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。

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。

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。

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。

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)。

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。

新型球形高纯度介孔硅胶复合材料在茂金属聚乙烯催化剂中的应用

以工业原料水玻璃和硫酸为主要原料,通过球磨打浆技术､高效节能环保除杂质技术和具有尾气回收系统的离心喷雾干燥技术制备出2种日产量12000 kg的用于聚乙烯催化剂的载体高纯度球形介孔硅胶复合材料。2种复合材料在硅胶无序堆积孔中均拥有有序的介孔孔道且球体度均匀,二氧化硅纯度均在99.5%以上。新型材料在负载聚乙烯催化剂后仍然保持良好微观形貌及其特有的介孔材料孔道结构。高压乙烯聚合小试试验结果表明,2种催化剂对乙烯聚合的活性均高于工业用催化剂的活性,催化反应后得到的聚乙烯粉料的重要物性参数均优于工业用948硅胶粉料。

造孔剂对多孔Si_(3)N_(4)陶瓷透气系数的影响

为改善多孔Si_(3)N_(4)陶瓷的透气性,以Si粉为原料,Y_(2)O_(3)和CaF_(2)为烧结助剂,粒径为5和20μm的聚甲基丙烯酸甲酯微球为造孔剂,先注凝成型再排胶,最后在氮气气氛中于1650℃保温3 h反应烧结,制备了多孔Si_(3)N_(4)陶瓷。研究了造孔剂粒径和添加量(体积分数分别为0、15%、30%、45%和60%)对多孔Si_(3)N_(4)陶瓷显气孔率、孔径分布、孔结构、透气系数等的影响。结果表明:1)添加造孔剂的试样呈堆积衍生孔和球形演化孔的二级孔结构,孔径呈双峰分布;2)在粒径相同时,随着造孔剂添加量的增加,试样的显气孔率和透气系数增大,而体积密度、弯曲强度、断裂韧性降低;3)相同添加量下,添加5μm的小粒径造孔剂的试样具有更高的显气孔率、透气系数和弯曲强度,采用较小粒径的造孔剂能减小孔壁的厚度,并扩大孔壁内堆积衍生孔的孔径,提高孔壁的渗透性;4)添加体积分数为60%的5μm造孔剂的试样综合性能最优,其显气孔率、透气系数和弯曲强度分别为55.1%、11.6×10^(-14)m^(2)和35.3 MPa。

球形黏土介孔复合材料在聚乙烯茂金属催化剂中的应用

采用离心喷雾干燥机合成公斤级球形黏土(海泡石、硅藻土和凹凸棒石)介孔复合材料。并对球形黏土介孔材料进行X射线衍射结构分析、比表面积-孔径分布和透射电镜测试,表明球形黏土介孔材料具有介孔结构和高度有序孔道。扫描电镜分析结果表明,3种新材料球体度均匀、分散性好。研究雾化器转速和反应物配比对球形黏土介孔复合材料粒形的影响,得到最佳喷雾干燥条件。考察海泡石、硅藻土和凹凸棒石球形黏土介孔复合材料负载聚乙烯催化剂的组成、结构和微观形貌。结果表明,3种黏土介孔复合材料在负载聚乙烯催化剂后仍然保持较好的微观形貌及其特有的介孔材料孔道结构。离心喷雾干燥制备球形介孔材料的实验优化条件:进、出口温度200℃和100℃,黏土介孔浆料浓度30%,雾化器转速12000 r·min^(-1)。以3种介孔复合材料作为载体负载聚乙烯催化剂进行高压乙烯聚合小试试验,结果表明,3种催化剂对乙烯聚合的活性(4000~4300)gPE·(gcat·h)^(-1)均优于当前工业用载体955硅胶负载同样茂金属后的乙烯聚合的活性1005 gPE·(gcat·h)^(-1)。聚乙烯粉料重要物性参数堆密度、熔融指数、平均粒径D50及碎粉率均优于工业用955硅胶得到的粉料物性。

大尺寸AlN活性金属焊接覆铜基板的界面结合机理

基于190 mm×139 mm×0.635 mm的大尺寸AlN表面活性金属钎焊(AMB)覆铜板工艺制程,开展其界面显微组织、物相组成等的研究,确定钎焊界面结合机理,为制备大尺寸、低气孔、高剥离强度AlN-AMB覆铜板提供支持。结果表明,在大尺寸AlN-AMB覆铜板钎焊过程中,Ag-Cu-Ti合金钎料中的Ag-Cu合金与Cu箔扩散溶合,形成强的冶金结合界面。同时,钎料中的活性Ti原子向AlN基板表面扩散,并与其反应,生成厚度为0.5~1μm的TiN反应层,形成强的反应结合界面。此外,钎料熔体难以填充基板的AlN晶界和凹坑,其中的Ti原子也不与Y-Al-O第二相颗粒反应,导致AlN基板表面TiN反应层不连续分布,形成气孔,降低大尺寸AlN-AMB覆铜板的界面结合强度及可靠性。

富氧助燃技术在陶瓷企业中的应用

结合富氧助燃技术在浙江绍兴陶瓷企业中应用的实际案例,对案例进行经济性分析。结果显示:案例应用富氧助燃技术后,用电量增加了1%,企业天然气消耗降低了16.5%,辊道窑的净节能率达到了15.5%。研究为富氧助燃技术在小型陶瓷轻工业中的应用起到示范作用,进一步验证了富氧助燃技术的巨大潜力和应用前景。

聚苯胺包覆的硫化锌-碳纳米管用作正极载体材料提高锂硫电池性能

随着石油等化石燃料的逐渐枯竭,人们对绿色能源和电动汽车的需求持续增长,可循环的电能储存系统也得到了快速发展。然而,传统的锂离子电池已接近理论极限,因而寻找开发下一代电池电极材料受到了极大的关注。锂硫电池因为具备出色的理论比容量和能量密度、环境友好、成本低廉等优点而备受关注。然而,锂硫电池中活性硫及其放电产物导电性差、可溶性多硫化物在电极间穿梭、体积膨胀等问题导致电池的反应动力学缓慢、容量迅速下降。为了解决这些问题,有必要对硫正极进行合理设计,研究表明引入碳纳米结构(如碳纳米管、碳纳米纤维、介孔碳、石墨烯等)作为骨架负载硫能提高锂硫电池的性能。这些碳骨架具有多层次的交叠多孔结构、大比表面积和高电子迁移率等优势,为离子提供迁移通道的同时能形成物理屏障限制多硫化物的迁移,进而抑制穿梭效应改善电池的循环稳定性。但是由于碳纳米结构的非极性特点,多硫化物与碳骨架之间的相互作用较弱,只能通过物理相互作用抑制多硫化物的穿梭。为了提高抑制效果,可以将极性材料(如金属氧化物、硫化物等)与碳纳米结构进行耦合,这样就兼具了极性材料和碳纳米结构的优点。极性材料与多硫化物的相互作用较强,同时碳纳米结构的高导电性和物理屏障作用亦得以保留,因而能大幅减缓穿梭效应,提高锂硫电池的循环稳定性和倍率性能。此外,多种导电聚合物,如聚吡咯(PPy)、聚噻吩(PTh)和聚苯胺(PANI)等,亦能作为包覆层或导电载体改善锂硫电池的循环性能和倍率性能。其中聚苯胺(PANI)具有导电性高、易合成、共形性好等特点,作为包覆层能有效地防止多硫化物向外扩散,提高电子的迁移率,从而保证电池的长期循环稳定性。本工作制备了一种ZnS-CNTs/S@PANI正极材料来抑制上述缺陷,提高锂硫电池性能,该正极材料以ZnS修饰的CNTs为骨架来负载硫,再在外层包覆聚苯胺(PANI)导电聚合物制备而成。该正极材料中由碳纳米管构成的导电网络有利于电子的快速迁移,并能容纳循环过程中硫的体积膨胀;ZnS量子点的修饰在碳纳米管表面增加了大量极性位点,能够增强对多硫化物的吸附,进而抑制穿梭效应;外侧的聚苯胺作为极性导电包覆层有利于提高电极整体的导电性,增强对多硫化物的吸附,并且能够通过物理限制效应防止活性材料流失。因此该正极材料表现出良好的电池性能,其初始比容量在0.5 C时为952.33 mAh·g^(-1),经过150次循环后比容量为776.37 mAh·g^(-1),容量保持率为81.52%。其在2 C倍率下的放电容量为633.62 mAh·g^(-1),优于CNTs/S和ZnS-CNTs/S电极。该结果证明了ZnS-CNTs/S@PANI正极材料具备优异的锂硫电池性能,为了锂硫电池向实用化发展提供了一种正极制备方案。

医用生物陶瓷的功能性生物适配机制及应用

为了获得满意的临床疗效,优质医用生物陶瓷应该具备怎样的性能一直困扰着广大研究者。自20世纪90年代以来,作者团队致力于研发医用生物陶瓷,从基础科学研究到成果转化,再到临床应用,积累了丰富的研究和应用经验,相继提出了“生物适配”和“精准生物适配”理论。本文围绕“医用生物陶瓷(磷酸钙类材料)的功能性生物适配”这一主题分享本团队的学术研究成果和临床应用经验,从结构适配、降解适配、力学适配、应用适配等四个角度,结合骨科临床应用背景,探讨如何实现其生物适配和设计制造的有效衔接,旨在为医用生物陶瓷的设计、制造、监管和应用提供依据和建议。

高熵碳化物超高温陶瓷的研究进展

高速飞行技术的发展对高性能热结构材料提出了迫切需求。高熵碳化物(HECs)陶瓷作为近年来发展迅速的一类新型材料,兼具高熵陶瓷与超高温陶瓷的优良特性,在极端服役环境中具有广阔的应用前景,因此得到国内外学者的广泛关注。相比仅含有一种或两种过渡金属元素的传统超高温碳化物陶瓷,HECs综合性能有所提升,且具有更强的组成和性能可设计性,因此具备较大的发展潜力。经过对HECs的不断探索,研究人员获得了许多有趣的结果,开发了多种HECs的制备方法,对HECs的显微结构和性能的认识也更加深入。本文综述了HECs的基本理论以及从实验过程中获得的规律;对HECs粉体、HECs块体、HECs涂层及薄膜,以及纤维增强HECs基复合材料的制备方法进行了梳理和归纳;并对HECs的力学、热学等性能,尤其是与高温应用相关的抗氧化、抗烧蚀性能的研究进展进行了综述和讨论。最后,针对HECs研究中有待进一步完善的科学问题,对HECs的未来发展提出了展望。

高熵陶瓷材料研究进展及挑战

高熵作为全新的材料体系,得益于巨大的组分空间、独特的微观结构以及较大的构型熵所赋予其独特且可调的优异性能,已成为材料领域的研究热点。高熵陶瓷的研究目前还处于探索阶段,尤其在精准的成分设计理论、高纯高产率粉体制备、新型烧结工艺等方面,亟待深入研究。因此,本文针对高熵陶瓷的五大高熵效应、新的设计理论、粉体制备方法、新型烧结工艺以及综合性能与实际应用进行了梳理归纳,并通过团簇加连接原子模型(CPGA)对高熵陶瓷(HEC)成分设计进行解析,深入挖掘了HEC的组元和微结构以及性能之间的关系。未来HEC的重点发展方向仍然为基础理论设计,尤其是针对非氧化物HEC成分结构。同时,在样品制备上要在学科交叉领域寻找突破,如采用人工智能机器学习与3D打印进行制备。最后,要寻找结构、热障耐腐涂层、机械、工程光学和磁性等方面实际应用并对探究工况环境下的强化、失效机制深入探究分析。