硼化物陶瓷:烧结致密化、微结构调控与性能提升

TiB2、ZrB2、HfB2、B4C及BN为代表的硼化物陶瓷具有优异的物理化学性能,在超高温、超硬以及超疏水等极限条件下有广阔的应用前景,但材料的烧结致密化困难、断裂韧性低等问题制约了它们更为广泛的应用.本文针对无压烧结在材料制备过程中的优势,探讨了影响硼化物陶瓷无压烧结的主要因素,总结了以"除氧"机制为代表的硼化物陶瓷无压烧结技术;针对硼化物陶瓷韧性低的不足,介绍了以"板晶增韧"、"纳米相增强"为代表的硼化物陶瓷微结构调控手段和强韧化措施.最后,文章还对硼化物陶瓷的织构化设计、制备方法与性能提升进行了简要介绍.

表面化学沉积法制备SiO_2空心微球

研究了以聚苯乙烯(PS)微球为模板,采用表面化学沉积技术制备SiO2@PS微球的工艺。利用ξ电位及FT-IR吸收光谱分析了硅烷偶联剂(MPS)及引发剂(KPS)对PS微球表面电荷及表面官能团的影响,在PS微球表面官能化过程中加入KPS,促进PS微球与MPS聚合,增加了微球表面Si-OH的浓度,实现TEOS在PS微球表面的均匀包裹,制得了单分散的核壳结构的SiO2@PS微球。通过调整TEOS的加入量,可得到壁厚在20～55nm的SiO2空心球。

一种高负载自重比轻型机械臂的研究

针对现有轻型机械臂负载自重比较小的问题,提出了将微型液压系统作为轻型机械臂直接驱动源的方案。设计了液压驱动轻型机械臂的机械结构,利用Arduino平台搭建了控制系统,提出了控制方法,并进行了实验。实验结果表明:应用微型直驱式液压系统的轻型机械臂负载自重比高,定位准确。

光电经纬仪转台动态特性研究

光电经纬仪转台的动态特性对经纬仪瞄准与跟踪性能有重要影响。针对某型号经纬仪展开研究,基于3D Solid单元建立了有限元模型,采用Bathe子空间迭代法对转台进行了模态分析,获取了转台前6阶模态。进行了力锤激励模态测试实验,仿真结果与实验结果误差在12%以内。基于隐式积分法对经纬仪进行了扫频分析,结果表明,该型号经纬仪转台对350 Hz激励最为敏感。研究结果为经纬仪转台结构改进提供了指导,并为控制系统的带宽设计提供了依据。

高熵陶瓷材料研究进展

高熵陶瓷材料通常是指由5种或以上陶瓷组元形成的多主元固溶体,由于其新奇的"高熵效应"以及优异的性能,近年来已经成为陶瓷领域的研究热点之一。随着高熵陶瓷的研究体系从最初的岩盐型氧化物(MgNiCoCuZn) O扩展到萤石型氧化物、钙钛矿型氧化物、尖晶石型氧化物以及硼化物、碳化物和硅化物等,其特殊的力学、电学、磁学等性能也不断被发掘。基于此,综述了各种高熵陶瓷材料的发展情况,介绍了其结构、制备方法以及性能上的特点,并对高熵陶瓷的发展方向和前景进行了分析和展望。

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.

在导电陶瓷基体中加入hBN薄片来创制材料性能的各向异性

导电陶瓷的物理性能由连续的导电基体所决定,调控困难.在这项研究中,通过在陶瓷基体中引入hBN薄片,成功实现了导电陶瓷力学和物理性能各向异性的调控.以包含TiN、Al、硼和hBN的混合粉末为原料,通过放电等离子烧结制备了两种hBN含量不同的导电TiB_(2)-AlNhBN陶瓷.在垂直于烧结压力的方向上,TiB_(2)-AlN-60vol%hBN陶瓷在室温下的弯曲强度、断裂韧性、电导率和热导率分别为151±6.34MPa、2.62±0.31MPam^(1/2)、5.3×10^(5)S m^(−1)和77.87Wm^(-1)K^(-1).而在平行于烧结压力的方向上,室温电导率和热导率分别降低到2.0×10^(5)S m^(−1)和32.25Wm^(-1)K^(-1).这些差异是通过在导电基体中加入少量额外排列的hBN薄片而产生的,为材料选择和设计提供了新的机会.

1800℃下具有优异高强度且含氧化物杂质的高熵二硼化物陶瓷

以硼热/碳热还原合成高熵二硼化物粉体为原料,在2000℃/单轴加压50 MPa条件下,经10分钟放电等离子烧结,成功制备了含有~2 vol%的氧化物和~1 vol%气孔的高熵(Ti_(0.2)Zr_(0.2)Nb_(0.2)Hf_(0.2)Ta_(0.2))B_(2)陶瓷(HEBs).经研究确认,其中残留氧化物是固溶少量硼和碳的m-(Hf,Zr)O_(2).室温下HEBs的弹性模量、维氏硬度和断裂韧性分别为508.5 GPa、17.7±0.4 GPa和4.2±0.2 MPa m^(1/2).烧结得到的HEBs具有优良的抗弯强度,特别是其高温强度.HEBs在室温、1600和1800℃下的四点抗折强度分别为400.4±47.0 MPa、695.9±55.9 MPa和751.6±23.2 MPa.对1800℃下断裂的HEBs样品进行了失效分析,在其拉伸和断裂面附近区域,仅在裂纹尖端和孔隙边缘发现了数量有限的位错线的存在,没有观察到位错运动的痕迹.本研究首次报道了高熵二硼化物陶瓷的高温强度,发现其强度直至1800℃并无衰减,并对其高温下的强韧化机制进行了有益的探讨.

超高温陶瓷的无压烧结致密化与微结构调控

无压烧结,也称常压烧结,是获得致密且复杂形状的陶瓷材料最常用且经济的烧结方式。在无压烧结过程中,通过烧结助剂、工艺或制度对所获得陶瓷的微组成和结构进行调控,是提升陶瓷制品致密度和性能的关键。从超高温陶瓷材料的研究背景和意义出发,总结了国内外近年来超高温陶瓷的发展趋势,以及在超高温陶瓷无压烧结致密化和微结构调控方面的研究进展。陶瓷粉体的表面能大于多晶烧结体的晶界能,二者的差异是陶瓷烧结的驱动力。因此,加快陶瓷无压烧结致密化有两种途径,一种是增大原料粉体的表面能;另一种是降低多晶陶瓷的晶界能。以最重要的超高温陶瓷的体系二硼化锆(ZrB2)为例,展开论述。实现超高温陶瓷无压烧结致密化途径的主要方法有3种:(1)降低原料粒径,提高粉体表面能;(2)去除粉体表面氧污染,增大粉体的烧结活性;(3)引入能与陶瓷基体晶界润湿的液相,降低多晶陶瓷晶界能。文章围绕这些措施在实践中的具体应用而展开, ZrB2陶瓷的晶粒形态和尺寸也可以在这些过程中得以调控。最后,文章还对超高温陶瓷无压烧结的发展前景进行了展望。

硼热/碳热还原技术制备高致密度、高纯度高熵硼化物陶瓷（英文）

以过渡金属氧化物(MOx)和碳化硼(B4C)为原料,采用硼热/碳热还原技术在1800℃下制备得到了等摩尔比的亚微米级五元高熵硼化物(Ti0.2Hf0.2Zr0.2Nb0.2Ta0.2)B2粉体,并深入探讨了硼热/碳热还原过程中产物的物相、形貌以及固溶体变化过程.X射线衍射谱表明所制备的粉体在1800℃即形成了单相结构,但直到2000℃样品中各元素才分布均匀.将得到的粉体在2050℃/50 MPa的条件下进行放电等离子烧结,获得了相对密度为97.9%的高熵硼化物陶瓷.研究发现,当烧结温度从2000℃增加到2050℃时,高熵陶瓷晶粒迅速长大,平均晶粒尺寸从6.67μm增大到41.2μm.2000℃下制备得到的高熵硼化物陶瓷具有良好的力学性能,其硬度、杨氏模量和断裂韧性分别为22.44±0.56 GPa,~500 GPa,2.83±0.15 MPa m^1/2.