Sintering characteristics and microwave dielectric properties of 0.5Ca_(0.6)La_(0.267)TiO_3-0.5Ca(Mg_(1/3)Nb_(2/3))O_3 ceramics prepared by reaction-sintering process

0.5 Ca（0.6La0.267TiO3-0.5 Ca（Mg1/3Nb2/3）O3（5 CLT-5 CMN） ceramics were prepared by a reaction-sintering process and their sintering characteristics, microwave dielectric properties were investigated in detail.Without any calcination stage involved,a mixture of CaCO_3, La_2 O_3, TiO_2, MgO and Nb_2 O_5 was pressed and sintered directly. Pure phase 5 CLT-5 CMN ceramics with high density and dense microstructure can be obtained after sintered at 1400 ℃ for 4 h. Compared with those prepared by the conventional ceramic route, 5 CLT-5 CMN ceramics produced by the reaction-sintering process exhibit slightly higher dielectric constant and Q×f value. Fine microwave dielectric properties of ε_r= 56.4, Q×f= 48,550 GHz and T_f = ＋8.7 ppm/℃ for 5 CLT-5 CMN ceramics sintered at 1400 ℃ for 4 h are obtained, suggesting reactionsintering process is a simple and efficient method to produce pure phase 5 CLT-5 CMN ceramics as a potential candidate for the fabrication of microwave devices.

放电等离子烧结细晶0.8PMN-0.2PT陶瓷的介电性能

铌镁酸铅-钛酸铅[Pb(Mg_(1/3)Nb_(2/3))O_(3)-PbTiO_(3),PMN-PT]陶瓷是一种典型的驰豫铁电体。为了研究晶粒尺寸对PMN-PT陶瓷介电性能的影响,采用两步固相反应法合成了0.8PMN-0.2PT粉体,使用放电等离子烧结技术在不同温度下制备0.8PMN-0.2PT陶瓷,并分析了陶瓷的晶体结构、微观形貌和介电性能。结果表明:采用两步法能得到纯0.8PMN-0.2PT粉体,其晶粒尺寸约为0.36μm;当烧结温度为1100℃时,采用放电等离子烧结技术可以得到晶粒细小的纯0.8PMN-0.2PT陶瓷,晶粒尺寸约为0.69μm,密度为8.02 g/cm^(3),但是其介电常数较低,最大值为12708,介电-顺电转变峰为一个较宽的峰,且随频率增加,介电-顺电转变温度(T_(c))向高温方向移动,呈现典型的弛豫特性。此外,在频率为1×10^(2)~2×10^(6)Hz时,随温度升高,介电常数和介电损耗都升高。因此,采用放电等离子烧结法可以得到细晶致密且介电常数较高的0.8PMN-0.2PT陶瓷。

Ti-Si-Fe合金添加量对Si_(3)N_(4)结合SiC材料结构与性能的影响

为促进Si_(3)N_(4)结合SiC耐火材料的致密化,降低Si粉氮化温度,以SiC颗粒和细粉、Si粉为主要原料,利用从高钛型高炉渣提取的Ti-Si-Fe合金部分取代Si粉,在埋碳气氛下于1350℃反应烧结5 h,制备了Si_(3)N_(4)结合SiC耐火材料。研究了Ti-Si-Fe合金添加量(加入质量分数分别为0、1.8%、3.6%、5.4%、7.2%)对Si粉的氮化行为、材料力学性能和显微结构的影响,并探讨了氮化反应烧结机制。结果表明:1)随着Ti-Si-Fe合金添加量的增加,材料的常温力学性能和高温抗折强度明显改善,荷重软化温度均超过1700℃,Ti-Si-Fe合金添加量超过3.6%(w)后材料性能的增幅变缓;2)Ti-Si-Fe合金促进了Si粉在较低温度下的完全氮化和材料的反应烧结,Ti-Si-Fe合金中各物相及Si粉氮化反应的体积增加能够充填气孔,氮化产物改善骨料与基质、基质内部的结合状态,从而提高材料的致密化程度,改善力学性能;3)引入Ti-Si-Fe合金后,反应体系中形成了富含Ti、Si、N、Fe成分的液相,氮化物的形成除传统的VS、VLS机制外,溶解-沉淀机制在短柱状β-Si_(3)N_(4)、粒状TiN的形成中起到主导作用,交错连结的α-Si_(3)N_(4)晶须、短柱状β-Si_(3)N_(4)、粒状TiN对材料的力学性能起到增强作用。

反应烧结Si_(3)N_(4)陶瓷材料的力学性能及微观组织

用静态气压与流动氮气气氛进行对比实验,探究了反应烧结Si_(3)N_(4)陶瓷中硅粉质量分数对Si_(3)N_(4)陶瓷材料氮化率及力学性能的影响.研究结果表明,当使用静态2 MPa氮气气压对硅粉进行氮化时,氮化率达到97%,明显高于流动氮气气氛下硅粉的氮化率(91%).这说明在使用静态氮气时,较高的气压更有利于氮气的扩散和氮化反应.同时,利用SEM等手段观察静态气压反应烧结Si_(3)N_(4)陶瓷材料,发现当硅粉质量分数大于10%时,Si_(3)N_(4)陶瓷材料表面出现气孔.这是因为随着硅粉质量分数的增加,硅粉在熔融状态下发生团聚现象,这造成了坯体内部再生空隙增加,从而导致Si_(3)N_(4)陶瓷材料的维氏硬度和抗折强度降低.

Ti-Si-Fe添加量与氮气压强对BN/SiC/Si_(3)N_(4)复相陶瓷材料的影响

以BN粉、Si粉、SiC粉、Ti-Si-Fe合金、助烧剂B_(2)O_(3)及外加结合剂酚醛树脂(PFF)为原料,采用原位氮化反应烧结制备BN/SiC/Si_(3)N_(4)复相陶瓷材料。探讨了在氮气气氛中添加不同含量Ti-Si-Fe合金部分替代硅粉及不同的气压下制得试样的力学性能差异。结果表明,Ti-Si-Fe合金中的Fe、Mn等元素促进了硅粉的氮化和氮化硅晶须的生长,所有的氮化产物均可以更好地填充气孔并提高试样的致密化程度以及调控材料的力学性能。当Ti-Si-Fe合金添加量为1.5 wt.%时,常压下试样的显气孔率最低为25.3%、体积密度最高为1.97 g·cm^(-3),常温抗弯强度最高为33.8 MPa;气压下试样的显气孔率最低为20.8%,体积密度最高为2.15 g·cm^(-3),常温抗弯强度最高为43.4 MPa。与常压相比,2 MPa气氛压力烧成的试样,纤维状的Si_(3)N_(4)晶须明显偏少,柱状的Si_(3)N_(4)晶须明显偏多。

烧结温度对Ti-TiC/Ti层状复合材料组织与性能的影响

向钛合金中引入均匀分布的增强相可以提高其强度和刚度,但是不可避免地会引起塑性和韧性的下降。受自然界珍珠贝壳结构和组分的启发,以纯钛片作为金属层材料,钛粉与碳粉作为强性层材料,采用放电等离子烧结法成功制备出Ti-TiC/Ti层状复合材料,并探索了烧结温度对Ti-TiC/Ti层状复合材料力学性能的影响。结果表明:当强性层中的混料摩尔比为Ti∶C=1.1时,烧结温度不易控制;当混料摩尔比为Ti∶C=1.2,烧结温度为1100℃时,制备出的Ti-TiC/Ti层状复合材料组织均匀,层状结构保持良好,抗弯强度性能最佳,达到819.8 MPa,且强性层中的硬度分布均匀。烧结温度为1150℃时,复合材料的抗弯强度下降。

基于交互反应优化高球比炉料结构的研究及应用

不同炉料之间存在着交互反应,采用熔滴性能试验,对京唐高炉高球比条件下的合理炉料结构进行了研究。结果表明,不同炉料搭配后软化性能和熔滴性能有明显差异:烧结矿与酸性球团矿、碱性球团矿搭配的炉料结构性能最优;烧结矿与碱性球团矿搭配的炉料结构性能居中;而烧结矿搭配酸性球团矿并配石灰石的的炉料结构性能较差。2019-2021年,京唐3座5500m^(3)高炉采用优化后的高球比炉料结构,球团矿比例达50%以上,其中3号高炉月均球团矿比例最高达到65%,3座高炉长期稳定顺行,主要技术经济指标持续提升。

不同析晶促进剂对红色玻璃陶瓷析晶及力学性能的影响

以废玻璃粉为主要原料,采用反应析晶烧结法,改变不同颜料的添加量(10wt.%、15wt.%、20wt.%),添加不同析晶促进剂(氟云母、钙铝黄长石、顽辉石),制备出红色玻璃陶瓷。使用X射线衍射、扫描电子显微镜与抗折仪对红色玻璃陶瓷的物相、形貌、力学性能进行表征。实验结果表明:未添加析晶促进剂时,获得主晶相为硅酸钙钠与石英;当添加氟云母时,主要析出枪晶石;当添加钙铝黄长石时,主要析出硅灰石;当添加顽辉石时,主要析出透辉石。添加20wt.%颜料时,基质上出现大量的孔洞;而添加15wt.%颜料时,可获得析出晶体与基质紧密结合的玻璃陶瓷。加入三种析晶促进剂均可提高红色玻璃陶瓷的断裂模数。其中:未添加析晶促进剂,红色玻璃陶瓷断裂模数为35.92 MPa;添加氟云母,红色玻璃陶瓷断裂模数为40.50 MPa;添加顽辉石,红色玻璃陶瓷断裂模数为42.42 MPa;而添加钙铝黄长石,红色玻璃陶瓷的断裂模数最高,达到55.01 MPa。

硼酸碳热还原-渗硅反应烧结制备碳化硼陶瓷复合材料

碳化硼性能优良,应用广泛,但制备成本较高。为了从源头解决碳化硼陶瓷材料制备成本高的问题,本工作直接以碳热还原法合成的碳化硼-C复合粉体为原料,无需进行破碎提纯,通过渗硅反应烧结制备碳化硼复合材料,所得材料性能与以市售碳化硼粉体为原料制备的材料性能相当,有效降低了其制备成本。主要研究了原料碳硼摩尔比对合成粉体以及碳化硼复合材料物相、显微组织和性能的影响,并探讨了碳化硼陶瓷复合材料的强韧化机理。结果表明:随着碳硼摩尔比增加,合成粉体中碳化硼粉体的碳硼原子比增加,且合成粉体中游离C含量增加;当碳硼摩尔比为2.01时,游离C包覆在碳化硼粉体颗粒表面。复合材料相组成均为B_(12)(C,Si,B)_(3)、SiC和Si,随着碳硼摩尔比的增加,复合材料中碳化硼和游离Si含量降低,SiC含量、大尺寸SiC区域的尺寸、大尺寸SiC区域和纳米SiC颗粒的数量均增加。大尺寸SiC区域的产生会降低材料的强度和韧性,而SiC纳米颗粒的形成有利于提高材料的强度和韧性。当碳硼摩尔比为1.35时,复合材料的抗弯强度和断裂韧性最高,分别为338 MPa和4.06 MPa·m^(1/2)。

ZrB_(2)超细粉末的碳热还原法合成及其烧结性能研究

以碳化硼、炭黑和氧化锆粉末为原料,在氩气气氛条件下采用碳热还原法合成ZrB_(2)超细粉末。研究了反应温度对合成ZrB_(2)粉末的烧失率、物相组成和显微形貌的影响,同时对合成机理进行初步探讨。在此基础上,以Al_(2)O_(3)、Y_(2)O_(3)、AlN等添加剂作为烧结助剂,对合成的ZrB_(2)粉末进行烧结性能研究。结果表明,在反应温度为1500~1600℃合成条件下,采用碳热还原法在氩气气氛中成功合成了ZrB_(2)超细粉末。在本实验条件下合成ZrB_(2)粉末的最适条件为1550℃保温1.5h。在1500℃以上所合成的ZrB_(2)粉末样品的显微形貌主要由一定量的片状颗粒和近似球状颗粒组成。在1600℃下保温120min所得ZrB_(2)陶瓷烧结体的表面与断口显微结构均比较致密,说明在本实验条件下合成的ZrB_(2)超细粉末具有较好的烧结活性和烧结性能。

烧结助剂对C_(sf)/SiC-BN-ZrC-ZrB_(2)多相陶瓷基复合材料组织性能的影响

在制备C_(sf)/SiC-BN-ZrC-ZrB_(2)多相陶瓷基复合材料时,如何有效促进其烧结致密化过程,同时减少对碳纤维的损伤一直是该复合材料工程应用中面临的一大难题。通过在原料中添加B_(4)C-C_(g)、Al_(2)O_(3)-Y_(2)O_(3)、酚醛树脂等烧结助剂,采用热压工艺制备了C_(sf)/SiC-BN-ZrC-ZrB_(2)复合材料。采用XRD、SEM、EDS、力学性能测试等方法详细研究了烧结助剂类型及含量对复合材料微观组织、力学性能、碳纤维结构等的影响规律。结果表明,添加B_(4)C-C_(g)(2 wt.%)能够在一定程度上缓解碳纤维受到的损伤,复合材料的断裂韧度达7.39 MPa·m^(1/2),且呈现非脆性断裂模式。当B_(4)C-C_(g)的含量为4 wt.%时,过量的烧结助剂无助于复合材料力学性能的继续提高,也无法更加有效地避免碳纤维受到的侵蚀损伤。添加酚醛树脂加大了碳纤维与陶瓷基体之间分散的难度,纤维出现严重的团聚、架桥等现象,致使复合材料力学性能下降。添加Al_(2)O_(3)-Y_(2)O_(3)能显著提高复合材料的弯曲强度(σbb=147.45 MPa),但生成的YAG相对碳纤维侵蚀严重,纤维的拔出长度较短且表面粗糙,复合材料的断裂韧度为6.94 MPa·m^(1/2)。添加B_(4)C-C_(g)可以适当消除陶瓷粉体表面的氧化膜和杂质,促进原子扩散和复合材料致密化,同时能够在一定程度上减轻碳纤维受到的反应侵蚀损伤现象。

吸附强化水气变换制氢复合催化剂研究进展

吸附强化水气变换反应(SEWGS)是实现高纯氢制备及二氧化碳(CO_(2))减排的关键反应之一。SEWGS借助复合催化剂将水气变换反应(制氢)和原位移除CO_(2)反应(脱碳)耦合,打破热力学限制使反应平衡向制氢侧移动。SEWGS具有一步制取高纯氢气的特点,但复合催化剂在连续操作过程中由于烧结和CO_(2)扩散受阻存在循环稳定性下降的问题,进而影响制氢效率。本文阐述了高温Ni/CaO基复合催化剂吸附强化制氢的研究现状,简述了Fe/CaO基复合催化剂SEWGS制氢面临的主要问题,回顾了中温Cu/MgO基和Cu/类水滑石基复合催化剂的SEWGS制氢现状及现阶段的核心问题。从复合催化剂的催化组分和吸附组分角度,分析了SEWGS制氢过程中复合催化剂循环稳定性降低的原因,简述了现阶段最有效的改性手段。进一步从增强CO_(2)扩散和改善烧结角度入手,围绕复合催化剂设计、操作条件和床层装填方式等方面探讨提高复合催化剂循环稳定性的策略。指出设计开发组成简单、易制备、兼具高活性和高稳定性的复合催化剂实现制氢和脱碳耦合是今后SEWGS制氢的研究方向。

温度在四氧化三钴制备中的影响分析

温度在四氧化三钴生产中是一个重要的控制因素,不稳定会导致粉末指标大的波动。采用两种温度工艺合成球形碳酸钴,利用XRD和TEM分析其生长机理,不同温度下呈现不同的优势生长面,高温下为多晶结构,低温单晶,通过SEM看高温碳酸钴表面颗粒呈棒状,低温为细颗粒堆叠。以低温合成的球形碳酸钴为原料,采用高温煅烧方法,制备球形四氧化三钴。系统研究了不同温度和不同升温速率下热性能、粒径、物相的变化。通过这些条件实验揭示了改变温度条件及不同升温速率下碳酸钴的生长规律及其内在分解原理。

燃烧条件对准颗粒CO排放影响的数值模拟

在烧结过程中料层不同位置温度、氧气浓度、空气流速等条件存在差异巨大,为探究烧结过程中燃烧条件对烧结准颗粒CO生成行为的影响,利用数值模拟的方法研究了不同准颗粒烧结过程。通过FLUENT软件,以多孔介质模型为基础,结合能量方程模型、组分输运方程模型、燃料燃烧以及污染物排放的反应动力学模型,以自定义功能(UDF)对各方程模型的源项进行定义与修正,建立了4种不同结构铁矿石烧结准颗粒,即S′型(裸露型)、S型(被覆型)、C型(外包型)和P型(球团型)的燃料燃烧过程模型,阐述了各种因素对烧结准颗粒中燃料燃烧行为及污染物排放特性的影响规律。模拟结果显示,准颗粒烧结过程CO排放规律随着燃烧条件的变化而发生改变,不同的反应条件对准颗粒内焦炭的燃烧速率有不同影响。当环境温度从1200 K升至1400 K时,准颗粒的CO排放总量下降了2%左右。较高的环境风速与氧气浓度都使准颗粒的CO排放浓度峰值增加,同时增加了焦炭的未完全燃烧程度。

烧结混合废气除尘理论研究

在对物料转运、混合等产尘因素及产尘过程的研究基础上,进行烧结混合工艺废气除尘理论研究。重点分析烧结混合工艺中生石灰消化反应对废气量的影响,总结烧结混合废气除尘相关理论计算方法等内容,为相关除尘设计提供理论依据,促进烧结混合废气除尘治理技术发展。

烧成温度对反应烧结碳化硅蜂窝陶瓷的性能调控

以α-SiC粉、炭黑及鳞片石墨为主要原料,采用挤出成型法并结合反应烧结工艺制备得到碳化硅蜂窝陶瓷,探究得到烧成温度对材料物相组成、微观形貌、孔径分布及主要物理性能的影响规律及调控机制。研究表明:经高温烧成后,蜂窝陶瓷材料的主物相均为α-SiC、β-SiC和Si。随烧成温度增大,碳化硅晶粒发育良好,材料中残余硅含量增加,导致其孔径分布变大且更加集中,同时,其显气孔率及比孔容减小,而体积密度和常温耐压强度得到提升。当烧成温度为1500℃时,材料更适用于柴油车尾气净化用蜂窝陶瓷,其显气孔率、常温耐压强度及中位孔径分别为(45.2±0.3)%、(14.11±0.14) MPa和15.24μm。

炭黑和造孔剂对反应烧结碳化硅性能的影响

为提高反应烧结碳化硅的力学性能,以碳化硅微粉(55~44和5.0~3.5μm)和炭黑为原料,羧甲基纤维素纳(CMC)和羟丙基甲基纤维素(HPMC)为造孔剂,经1740℃保温1 h制备了反应烧结碳化硅陶瓷。研究了炭黑添加量(加入质量分数分别为5%、7.5%、10%、12.5%、15%)及不同质量比的造孔剂对反应烧结碳化硅物理性能的影响,并进行XRD和光学显微镜分析。结果表明:1)当炭黑添加量(w)从5%增加到15%时,材料弯曲强度从172 MPa升高到258 MPa,断裂韧性从3.31 MPa·m^(1/2)升高到3.77 MPa·m^(1/2);2)造孔剂能够优化游离Si的分布,当炭黑添加量为15%(w),造孔剂CMC与HPMC质量比为1.5∶4.5时,反应烧结碳化硅具有优异的力学性能,其弯曲强度为268 MPa,断裂韧性为4.42 MPa·m^(1/2)。

真空反应烧结制备米级尺寸钇铝石榴石(YAG)透明陶瓷

透明陶瓷兼具高强度、高硬度和优异的光学性能,在轻量化透明装甲领域具有重要的应用前景。制备大尺寸和高光学质量透明陶瓷部件是实现其应用的主要挑战。本工作采用国产商业Al_(2)O_(3)和Y_(2)O_(3)为起始原料,通过真空反应烧结工艺制备钇铝石榴石(Y_(3)Al_(5)O_(12),简称YAG)透明陶瓷,突破了大尺寸素坯干压成型与脱黏、真空烧结及光学性能提升等关键技术,成功研制了低变形量、高光学质量的YAG透明陶瓷,并通过成型和烧结设备的升级改造,YAG透明陶瓷的最大可制备尺寸达到1040 mm×810 mm×15 mm,为后期应用奠定了坚实基础。

分散剂对YIG铁氧体结构和性能的影响

钇铁石榴石(YIG)微波铁氧体具有铁磁共振线宽小、损耗低等特点,是低损耗和宽频带微波铁氧体环行器隔离器的必备材料。通过一次球磨与二次球磨过程中添加不同量分散剂的方法,研究其对YIG微波铁氧体材料结构和性能的影响。实验结果表明,适量分散剂的添加能够有效提高浆料的分散性、稳定性及粒径分布均匀性,防止固体颗粒的二次凝聚及沉降,有效解决纯YIG铁氧体材料球磨过程中的分层现象,有助于提高粉料活性,促进预烧与烧结中的固相反应,提高YIG铁氧体性能的稳定性,拓宽烧结温度。

烧结温度和升温速率对钛酸钡陶瓷结构及介电性能的影响

采用固相法制备BaTiO_(3)陶瓷,研究了烧结温度和烧结升温速率对陶瓷试样晶体结构、微观形貌、介电性能的影响。实验表明,所制陶瓷均为四方相钙钛矿晶格结构。烧结温度低会造成较多点缺陷,随烧结温度的增大,晶体均匀度和致密性有效提高,晶粒尺寸增大有助于促进畴壁运动,介电性能有所提升。烧结升温速率过慢同样会造成点缺陷浓度增多,且有液相生成,气孔较多,气孔含量高会降低介电性能的稳定性、减小介电常数、增大介电损耗;提高升温速率同样有助于提高晶粒尺寸、均匀度和致密性,当晶粒尺寸到达单畴晶粒尺寸附近时,内应力为0,90°铁电畴贡献高介电常数;但过快的升温速率会出现“过烧现象”,致使介电性能下降。当以5℃/min的烧结升温速率升温至1 275℃时,介电常数最大,介电损耗最小,其值分别为ε=2 374,tanδ=0.023 18。