Al掺杂LiNi_(0.5)Co_(0.2)Mn_(0.3)O_(2)材料结构改性及电化学性能研究

三元正极材料LiNi_(0.5)Co_(0.2)Mn_(0.3)O_(2)(NCM523)由于其适中的价格和高能量密度而广受关注,但低循环稳定性使其商业化应用受限。本研究以Al为掺杂元素,采用共沉淀结合高温固相的方法制备不同数量的Al原子取代Mn位的三元NCM523微米颗粒型正极材料。结果表明,适量的Al掺杂可以增强过渡金属层的稳定性,显著改善NCM523材料循环稳定性差的问题。Al掺杂量满足Al/Li物质的量比为7%时获得了最佳的电化学性能,在2.7~4.5 V、0.1C倍率下首次放电比容量为165.7 mAh·g^(-1),经50次循环后衰减为134.3 mAh·g^(-1),容量保持率为81.05%。高温(55℃)环境下,Al/Li物质的量比为7%的样品依然保持最佳的电化学性能。

铝源和pH值对溶胶-凝胶法制备α-Al_(2)O_(3)粉体的影响

本文以硫酸铝、硝酸铝和氨水为原料,通过溶胶-凝胶法制备了形貌规则的α-Al_(2)O_(3)粉体。采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、热重-差示扫描量热仪(TG-DSC)和傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)系统地研究了不同铝盐质量比和溶液的pH值对氧化铝粉体物相组成、形貌和分散性的影响。结果表明,通过调节硝酸铝和硫酸铝的质量比可以改变α-Al_(2)O_(3)粉体的分散性和形貌。其中,硫酸根离子的加入使得氢氧化铝前驱体转变为勃姆石相,且制得的α-Al_(2)O_(3)粉体形貌规则。随着pH值的升高,前驱体物相由无定形氢氧化铝经勃姆石相转变为拜耳石相,且制得的α-Al_(2)O_(3)粉体团聚严重。当硝酸铝和硫酸铝的质量分数分别为75%和25%,溶液pH值为7时,前驱体在1200℃下加热2 h,能够制得分散性良好、形貌规则的α-Al_(2)O_(3)粉体。

微米级类球形介孔材料用于乙烯聚合催化剂

采用2-(4-氯磺酰苯基)乙基三甲氧基硅烷对类球形介孔材料进行疏水处理,制备了疏水性类球形介孔材料,将其作为载体,通过气流式喷雾干燥技术制备了聚乙烯催化剂。对疏水处理前后的类球形介孔材料进行了XRD、N2吸附-脱附、TEM、SEM表征,考察了气流式喷雾干燥过程中载气流量和浆料浓度对聚乙烯催化剂的影响,并评价了催化剂的乙烯聚合性能。实验结果表明,类球形介孔材料在疏水处理后孔结构和微观结构稳定;最佳喷雾干燥条件为喷雾干燥器进、出风口温度分别为140,105℃,载气流量为30 L/s,浆料浓度为30%(w);在最佳喷雾干燥条件下制备的催化剂用于乙烯聚合时,催化活性为28000 g/g,远高于工业用TS-610硅胶制备的催化剂的活性(9000 g/g),反应得到的聚合物性能也优于TS-610硅胶制备的催化剂得到的聚乙烯粉料。

莫来石-刚玉-镁铝尖晶石复相材料的抗碱侵蚀性能研究

为了提高莫来石-刚玉质匣钵的抗碱侵蚀性能,以煤矸石、工业氧化铝和工业氧化镁为原料,采用二步煅烧法制备了莫来石-刚玉-镁铝尖晶石复相材料,研究了工业氧化镁加入量(加入质量分数分别为1%、2%、3%、4%和5%)对试样物相组成、显微结构及物理性能的影响,并探究了试样抗钠离子电池正极材料的侵蚀机制。结果表明:1)氧化镁可促进莫来石晶体生长和试样烧结致密化,且由于莫来石晶体直接结合及微晶镁铝尖晶石颗粒增韧,所有试样均具有高的常温耐压强度,≥248 MPa;2)以不同形态分布于试样中的镁铝尖晶石可形成物理屏障,阻止Na^(+)渗透,阻隔其与莫来石和刚玉反应,提高试样的抗碱侵蚀性能;3)综合试样的物理性能和抗碱侵蚀性能,工业氧化镁的最佳加入量为4%(w)。

燃料辅助电解在固体氧化物电解池中的研究进展

固体氧化物电解池(solid oxide electrolysis cell,SOEC)在CO_(2)转化和可再生能源电力存储方面表现出极具潜力的应用前景。然而,较高的电能消耗限制了其商业化应用。燃料辅助固体氧化物电解池(fuel-assisted solid oxide electrolysis cell,FASOEC)可以将在固体氧化物电解池中生成的氧气与燃料反应,将燃料的化学能提供给电解反应,从而极大地降低电解池的电能消耗。另外,FA-SOEC可以利用碳氢燃料的部分氧化反应(POM)和氧化偶联反应(OCM)产生合成气及多碳烯烃等。因此,这种新颖的电解模式展现出极高的经济价值和巨大的应用潜力。本工作介绍了近年来FA-SOEC的研究进展,总结了使用不同辅助燃料的FA-SOEC工作原理、FA-SOEC与SOEC的热力学和动力学对比、FA-SOEC的数值模型研究及燃料辅助电极材料的研究进展,总结了其面临的关键问题与挑战,并对未来的发展方向进行了展望。

重金属污染土壤烧结制备陶粒研究进展

陶粒是重金属污染土壤资源化利用有效途径,不仅附加值高,还具有广泛的应用前景。通过文献调研,首先对比分析了中国一些地区的重金属污染土壤原料的化学成分,对重金属污染土壤制备陶粒进行可行性分析;然后阐述了重金属污染土壤制备陶粒的工艺及影响因素,并以铬为例分析了陶粒固化重金属的机理;最后阐述了重金属污染土壤陶粒当前应用方向及未来可能应用的方向,并提出了当前重金属污染土壤陶粒存在的一些问题和展望。结果表明,重金属污染土壤烧结陶粒具有可行性,其烧结过程会受到原料配比和烧结机制等因素的影响,且烧结后的陶粒重金属固化效果好,其陶粒产品当前被运用于建筑领域,而水处理滤料和陶粒支撑剂等也是其未来可能的应用方向。

“淄博陶瓷”地理标志保护的困境与出路

“淄博陶瓷”地理标志,采用“集体商标”和“证明商标”注册保护制度与“地理标志保护产品”登记保护制度两种保护模式并行的制度,提高了其品牌价值和竞争力,但依然面临困境,深入剖析“淄博陶瓷”地理标志保护面临的困境并为其探寻可行出路,能够提升该地理标志在全国乃至全球陶瓷市场中的地位与竞争力。通过梳理有关“淄博陶瓷”地理标志的政策法规与历史资料,发现“淄博陶瓷”地理标志的保护面临着产品标准不合理、监管权限冲突及缺乏法律依据的困境。“淄博陶瓷”地理标志保护出路在于建立合理的产品标准体系、成立专门的监管机构、创建相应的地方立法,通过完善“淄博陶瓷”地理标志的保护体系,促进实现淄博陶瓷产业的高质量发展。

航机CMC热端部件用热喷涂涂层的机遇与挑战

随着航空发动机涡轮前燃气入口温度的不断攀升,陶瓷基复合材料(Ceramic Matrix Composite, CMC)以其轻质、高强、抗氧化、对裂纹不敏感、耐温性能优异等特点,成为新一代航空发动机高温部件的首选基体材料。但CMC存在抗高温水氧侵蚀性能不足等问题,发动机CMC热端部件用热喷涂涂层成为亟待解决的技术瓶颈。本文结合国外航空发动机热端部件选材方案的更迭及工程应用实例,分析了发动机热端部件采用高温合金+气膜冷却+热障涂层方案的技术局限性,明确了CMC+适量气膜冷却+环境障碍涂层方案的技术优势;综述了CMC用热与环境障碍涂层(Thermal and Environmental Barrier Coatings, TEBCs)和环境障碍可磨耗封严涂层(Environmental Barrier Coatings-Abradable Sealing Coatings, EBCs-ASCs)的研究进展、应用情况以及近些年国内外学者的研究成果;辨析了面向更高温燃气来流时热喷涂环境障碍涂层面临的机遇与挑战,为后续TEBCs的组分和结构设计以及制备明确了方向,并对今后研究工作的重点进行了展望。

8YSZ陶瓷在模拟压水堆水环境中的耐腐蚀性能

8%(摩尔分数)Y_(2)O_(3)稳定ZrO_(2)(8YSZ)陶瓷具有优异的氧离子电导率和低热导率,在燃料电池、热障涂层、隔热等领域都有重要应用。然而它作为压水堆的堆内隔热或结构材料,在事故条件下的水腐蚀机制和耐腐蚀性能目前尚不明晰。本研究在350℃/17.4 MPa,0.3μg/L溶解氧(DO)的动水循环模拟压水堆水环境中,系统考察了8YSZ陶瓷的质量、物相、显微结构、力学性能以及溶液成分随腐蚀时间的变化,并探讨了腐蚀机制。研究发现8YSZ陶瓷的质量随腐蚀时间的延长先增大后减小,并会受表面粗糙度的影响。增重归因于水分子进入陶瓷后形成了Zr–OH和Y–OH团簇,而失重是由金属阳离子析出和晶粒溶解所导致的。物相分析显示立方结构的8YSZ腐蚀后未往四方相或单斜相转变,这与四方相或部分稳定的氧化锆的相变失效不同。表面及断面形貌变化显示水分子可沿缺陷或微裂纹进入陶瓷内部,破坏晶界,使受腐蚀影响区域由穿晶断裂变为沿晶断裂。腐蚀前后8YSZ陶瓷的压缩强度和抗弯强度未明显改变,而维氏硬度略有降低,这与陶瓷表层形成的大量腐蚀坑有关。表面抛光样品腐蚀1050 h时的单位表面积的质量变化率为–0.108×10^(–3)mg·cm^(–2)·h^(–1),腐蚀坑深度仅为30.8μm。这些结果表明8YSZ陶瓷具有优良的耐水腐蚀性能,有望用于压水堆内的隔热或结构材料。

增材制造钛酸钡压电陶瓷的高温烧结与极化工艺研究

为提高增材制造BaTiO_(3)压电陶瓷的综合性能,本文研究了BaTiO_(3)压电陶瓷的浆料剪切变稀特性及数字光处理(DLP)成型特性,揭示了DLP成型BaTiO_(3)压电陶瓷坯体在不同烧结温度条件下的致密化机制,探索了极化方向对DLP成型BaTiO_(3)陶瓷压电性能的影响规律。结果表明,调节高温烧结与极化工艺,可以在一定程度上改善DLP增材制造BaTiO_(3)压电陶瓷的电学性能。当烧结温度为1420℃、保温时间为2 h时,压电系数d_(33)最大,为163.4 pC/N,样品层间结合紧密,晶粒尺寸均匀。当Z轴与极化方向夹角由0°变为90°时,相对介电常数εr和d_(33)分别提高了29.37%和27.01%。当固含量为80%(质量分数)、烧结温度为1420℃、Z轴与极化方向夹角为90°时,样品d_(33)最大,达到182.4 pC/N。

微波介质陶瓷产业体系发展研究

微波介质陶瓷作为微波电路中的电介质,是现代通信技术中的关键基础材料,广泛应用于通信、导航、雷达、卫星等领域。本文在分析国内外微波介质陶瓷及产业发展现状的基础上,剖析了当前我国微波介质陶瓷发展面临的问题,提出了涵盖发展目标、发展思路、重点发展方向以及发展路线图的微波介质陶瓷产业体系自立自强发展战略。为促进微波介质陶瓷的发展,实现我国微波介质陶瓷产品由中低端为主向高端型升级转变,突破高性能微波介质陶瓷制备技术及上游高纯原材料的自主化生产技术,建议加强微波介质陶瓷的基础研究和应用研究、强化重点微波通信领域的创新研发、积极布局第六代移动通信用介质陶瓷和加强产业生态建设。

LaNi_(0.6)Fe_(0.4)O_(3)阴极接触材料导电特性调控及其对SOFC电化学性能的影响

鉴于平板式固体氧化物燃料电池(SOFC)电堆对低面电阻、高稳定性阴极接触材料的需求,本研究阐明了LaNi_(0.6)Fe_(0.4)O_(3)(LNF)颗粒尺寸调控对导电和SOFC单电池性能演变的影响机制,优化了LNF预处理工艺,降低了接触组件面电阻,提升了SOFC单电池性能及热循环稳定性。结果表明:预压造粒的样品(LNF-2)与高温烧结预处理的样品(LNF-3)的面电阻更小,分别为0.074和0.076Ω·cm^(2);在750℃施加1 A/cm^(2)电流负载后,能够更快地进入稳态,并保持颗粒尺寸稳定。其中,LNF-2单电池在750℃下的峰值功率密度0.94 W/cm^(2)较未处理的LNF的0.66 W/cm^(2)高,但在热循环过程中性能衰减较大,下降了20%;而LNF-3单电池在20次热循环后峰值功率密度仅下降了4%。本研究对高可靠SOFC电堆装配及其长寿命稳定运行具有指导及参考价值。

微波烧结对(Mg_(0.9)Zn_(0.1))TiO_(3)-(Ca_(0.61)La_(0.26))TiO_(3)陶瓷性能的影响

通过微波烧结和常规烧结法成功制备(1-x)(Mg_(0.9)Zn_(0.1))TiO_(3)-x(Ca_(0.61)La_(0.26))TiO_(3)(x=0.15,简称85M_(9)Z_(1)CLT)陶瓷。实验结果表明,微波烧结大大缩短了85M_(9)Z_(1)CLT陶瓷的烧结周期,抑制了杂质相(Mg_(0.9)Zn_(0.1))Ti_(2)O_(5)的生成;微波烧结制备的85M_(9)Z_(1)CLT陶瓷表现出Zn蒸发量少、晶粒更均匀、颗粒更细小的微观结构。与传统烧结相比,微波烧结的85M_(9)Z_(1)CLT陶瓷的品质因数提高了21%。在1325℃下微波烧结20min升降温速率为15℃/min时,85M_(9)Z_(1)CLT微波介电陶瓷的性能最佳:ε_(r)=25.63,Q·f=116000GHz,τ_(f)=+1×10^(-6)/℃。

Si3N4工程陶瓷基底金刚石涂层生长规律及性能

为了避免氮化硅材料因产生裂纹或延伸破裂等造成的失效,利用热丝化学气相沉积法(Hot filament chemical vapor deposition,HFCVD)在氮化硅基底上沉积具有高硬度的金刚石涂层,采用单因素影响试验,分别探究碳源浓度、腔室压力、基底温度对金刚石成膜过程的影响机制,探究微米和纳米金刚石涂层的最优生长工艺参数。利用拉曼光谱仪(Raman)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)对不同参数制备出的金刚石的形核、表面形貌、薄膜质量、表面粗糙度等进行表征,利用洛氏硬度计分析膜基结合力。结果表明,腔室压力越大,活性物质到达基底的动能越小,不利于金刚石的成核和生长。生长速率和表面粗糙度主要受甲烷浓度的影响:甲烷浓度从1%到7%,生长速率从0.84μm/h上升到1.32μm/h;表面粗糙度Ra从53.4 nm降低到23.5 nm;甲烷浓度过高导致涂层脱落严重,膜基结合力变差;晶面形貌和金刚石含量受到基底温度的影响较为明显,随着温度升高,金刚石质量提高。综合基底温度、腔室压力对金刚石涂层的影响,确定最佳生长温度为900℃,气压为1 kPa。调节甲烷浓度1%为微米金刚石;甲烷浓度5%为纳米金刚石。研究方法可以优化在陶瓷基底上制备具有优异性能的金刚石薄膜的制备参数。

不同制备工艺参数对PS-PVD-8YSZ涂层微结构及性能的影响

作为新型热障涂层工艺制备技术,等离子物理气相沉积(PS-PVD)射流具有高能高速等特性,涂层沉积时存在扰流作用导致涂层微结构及性能的显著影响。为了减少圆柱体工装扰流作用,掌握工艺参数对涂层微结构的基本影响规律,采用平面工装系统研究不同PS-PVD工艺参数下,如喷涂电流、送粉量、喷枪摆动及样品旋转参数等对涂层微结构的影响规律。研究结果表明:送粉量和喷枪-样品相对运动参数对涂层微结构影响较大,可快速实现涂层微结构的调控;喷涂电流的变化通过柱状晶尺寸和冷凝纳米颗粒含量等方面影响涂层微结构,涂层显微硬度随喷涂电流增大而降低;喷涂沉积距离的影响较小,喷涂距离增大使沉积效率和柱状晶发散生长程度降低,冷凝纳米颗粒含量提高,同时涂层显微硬度呈现先降低后升高的趋势。JL-11NP粉末表现出宽幅工艺范围内准柱状结构的获得能力,进一步掌握低沉积电流工艺条件下基于气-固-液三相复合沉积的影响规律。开展了低电流工艺参数条件下PS-PVD涂层的微结构调控及沉积机制研究,研究成果可为兼顾隔热和寿命、抗冲蚀的涂层性能结构优化及调控奠定良好基础。

玻璃表面化学蚀刻增强基板上类金刚石薄膜的结合力与透光率

本研究采用一种新方法来改善类金刚石(DLC)薄膜在玻璃表面结合力弱的问题。首先通过反胶束微乳液刻蚀法在玻璃表面蚀刻出致密连续的微米凹坑,然后采用磁控溅射依次镀制SiO_(2)、SiOC过渡膜及DLC膜。由于薄膜物质嵌在连续的微米凹坑里形成波浪状的3D膜层,不仅可将应用在膜上的作用力分解释放,而且也大大提高了玻璃表面与膜的接触面积,从而显著增强DLC薄膜在玻璃表面的结合。为了改善薄膜在可见光区的透光性能,镀膜前,在玻璃球形凹坑的玻璃表面进行二次化学蚀刻,在凹坑里生成纳米孔结构,减少反射,提高可见光透过率。本研究采用紫外-可见分光光度计、扫描电镜、拉曼光谱仪、纳米力学综合测试系统、显微硬度仪及铅笔硬度测试等手段对样品进行了性能表征。结果表明,SiO_(2)、SiOC过渡层可以使玻璃基板与DLC薄膜之间结合力,从(28.82±0.62)mN提高到(53.32±0.78)mN,提高近1倍。在相同的DLC膜镀制条件下,玻璃表面的微米凹坑可进一步使DLC的膜基结合力再提高1倍,从(53.32±0.78)mN提高到(106.32±0.82)mN。显微硬度从543.7 HV提高到735.5 HV,铅笔硬度从6 H提高到7 H。通过二次化学蚀刻产生的纳米孔可使镀膜玻璃的可见光平均透过率提高约4%。

网状孔壁碳化硅基多孔陶瓷的制备及其颗粒物过滤研究

为了提高碳化硅基多孔陶瓷的过滤性能,以碳化硅粉体、氧化铝粉体、聚醚多元醇、多亚甲基多苯基异氰酸酯、二月桂酸二丁基锡、三乙烯二胺、稳泡剂硅油(阿拉丁)为原料,通过聚氨酯发泡技术,研制了三维(3D)网状孔壁结构的碳化硅基多孔陶瓷试样,并探索了料浆固含量(固相质量分数分别为45%、50%、55%和60%)对试样显微结构、物理性能和颗粒物过滤性能的影响。结果表明:1)随着固含量的升高,试样体积密度和常温耐压强度提高,显气孔率降低;2)聚氨酯发泡过程中产生的微孔会分布在陶瓷孔壁上形成网状孔壁结构,增大颗粒物与孔壁碰撞概率,提高试样的过滤效率;同时,网状孔壁结构还可以提高试样气孔贯通性,降低其压降;3)当固含量为55%(w)时,试样体积密度约为0.57 g·cm^(-3),显气孔率为79.2%,常温耐压强度为3.7 MPa;且对颗粒物的去除率高达91.2%,具有良好的再生性能。

黏结剂喷射制备陶瓷型芯抗弯强度、尺寸精度及表面质量影响因素的研究进展

黏结剂喷射因具有低成本和可控性优势而在陶瓷型芯的制备中得到广泛的应用,但制备陶瓷型芯的抗弯强度、尺寸精度和表面质量一般较低,而这些不足可以通过改变制备工艺参数来进行改进。综述了粉末、黏结剂、成形工艺和后处理工艺这4个方面的参数对陶瓷型芯抗弯强度、尺寸精度和表面质量的影响,提出了提高黏结剂喷射制备陶瓷型芯抗弯强度、尺寸精度和表面质量的未来发展方向。

MgTi_(2)O_(5)对钛酸铝陶瓷低温合成及性能的影响

以预合成MgTi_(2)O_(5)和MgO+2TiO_(2)原位合成MgTi_(2)O_(5)两种方式引入钛酸铝陶瓷制备所需添加剂,研究MgTi_(2)O_(5)对钛酸铝陶瓷物相组成和性能的影响。结果表明,MgTi_(2)O_(5)或MgO+2TiO_(2)均可通过形成固溶体促进钛酸铝的低温合成,但添加少量MgTi_(2)O_(5)即可在较低温度下有效促进钛酸铝晶体的合成。当MgO含量为2%(摩尔分数)时,在1300℃下添加MgTi_(2)O_(5)的钛酸铝合成率比添加MgO+2TiO_(2)的提高了28.4个百分点;在钛酸铝合成率相近的前提下,添加MgTi_(2)O_(5)比添加MgO+2TiO_(2)的烧成温度低。当添加6%MgTi_(2)O_(5)时,在1280~1350℃所烧成陶瓷样品的热膨胀系数介于-0.11×10^(-6)~0.58×10^(-6)℃^(-1)。随着烧成温度升高,由于晶体的各向异性及过度生长,晶体内部存在的微裂纹易使所得钛酸铝陶瓷的抗折强度降低。