适宜制备透明ＡｌＮ陶瓷。在ＡｌＮ陶瓷的致密化过程中,由于ＣａＣ２的挥发从而使晶界到得到净化,高度致密化导致ＡｌＮ陶瓷透明。     

晶态与非晶态双相结构的纯稀土纳米块体材料及其制备机制

以稀土单质钐为例, 研究了通过放电等离子烧结制备晶态与非晶态结构的纳米块体材料及其形成机制. 实验获得了非晶态、晶态与非晶态双相结构的纯稀土纳米块体材料及纳米多晶块体材料. 制备的纳米多晶块体晶粒尺寸均明显小于初始纳米粉末粒径, 改变了以往由纳米粉末烧结制备块体纳米晶材料时人们关于纳米晶粒尺寸必定大于初始粉末粒径的传统认识, 为粉末烧结制备纳米块体材料提供了创新思路和制备方法. 提出的材料制备机制及技术可推广至多种纳米块体材料的制备, 为研究稀土纳米材料的物理、化学、力学性能及其纳米尺寸效应提供了先决条件.     

化学气相渗透制备SiC_w/SiC层状结构陶瓷

提出了采用流延法(tape casting,TC)结合化学气相渗透法(chemical vapor infiltration,CVI)制备碳化硅晶须(SiCw)/Si C层状结构陶瓷的方法,分析了TC-CVI方法的特点,研究了制备工艺对层状结构陶瓷力学性能和微观结构的影响,探讨了SiCw/Si C层状结构陶瓷的强韧化机理.结果表明,TC-CVI制备方法一方面能够提高晶须体积分数,减少制备过程中对晶须的损伤并且致密化单层,保持整个制备过程中材料体积无收缩,从而有效地提高材料的强度;另一方面,TC-CVI制备方法能够较好地控制层内(晶须/基体)及层间(单层/单层)界面结合强度,进而提高材料的韧性.SiCw/Si C层状结构陶瓷中晶须含量可达40%(体积分数),其弯曲强度、拉伸强度和断裂韧性分别为315 MPa,158 MPa和8.02 MPa m1/2.层状结构陶瓷材料的单层厚度对材料致密性及层间界面结合强度产生显著影响;晶须表面状态对层内界面结合强度有重要作用.SiCw/Si C层状结构陶瓷充分发挥层状结构与晶须协同增韧作用,层间裂纹偏转,层内裂纹偏转、裂纹桥接和晶须拔出等为主要的增韧机制.     

微胞陶瓷/金属块体复合材料

用放电等离子烧结(spark plasma sintering, SPS)方法, 烧结表面包覆纳米Al₂O₃的球形Al₉₀Mn₉Ce₁合金复合粉末, 制备了一种高致密微胞陶瓷/金属块体复合材料, 烧结温度只有520℃. 该材料由蜂窝状封闭Al₂O₃陶瓷胞壁和Al₉₀Mn₉Ce₁合金胞体组成, 胞体尺寸约为20~40 μmm, 胞壁壁厚1~2 μm. 材料抗压强度达到514 MPa, 压延塑性约0.65%. 这种特殊结构预示可能具有极好的耐腐蚀性能及耐热性能. 这种微胞结构Al₉₀Mn₉Ce₁/Al₂O₃复合材料的成功制备, 为新型陶瓷/金属复合材料的设计提供了新思路.     

元素有机高分子概况

随着科学技术的发展,特别是空间技术的发展,愈来愈迫切需要具有耐高低温、高强度、耐辐照、抗化学腐蚀、高度绝缘等综合性能的材料。一般有饥高分子材料具有容易加工的特点,但在耐高温、耐腐蚀等方面已渐不能满足要求;无机高分子材料,虽显示出优良的高温特性,但不易加工。作为提高高分子材料性能的途径之一,是从结构上综合两者的优点,在无机链上引入有机基团,赋予无机高分子以可塑性;在有机链上引进无机结构,使有机高分子兼有无机高     

硼化锆陶瓷生命周期中的化学反应

以硼化锆(ZrB2)为代表的硼化物陶瓷以其优异的综合性能成为超高温陶瓷(UHTCs)家族中的重要成员并引起了广泛的关注,有望作为热防护结构部件应用于高超声速飞行器的鼻锥和机翼前缘等关键部位.本文从物质循环的角度,提出了硼化锆陶瓷生命周期的概念,其主要包括硼化锆陶瓷的制备和应用2个过程.硼化锆陶瓷的制备过程通常可以分为粉体的合成制备和陶瓷的烧结致密化2个主要步骤.前者的固相法制备主要涉及从原料Zr4+(O2–)2到Zr2+(B–)2的还原反应,后者则涉及第二相除氧的局部化学反应过程.此外,制备过程还包括将上述2个步骤有机结合而实现一步完成的反应烧结过程.生命周期的应用过程则发生ZrB2向ZrO2转变的氧化过程.鉴于化学反应在硼化锆陶瓷的整个生命周期中的重要作用,本文对上述生命周期各过程中涉及的化学反应分别进行了阐述.     

再结晶碳化硅及其复合材料的研究进展与应用

再结晶碳化硅(RSiC)是不含烧结助剂、经蒸发-凝聚传质机制得到的高纯碳化硅陶瓷,一直以来是高温领域的一种重要结构材料,然而伴随其烧结机制产生的低致密度、多孔性等问题制约了其更广泛的应用.本文围绕RSiC多孔且孔隙相互连通的结构特征,结合碳化硅的耐高温、耐腐蚀、抗热震等诸多优异性能,阐述了前驱体浸渍-裂解法与再结晶法相结合增密RSiC的原理和技术,介绍了RSiC的多孔化应用开发和评价,综述了熔渗法制备RSiC结构-功能一体化复合材料的进展,并对RSiC及其复合材料在新能源、环保、电子等领域的新应用进行了简要介绍.     

纳米Al_2O_3固体的内耗

内耗测量可以给出陶瓷材料内部结构扩散以及晶界的力学行为等性能.有关陶瓷材料的高温内耗早有不少报道.近来纳米陶瓷/氧化物的研究越来越引起人们的关注,纳米ZrO_2和SnO_2块体的低温内耗已做了一些研究.纳米Al_2O_3可广泛应用于制作催化剂及催化剂载体,精细陶瓷和荧光材料等,关于它的一些性能已作了不少探索,然而纳米Al_2O_3固体的内     

钯金属/陶瓷复合膜制备:化学镀新过程

膜材料与膜过程在高技术产业中日益发挥重要的作用,因而成为现代材料学与技术研究的重要内容之一.从化学的角度看,膜材料可以分为无机膜和有机膜.与有机膜相比,无机膜具有良好的高温稳定性和表面可修饰性,可应用于高温化学过程,如高温气体分离和催化反应.钯金属膜对氢具有选择透过作用.钯金属管已应用于氢气纯化.80年代后,钯金属复合膜应用到加氢或脱氢膜反应器的研究中,通过膜反应可以提高平衡反应的转化率,或者改善复杂反应的目标产物选择性.蒸镀、等离子体溅射、高温热喷、化学气相沉积和化学镀已被用来制备钯金属复合膜.本文报道用化学镀新过程制备钯金属/陶瓷复合膜.一般的化学镀过程有2个主要阶段:目标衬底的活化及金属的化学自催化沉积.在传统的化学镀过程中,用氯化锡和氯化钯溶液先后浸渍目标衬底,二价锡将二价钯还原为金属钯,在目标衬底上形成许多金属钯核,这些钯核成为其后钯沉积的催化活性中心,这个过程叫目标衬底的活化.本文报道的化学镀过程是用溶胶-凝胶方法活化目标衬底.与传统的化学镀过程相比,化学镀新过程避免了杂质锡,并且可以使钯仅沉积在目标衬底的特定面上.用新过程制得的金属膜纯度较高、致密性好.     

TiC/Ni3Al复合材料的低温致密化

TiC由于其低密度、高硬度、易加工性,以及与铁族金属的良好接合性而被广泛用于硬质工具材料及其他金属-陶瓷复合材料;另一方面,Ni_3Al金属间化合物在900℃附近具有独特的高温强度和高温抗氧化特性,被认为是金属-陶瓷复合材料中金属相的优选材料.已有的研究表明,TiC汇与Ni_3Al具有良好的界面相容性,TiC和Ni_3Al组成的复合材料具有很高的强度,所以,选择Ni_3Al和TiC作为热应力缓和型梯度材料的金属相和陶瓷相而得到的TiC/Ni_3Al系FGM(functionally graded materials)材料将能够抵抗由于大温度落差而产生的巨大的热应力.但是,由于TiC与Ni_3Al的烧结温度之间差别很大(前者最低为1800℃,后者最高为1300℃),热压温度只能控制在1300℃左右,在该条件下,如不采用“温度梯度烧结”方法来制备整体致密的TiC/Ni_3Al系梯度材料将十分困难,这是因为在富金属侧,由于Ni_3Al的粘结作用,使得TiC/Ni_3Al复合材料能够致密;但是在少金属侧,如0%,5%,10%,20%(体积分数,下同)Ni_3Al层,由于金属含量少,Ni_3Al相不能完全地粘接TiC使之致密,则得不到整体致密的TiC/Ni_3Al系FGM.因此,TiC和少金属TiC在低温下的热压致密化是一项非常有意义     

有机薄膜太阳能电池初探

文章围绕有机薄膜太阳能电池的概况、分类及发展趋势分析,得出利用这有机、无机材料优点制备有机/无机复合材料并应用于有机薄膜太阳能电池进行阐述.     

基于MOFs的多孔碳材料在吸波方面的研究进展

多孔碳材料由于其较高的比表面积、质轻、电磁衰减能力强等特点,作为吸波隐身材料获得科学家越来越多的关注.金属-有机骨架(MOFs)材料由于其有序规整的结构,以及结构和功能可设计性等优势而成为材料化学各个领域的研究热点. MOFs经高温煅烧可制备结构有序的多孔碳复合材料,近年来在电磁波吸收方面也有优异的表现.本文综述了基于MOFs的多孔碳复合材料作为微波吸波剂的吸波性能、优势、制备方法和在吸波方面的研究现状,并展望了基于MOFs的多孔碳复合吸波材料的发展方向.     

高温压电复合材料换能器

探讨了高温压电复合材料超声换能器中材料的温度性能问题.首先测量了一种改性的具有较高居里温度的压电陶瓷和一种具有耐高温性能的聚合物的材料常数随温度的变化曲线,然后利用ANSYS有限元软件模拟计算了1-3型压电复合材料的谐振频率和阻抗特性等受温度的影响,并根据优化仿真模型制备了1-3型高温压电复合材料晶片及相应的超声换能器.研究表明,所研制的1-3复合晶片性能参数随温度变化的结果和数值模拟预期的结果吻合较好.与非复合的压电陶瓷换能器相比,采用1-3复合结构的高温压电换能器具有更宽的频带和更高的灵敏度.本项工作对于研发宽频带、高灵敏度的耐高温压电复合材料超声换能器具有参考价值.     

金属有机架构材料(MOFs)的催化应用

金属有机架构材料(metal-organic frameworks)是一种介于有机纤维和无机沸石分子筛的新型有机-无机杂化材料。有机配体的连接作用将无机金属簇通过配位键或者超分子作用自组装连接在一起,形成具有拓扑结构的一维、二维或者三维的大分子结构。由于其灵活可调的孔结构、超高的比表面积以及易于功能化的特点,金属有机架构材料在催化应用方面展现出优异的发展前景。综述了近年来MOFs材料在催化领域的研究成果,重点关注了材料的制备方法和催化应用。