无机法制备Si-B-C-N系非晶/纳米晶新型陶瓷及复合材料研究进展

可以在高温氧化、剧烈热震、燃气流烧蚀等苛刻条件下服役的新型高温结构和多功能防热材料是现代航空航天技术发展的迫切需求之一.Si-B-C-N系非晶及纳米晶复相陶瓷组织结构独特,高温性能优异,在高温结构和多功能防热领域极具应用潜力.有机聚合物先驱体裂解法(有机法)在致密Si-B-C-N系块体陶瓷的制备方面受限,哈尔滨工业大学特种陶瓷研究所开创的机械合金化-热压法(无机法)工艺简单,制备材料组织结构均匀、性能优良,成为Si-B-C-N系致密块体陶瓷和耐高温构件的有效制备手段,弥补了有机法的不足,对于丰富和完善该材料的实验数据和理论研究具有重要意义.本文综述了无机法制备Si-B-C-N系陶瓷及复合材料在显微组织结构特征及演变规律、力学和热物理学性能、抗氧化性能、抗热震性能、耐烧蚀性能和相关机理分析等方面的新近成果,并展望了其发展趋势.     

结构陶瓷特殊条件下力学性能评价的新技术与技巧

结构陶瓷大多应用于一些普通材料无法正常使用的特殊环境,在这些环境下常规的测试方法和测试仪器难以准确获得其力学性能参数.本文论述了结构陶瓷在典型应用条件下力学性能评价的一些难点问题和新的研究进展,如界面和表面性能评价、超高温极端环境下材料力学性能评价、陶瓷管材和环状脆性材料的力学性能检测、陶瓷涂层力学性能等.介绍了这些特殊条件下的结构陶瓷关键力学性能的测试新技术与技巧,如十字交叉法、局部受热同步加载法、缺口环法、相对法和痕迹法等多种新评价技术.以Ti3SiC2-Al2O3十字交叉样品、SiC/C复合材料、ZrO2光纤套管、SiC涂层和玻璃为实验对象,测试结果表明这几种新技术操作简单、准确可靠.     

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.     

纤维增强陶瓷基复合材料与金属钎焊研究进展

纤维增强陶瓷基复合材料在高温使役性能方面表现出超越传统陶瓷材料的优异性能,与金属的连接构件在航空航天、核能、化工等高温系统中应用潜力巨大。纤维增强陶瓷基复合材料与金属的连接技术被广泛研究,钎焊是实现二者连接的最佳选择。文章重点论述钎焊纤维增强陶瓷基复合材料与金属所面临的挑战和科学问题,列举C_f/C、C_f/SiC和SiO_(2f)/SiO_2三种研究最为广泛的纤维增强陶瓷基复合材料与金属的钎焊实例,讨论钎料润湿行为、界面反应调控和接头应力调节的最新研究成果。可靠连接技术的发展,将会推动纤维增强陶瓷基复合材料的研究和应用。     

编者按

<正>陶瓷作为人类文明史上最早发明和使用的人工材料之一,发祥于中国,是中华民族智慧的象征.历经千年发展和演化,其内涵已远远超越了传统陶瓷的范畴,形成了包括传统陶瓷以及先进结构陶瓷、功能陶瓷和新型陶瓷基复合材料等非传统陶瓷在内的一个庞大的家族体系.其中结构陶瓷作为先进陶瓷材料的重要组成部分,因其所具有的高强、高硬、耐高温和抗腐蚀等优异特性,在高温、腐蚀等严酷环境表现出巨大的应用潜力,令人期待.     

添加NbN的氮化硅陶瓷高温氧化自适应性

从“掌茧”等生物材料表层的环境自适应性得到启发 ,探索了在高温氧化环境中能表现自抗氧化的氮化硅陶瓷 .将添加不同铌化合物 (Nb2 O5,NbC ,NbN)的热压氮化硅陶瓷在 110 0℃高温下进行 10 0h的氧化试验后 ,发现添加氮化铌 (NbN)的氮化硅具有更好的抗氧化性能 .用EPMA和XPS方法对氧化层的成分分布以及Nb在氧化层中的化学结合状态进行分析 ,结果表明含NbN的氮化硅陶瓷在高温下表面形成了以Nb化学价态沿致密氧化层深度呈梯度分布 .氧化机制分析指出NbN/Si3 N4 陶瓷的高温氧化层具有一定的抗氧化自适应性 .     

纤维增强陶瓷基复合材料与金属钎焊研究进展

纤维增强陶瓷基复合材料在高温使役性能方面表现出超越传统陶瓷材料的优异性能，与金属的连接构件在航空航天、核能、化工等高温系统中应用潜力巨大。纤维增强陶瓷基复合材料与金属的连接技术被广泛研究，钎焊是实现二者连接的最佳选择。文章重点论述钎焊纤维增强陶瓷基复合材料与金属所面临的挑战和科学问题，列举C_f/C、C_f/SiC和SiO_2f/SiO₂三种研究最为广泛的纤维增强陶瓷基复合材料与金属的钎焊实例，讨论钎料润湿行为、界面反应调控和接头应力调节的最新研究成果。可靠连接技术的发展，将会推动纤维增强陶瓷基复合材料的研究和应用。     

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.     

添加NbN的氮化硅陶瓷高温氧化自适应性

从“掌茧”等生物材料表层的环境自适应性得到启发 ,探索了在高温氧化环境中能表现自抗氧化的氮化硅陶瓷 .将添加不同铌化合物 (Nb₂O₅,NbC ,NbN)的热压氮化硅陶瓷在 110 0℃高温下进行 10 0h的氧化试验后 ,发现添加氮化铌 (NbN)的氮化硅具有更好的抗氧化性能 .用EPMA和XPS方法对氧化层的成分分布以及Nb在氧化层中的化学结合状态进行分析 ,结果表明含NbN的氮化硅陶瓷在高温下表面形成了以Nb化学价态沿致密氧化层深度呈梯度分布 .氧化机制分析指出NbN/Si₃N₄ 陶瓷的高温氧化层具有一定的抗氧化自适应性 .     

Si_3N_4晶界相的电镜研究

导言作为超高温工程材料,Si_3N_4陶瓷材料变得越来越具有吸引力。然而,目前需要解决的问题之一是防止1000℃以上高温强度的下降。为此,使用Y_2O_3和Al_2O_3取代MgO作为添加剂;此时材料的高强度可以保持到1200℃,这比MgO添加剂制成的陶瓷要高200℃。我们使用Y_3Al_5O_(12)和AlN作添加剂,经过重烧结后的特别热处理,材料的高强度可保持到1400℃。     

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.     

氧化物陶瓷的几个物理化学问题

以高溶点氧化物为原料,合成的纯氧化物陶瓷,以及二元、三元组成的氧化物陶瓷,是近十几年来发展得很快的一类新型硅酸盐材料,在现代的高温实验室,以及新技术、新工艺中,有着广泛的应用前途,因而受到人们很大的重视。这类氧化物陶瓷的熔点一般在2,000℃以上,有的接近或超过3,000℃,因而使人们首先考虑到把它们应用于高温、超高温的环境中。高熔点虽然是在高温下使用的先决条件,但并不是唯一的因素,而且也常常不是最重要的因素。它们在高温下的化学稳定性、低的蒸气压,以及完好烧结的制品所具有的真空气密性等,使它们有可能在高温下与不同的气相、液相或固相介质相接触,而不发生明显的反应,从而往往在更大程度上     

中空多壳层结构TiO2及其复合材料的合成及应用

中空多壳层微、纳米分级结构材料因具有比表面积大、密度小及结构稳定等优点,在多个领域受到广泛关注.二氧化钛(TiO_2)作为一种安全性高、稳定性好的环境友好型半导体材料,被广泛应用于锂离子电池、染料敏化太阳能电池、光催化等领域.在这些领域,中空多壳层结构TiO_2及其复合材料能够利用中空多壳层结构的诸多优点,如优异的结构稳定性能够提升锂离子电池的循环性能,中空多壳层结构对光的多级散射作用能够提高对光的利用率,从而提升太阳能电池及光催化性能.然而,对其实现更精确的控制合成仍然面临挑战.为了实现对优异性能的进一步追求,精细调控中空多壳层结构TiO_2及其复合材料十分重要,但仍少有报道重点对中空多壳层结构TiO_2进行总结.本文首先介绍了TiO_2的基本信息,随后总结了近年来对中空多壳层结构TiO_2及其复合材料在合成方法及应用方面的研究进展,最后对该研究领域进行了总结与展望.通过本文,可以综合了解基于TiO_2的中空多壳层结构材料的合成方法,为实现精细控制合成及性能调控提供参考与方向.     

低温热压氮化硅的相变

氮化硅(Si_3N_4)陶瓷以其优异的力学、热学性能跻身于最有发展前途的高温结构材料的行列。但它毕竟属于脆性材料。纤维补强是改善陶瓷脆性的有效途径。经碳纤维补强的氮化硅,其断裂功和断裂韧性均成倍提高。然而热压氮化硅需要加入少量添加剂,一般在1700℃以上才能热压致密。但由于氮化硅与碳纤维在1650℃将发生化学反应而使碳纤维受     

基于石墨烯开发的高分子复合材料在电磁屏蔽领域中的应用

电子与通讯设备广泛地应用于工业、商业、科学研究以及军事等领域,电磁辐射对人体健康造成不良的影响,使得电磁屏蔽一直是现代社会需要重视的一大问题,因此也催生了对不同类型的电磁屏蔽材料的制备与性能的研究.与传统的金属电磁屏蔽材料相比,以碳材料作为填料的高分子复合材料在电磁屏蔽领域有着自己独特的优势,包括重量轻、耐腐蚀、易加工、具有柔性以及可吸收频率范围广.石墨烯作为一种新型的二维纳米碳材料,具有极其优异的电学、力学和热力学性能,这些优异的性能使得石墨烯在与高分子材料形成复合材料后具有极佳的作为电磁屏蔽材料的潜质.此外,在航空航天、武器装备、军事防护、汽车工业以及微电子业中,对所使用的电磁屏蔽材料的热稳定性、力学性能也都有更高的要求.石墨烯-高分子复合材料比其他的含碳复合材料具有更大的优势来满足这些挑战.本文对应用于电磁屏蔽领域的石墨烯-高分子复合材料中石墨烯的制备方式进行分类,总结了目前此类复合材料的电磁屏蔽效能.     

国外新型涂料

陶瓷涂料日本一家公司开发成功一种具有优异性能的陶瓷涂料。这种涂料把高纯度矾土陶瓷的微粉均匀地分散在变性了的硅酮环氧树脂中,使之涂料化。氧化铝的含量为60%。这种涂料有很强的耐热、耐蚀、耐磨性能,在400℃高温下使用也不会裂化,置于20%的氯或硫酸中也不发生腐     

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     

纳米炭/环氧树脂复合材料黏弹阻尼性能

碳纳米管和石墨烯作为近年来兴起的新型纳米炭材料,以其独特的一维/二维结构形态和卓越的物理性能已引起人们广泛关注.将纳米炭材料与环氧树脂进行复合制得纳米炭/环氧树脂复合材料,可以赋予材料更为优异的力学、电学、热学等综合性能.纳米炭材料的加入可以在复合材料内部引入更多的界面,造成显著的能量耗散,从而使得纳米复合材料在具有轻质高强特性的同时,兼具优异的黏弹阻尼性能,对于延长材料使用寿命、提高材料减震降噪性能等方面具有极为重要的意义.本文主要论述了纳米炭/环氧树脂复合材料的黏弹阻尼性能以及近期的相关研究进展,重点阐述碳纳米管、石墨烯及其复合材料的阻尼作用机理,介绍了纳米复合材料黏弹阻尼性能的测试方法,指出纳米炭/环氧树脂阻尼复合材料领域存在的主要问题,并对其应用前景进行了展望.     

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.