基于零膨胀介孔PbTiO_(3)/石墨烯复合陶瓷的热膨胀系数调控与微纳研究

随着军事和民用技术的快速发展,对航空、户外等领域所用器件在复杂环境下的稳定性提出了更为严格的要求。这些器件经常需要在较大的温度变化范围内工作,而温度变化所带来的材料体积变化是器件结构受损,功能失效的重要原因之一。因此,如航空航天设备中所用的精密结构件不仅需要具有优秀的导电、导热性能,还需要保证其在温度变化过程中具有较低的热膨胀系数。因此,研究制备具有近零膨胀性能的材料便成为解决这些问题的重要方法之一。在本研究中,作者通过改变烧结温度,制备出一系列介孔铁电PbTiO_(3)(PTO)陶瓷,通过测试结果展示了材料的热导率、热膨胀系数与烧结温度的关系。进一步通过三维重构技术(Tomography)与高角度环形暗场像(high angle annular dark field,HAADF),分析了改变烧结温度对于介孔尺寸、分布密度的影响,以及单个介孔表面附近的铁电屏蔽效应影响范围,从而解释了烧结温度的变化与介孔的分布密度、尺寸大小以及热膨胀行为之间的紧密联系。随着烧结温度的降低,介孔对材料铁电屏蔽效应的总区域占比逐渐升高,从而使材料正膨胀系数增大,导致材料表现出近零膨胀。为进一步提高材料的热导率,提升材料的多功能性,将这一材料与石墨烯进行复合,通过改变烧结温度与石墨烯的复合比例,进一步使材料的热膨胀系数趋近于零膨胀,并通过调整烧结温度与复合比例,得到膨胀系数低至7×10^(-7)℃^(-1),热导率比单相陶瓷提升约65%的近零膨胀复合陶瓷。这种材料可以在芯片封装,航天器外壳,通讯设备等材料领域得到进一步广泛应用的空间。

介孔PbTiO_(3)零膨胀陶瓷的制备及性能研究

鉴于目前在单相材料中实现宽温范围的各向同性零膨胀性能依然面临巨大挑战,且存在加工困难、性能不稳定等问题。本文基于在单晶单畴PbTiO_(3)纤维内部导入封闭介孔可以有效降低其铁电性,并实现零膨胀性能的原理,以球磨后的前钙钛矿PbTiO_(3)纤维作为粉体,通过一步烧结的方式制备了单一钙钛矿相介孔PbTiO_(3)块体材料,其线热膨胀系数为(α_(1)=-2.24×10^(-6)℃-1,20℃~500℃),可以在宽温范围内保持零膨胀性能。其中通过球磨处理,进一步减小了纤维长宽比,有效降低了其热膨胀各向异性,实现了单相宽温范围各向同性零膨胀材料的制备。并且通过将球磨后的前钙钛矿PbTiO_(3)纤维直接压片烧结为钙钛矿相块体陶瓷,成功解决了钙钛矿相PbTiO_(3)由于高轴比导致的内应力过大、难于烧结等问题。