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。

放电等离子体烧结BaTiO_(3-x)Bi(Ni_(0.5)Zr_(0.5))O_(3)陶瓷的介电和阻抗性能

采用传统固相反应法合成BaTiO_(3-x)Bi(Ni_(0.5)Zr_(0.5))O_(3)粉体和放电等离子体烧结技术制备BaTiO_(3-x)Bi(Ni_(0.5)Zr_(0.5))O_(3)陶瓷,研究陶瓷的晶体结构、微观形貌、介电和阻抗性能。结果表明:BaTiO_(3)-0.10Bi(Ni_(0.5)Zr_(0.5))O_(3)陶瓷具有钙钛矿型,晶体结构为赝立方相,晶粒尺寸约为0.64μm,密度为5.81 g/cm^(3),最大介电常数为7149,且随频率升高相变温度向高温移动。在1 kHz下,BaTiO_(3)-0.10Bi(Ni_(0.5)Zr_(0.5))O_(3)陶瓷的ln(1/ε-1/ε_(m))与ln(T-T_(m))的拟合曲线斜率为1.61,在-41~169℃内,Δε/ε_(25℃)≤±15%,表明样品有良好的温度稳定性。此外,随温度和频率的升高,材料的阻抗降低,在50℃下,当频率为100 Hz时,电阻为2.33×10~6Ω,离子电导率为10^(-8)S/cm。

自支撑BaTiO_(3)薄膜的制备与铁电性研究

BaTiO_(3)(BTO)铁电氧化物薄膜因其在非易失信息存储、智能传感、生物医疗、纳米发电机等领域潜在的应用而受到了人们的广泛关注。目前,为了保证BTO薄膜能高质量外延生长,通常选择晶格匹配的氧化物做衬底,所生长的薄膜与衬底之间存在较强的化学键,很难将其从衬底上大面积地剥离下来,所以也无法实现下一步转移到可用于高密度器件集成的的Si基衬底上。文章使用水溶Sr_(3)Al_(2)O_(6)(SAO)为牺牲层的方法,将生长在Nb-SrTiO_(3)(Nb-STO)衬底上的BTO外延薄膜可以大面积、无褶皱地转移到Si基衬底上。并且,转移后的自支撑薄膜仍然保持了完美的结晶度和室温铁电性。此结论对自支撑氧化物薄膜在高密度铁电器件的集成方面奠定了一定的基础。

纳米Cr_(2)O_(3)对铝合金微弧氧化膜组织和性能的影响

在恒流模式下对7050铝合金开展微弧氧化试验。用SEM、EDS、XRD、膜层测厚仪、维氏硬度计、电化学工作站和磨损试验机等研究了不同纳米Cr_(2)O_(3)含量对7050铝合金微弧氧化陶瓷膜组织和性能的影响。结果表明:添加纳米Cr_(2)O_(3)能减小陶瓷膜孔径,提升致密度,优化陶瓷膜结构;当纳米Cr_(2)O_(3)由1 g/L增至5 g/L时,陶瓷膜的厚度、硬度均先增后减;与未添加相比,添加纳米Cr_(2)O_(3)的陶瓷膜的耐蚀性和耐磨性均明显提升;陶瓷膜主要由γ-Al_(2)O_(3)相和少量的α-Al_(2)O_(3)相、莫来石相、Cr_(2)O_(3)相构成;总体来看,当纳米Cr_(2)O_(3)为3 g/L时,陶瓷膜的性能最优,厚度、显微硬度、自腐蚀电流和磨耗比分别为30.98μm、1273HV0.1、5.162×10^(-8)A/cm^(2)、0.0913%。

Li_(2)O/Na_(2)O对YAS微晶玻璃结构、析晶与力学性能的影响

透明微晶玻璃由于优异的力学性能被广泛应用于电子领域。本文采用熔融法制备了不同质量分数Li_(2)O和Na_(2)O的Y_(2)O_(3)-Al_(2)O_(3)-SiO_(2)(YAS)微晶玻璃,通过Raman、DSC、XRD、FESEM、UV-VIS-NIR等测试方法研究了其结构特征、析晶与力学性能。结果表明:当碱金属氧化物R_(2)O(R=Li,Na)总量保持不变,随着Li_(2)O取代Na_(2)O含量的增加,YAS微晶玻璃的转变温度、软化温度和结晶峰温度逐渐降低,Q^(4)基团对应的含量逐渐减少,说明Li_(2)O作为网络外体使YAS微晶玻璃结构逐步解聚,玻璃的析晶能力逐渐增强。在同一热处理制度下,随着Li_(2)O取代量的增加,YAS微晶玻璃维氏硬度显著提升,而透过率明显下降。在680℃/10 h+750℃/1 h热处理制度下,可以制备出晶体大小一致且分布均匀的以钇稳定氧化锆为主晶相的透明YAS微晶玻璃,此时2%(质量分数,下同)Na_(2)O+4%Li_(2)O YAS微晶玻璃具有良好的综合性能,如维氏硬度为646 HV,断裂韧性为1.07 MPa·m^(1/2),透过率为85.7%,在诸多领域具有巨大的应用潜力。

基于分形理论的旋转超声磨削Si_(3)N_(4)陶瓷表面微观形貌

为了研究旋转超声磨削Si_(3)N_(4)陶瓷表面的微观形貌,基于分形理论研究不同加工参数下Si_(3)N_(4)陶瓷表面微观形貌的变化。设计旋转超声磨削Si_(3)N_(4)陶瓷正交试验,对比分析不同加工参数对Si_(3)N_(4)陶瓷表面分形维数和多重分形谱的影响,并设计单因素试验研究不同加工参数下Si_(3)N_(4)陶瓷表面的粗糙度、分形维数和多重分形谱。结果表明:旋转超声磨削Si_(3)N_(4)陶瓷表面时,分形维数能更好地表征其加工表面的缺陷状态,多重分形谱则能更好地表征其加工表面缺陷的起伏程度变化。

四方相纳米钛酸钡粉体的制备及性能研究

在传统固相法制备四方相纳米钛酸钡粉体中,碳酸钡前驱体的分散性与粒径对所得钛酸钡的形貌、粒径以及介电性能起重要作用。本研究以氢氧化钡与干冰为原料,通过控制氢氧化钡的浓度,制备了碳酸钡粉体,然后以此为原料,制备了钛酸钡粉体和陶瓷,并研究了钛酸钡陶瓷的介电性能。结果表明:本研究制得粒径为180 nm的短棒状碳酸钡粉体,和粒径为400 nm的高分散、高均匀、纯四方相的钛酸钡粉体。在1250℃下煅烧制得钛酸钡陶瓷,其介电常数为4885,介质损耗因数为0.0189。

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。

Na_(2)O对锂铝硅微晶玻璃析晶及性能的影响

采用熔融法制备了不同Na_(2)O含量的透明锂铝硅微晶玻璃,通过DSC、XRD、FESEM等测试方法研究了不同Na_(2)O含量对玻璃析晶及性能的影响。结果表明:Na_(2)O的引入能显著降低玻璃的转变温度和析晶温度,抑制LiAlSi_(4)O_(10)晶相的析出。但Na_(2)O的引入促使微晶玻璃中析出Li_(2)Si_(2)O_(5)新相,并且随着Na_(2)O引入量的增加,Li_(2)Si_(2)O_(5)转变为主晶相。由于晶体尺寸均为纳米级,主晶相的转变对透过率影响较小,微晶玻璃的可见光透过率均高于85%。主晶相的转变有效增强了微晶玻璃的机械性能,其弯曲强度由300 MPa提升至331 MPa。Na_(2)O的引入有效增强了Na-K交换,Na_(2)O含量为4%(质量分数)的Li 2O-Al_(2)O_(3)-SiO_(2)微晶玻璃在410℃的KNO_(3)熔盐中交换6 h后,维氏硬度由7.108 GPa提升至7.403 GPa,弯曲强度由331 MPa提升至470 MPa。

自清洁型F-SiO_(2)/BaTiO_(3)降温涂层织物的制备与性能

为了制备具有自清洁功能的降温织物,选用锦纶牛津布为基材,使用氟硅烷改性二氧化硅粒子,将聚二甲基硅氧烷(PDMS)、含氟烷基改性二氧化硅(F-SiO_(2))、钛酸钡(BaTiO_(3))通过刮涂的方式整理到锦纶织物上,获得复合降温涂层织物;对所得织物的微观结构和表面化学组成进行测试,探究不同涂覆量对复合涂层织物太阳光反射率和中红外发射率的影响,评估涂层织物的降温性能、易去污性能、机械性能。结果表明:复合涂层的引入能显著提高织物的光谱性能,与原始锦纶相比,制备的复合涂层织物的太阳光反射率提高至88%,大气窗口红外发射率可达92%。在户外太阳直射的情况下,制备的复合涂层织物最高可降温5.6℃,且具有很好的自清洁易去污效果和机械性能,在户外装备降温、电器设备降温、建筑路面降温等领域具有广泛的应用前景。

海水-富盐空气对BaTiO_(3)及Ni-BaTiO_(3) MLCC介电性能的影响

将BaTiO_(3)陶瓷和82 nF的Ni-BaTiO_(3)MLCC放置在海水及富盐空气两种恶劣环境下,利用阻抗分析仪、SEM及EDS探究处理0、24、48、72 h后性能的变化规律及腐蚀机理。结果表明,放置在海水中,BaTiO_(3)陶瓷在不同时间低频(10^(2)~10^(3)Hz)相对介电常数与介电损耗增加,且增加幅度巨大,在24 h陶瓷表面产生明显的保护膜,而在富盐空气下的陶瓷,72 h内介电性能变化范围小,表面没有明显的保护膜产生,但具有一定的腐蚀痕迹。82 nF的MLCC放置在海水及富盐空气72 h内高频(10^(5)~10^(6)Hz)电容值及介电损耗变化明显,这由盐分浸入内部结晶所导致,但其表面同样没有保护膜产生,这可能与电容器表面的氧化物涂层有关。

0.9BaTiO_(3)-0.1Bi(Mg_(1/2)Ti_(1/2))O_(3)铁电薄膜制备及储能特性

电介质薄膜是通过介质极化方式存储静电能的一种材料,以其高功率密度和高充放电效率,在电子器件领域得到广泛应用。目前,储能密度较低和温度稳定性差仍是电介质储能薄膜的缺陷。本研究采用溶胶-凝胶法在Pt/Ti/SiO_(2)/Si衬底上制备了0.9BaTiO_(3)-0.1Bi(Ti_(1/2)Mg_(1/2))O_(3)(0.9BT-0.1BMT)薄膜,通过引入BMT期望获得高储能密度及宽温度稳定性,并研究了退火温度对薄膜的相组成和微观形貌的影响。研究结果表明,退火温度过高会导致薄膜的致密性明显降低并伴随晶粒尺寸增大,750℃是最佳的退火温度。综合性能研究发现,1 kHz下,薄膜的室温介电常数为399,介电损耗为5.8%。薄膜在各测试频率下的介电温度稳定性满足X9R标准,ΔC/C25℃≤±13.9%。通过Currie-Weiss关系计算得到薄膜的弛豫系数(Relaxor value)γ值为≈1.96,说明其具有明显的弛豫特性。储能特性研究显示,薄膜的室温储能密度Wrec达51.9 J/cm^(3),室温~200℃的宽温度范围内,储能密度Wrec>20 J/cm^(3),可释放能量效率η>65%(1600 kV/cm)。在脉冲放电测试中,薄膜的脉冲放电时间τ0.9保持在15μs以内,且具有优异的频率、温度和循环可靠性。本研究所制备的0.9BT-0.1BMT铁电薄膜具有出色的储能特性和宽温度稳定性,具备在高温环境中应用的潜力。

BaTiO_(3)/Co_(3)O_(4)复合材料对PMS体系降解的效能优化

目的研究添加剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)与乙二胺四乙酸二钠(EDTA-2Na)对所得BaTiO_(3)/Co_(3)O_(4)(BT/Co)复合材料表面Co^(2+)相对含量及催化活性的影响。方法采用溶胶-凝胶法结合高温焙烧合成了铁电BT/Co复合材料,用于激活过一硫酸盐(Peroxymonosulfate,PMS)氧化降解水相中的亚甲基蓝(Methylene Blue,MB);通过有机污染物MB的氧化降解实验,探讨了CTAB与EDTA-2Na对获得BT/Co复合材料催化活性的影响。结果CTAB与EDTA-2Na作为添加剂,对所得BT/Co复合材料的相组成与微观结构无明显影响,但催化剂表面Co^(2+)相对含量呈现出明显变化。结论当EDTA-2Na为添加剂时,所得BT/Co复合材料表面Co^(2+)相对含量提高,活化PMS生成了较多的活性氧化物种,加速了MB的降解,10 min内MB的降解率达到99%。

铁电效应调控的高性能p-NiO/i-BaTiO_(3)/n-ITO自供能紫外光电探测器

近年来,自供能的紫外光电探测器由于无需任何外部偏压即可工作而成为军事和民用领域的研究热点。其中,钛酸钡(BTO)作为一种宽禁带铁电材料,拥有良好的铁电、压电和热电性能,可以产生本征自发极化场来分离光生载流子,从而实现自供能紫外光电探测。到目前为止,基于BTO的自供能光电探测器已经取得了巨大进展,然而,除了使用高质量的单晶材料外,所报道的器件往往表现出低响应度(10^(-8)~10^(-7) A·W^(-1))。本文利用低成本的射频溅射技术,制造了一种高性能的NiO/BTO/ITO p-i-n异质结构自供能紫外光电探测器。通过将BTO的铁电去极化场和p-i-n结的内建电场耦合,能有效提高光生载流子的分离和迁移。因此,该器件在正极化态下255 nm波长紫外光照射下的响应度可以达到3.4×10^(-5) A·W^(-1),远远高于其他已报道的基于非晶态和陶瓷BTO制备的紫外光电探测器。此外,该器件具有0.3 s/0.4 s的快速响应时间。本工作为提高BTO光电探测器的性能提供了一种新的策略。

低温合成四方相BaTiO_(3)及其压电催化性能

基于淀粉糊化机制低温合成了四方相BaTiO_(3)粉体。采用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射、傅里叶变换红外光谱、紫外可见吸收光谱、X射线光电子能谱对合成粉体的形貌、物相进行表征;在超声条件下,以系列典型染料为降解对象测试BaTiO_(3)压电催化性能。结果显示,煅烧温度为600℃时即可获得四方相BaTiO_(3)粉体,且随着温度的提升,结晶度逐渐增加;当煅烧温度为700℃时,合成的BaTiO_(3)粉体尺寸分布均匀,分散度良好,呈现类立方体状;在超声驱动下,BaTiO_(3)降解罗丹明B、刚果红、甲基橙染料时均展现出良好的效果,反应速率常数分别为1.090×10^(-2)、1.113×10^(-2)、1.084×10^(-2)min^(-1),并以降解刚果红为对象揭示其压电催化的机理,即空穴和超氧自由基是降解过程中的主要反应物质。

钛酸钡与铌酸钾钠无铅压电陶瓷研究进展

钛酸钡(BaTiO_(3))和铌酸钾钠(K_(0.5)Na_(0.5)NbO_(3))压电陶瓷因具有环境友好、电学性能良好、居里温度较好等优势而成为国际高新技术材料研究的前沿热点,有望替代部分铅基压电陶瓷应用于国防、航空航天、通信等领域的电子器件中。本文综述了BaTiO_(3)和K_(0.5)Na_(0.5)NbO_(3)压电陶瓷材料的最新研究进展,从构造相界调控压电性能、BaTiO_(3)基压电陶瓷的材料体系设计、K_(0.5)Na_(0.5)NbO_(3)基压电陶瓷的热稳定性及改善、压电陶瓷的新型成型及烧结工艺等方面进行客观分析和总结,并展望了两种材料的未来发展趋势,为开发高性能无铅压电陶瓷提供参考。

BaTiO_(3)-TiO_(2)复合光催化剂降解盐酸四环素及机理研究

以钛酸丁酯(TBOT)和钛酸钡(BaTiO_(3))为原料,采用水热法制备了BaTiO_(3)-TiO_(2)复合光催化剂,研究了不同煅烧温度(400,500,600,700℃)对复合光催化剂结构、形貌及对盐酸四环素(TCH)光催化性能的影响。结果表明:煅烧温度的升高促进了部分TiO_(2)向BaTiO_(3)的转变,BaTiO_(3)的衍射峰增强,晶粒尺寸逐渐增大,球状颗粒的生长成型更为完全。BaTiO_(3)-TiO_(2)复合光催化剂的禁带宽度为3.03 eV,煅烧温度的变化没有改变BaTiO_(3)-TiO_(2)的吸收带边,复合光催化剂的吸收强度随煅烧温度的升高先增大后减小,600℃退火处理的BaTiO_(3)-TiO_(2)光催化剂吸收强度最高。在180 min时,600℃退火的BaTiO_(3)-TiO_(2)光催化剂对TCH的降解率最高可达92.80%,相比400℃退火,降解率提高了24.08%,重复使用5次对TCH的降解率逐次衰减幅度小于7%,重复使用第5次时对TCH的降解率为70.11%,在pH=6.2的条件下180 min时BaTiO_(3)-TiO_(2)的降解率最高为93.19%。

放电等离子烧结制备细晶AlN陶瓷

采用纯纳米AlN粉和掺杂质量分数3%Y_(2)O_(3)的纳米AlN粉为原料,经放电等离子烧结工艺制备AlN陶瓷,研究了两类AlN陶瓷的相对密度、微观组织、力学性能和导热性能。结果表明:纯纳米AlN粉和掺杂Y_(2)O_(3)纳米AlN粉在40~60 MPa下,经1500℃放电等离子烧结5~60 min,均可获得相对密度>99%的AlN陶瓷。当烧结压力为50 MPa时,获得的AlN陶瓷晶粒尺寸最小,分别为176 nm和190 nm,细化晶粒明显提高了AlN陶瓷硬度和抗弯强度。当烧结时间从5 min延长至60 min时,两种AlN陶瓷晶粒尺寸分别增大至1.71μm和1.73μm。晶粒长大导致AlN陶瓷硬度和抗弯强度下降,但提升了导热性能。通过对比发现,相同放电等离子烧结工艺下添加烧结助剂Y_(2)O_(3)能够有效提升AlN陶瓷的综合性能。

不同摩擦配副对PEEK及CF/PEEK复合材料摩擦学性能的影响

为了选择与PEEK及其CF改性复合材料更合适的配副材料以适应苛刻的干摩擦工况,本工作选用PEEK、CF/PEEK复合材料为研究对象,利用UMT-2型多功能摩擦磨损试验机在不同速度、载荷下对PEEK、CF/PEEK复合材料与Al 2O 3球、GCr15球、Si_(3)N_(4)球三种不同对磨球所组成的摩擦副进行干摩擦试验。结果表明:CF填充改性PEEK基复合材料,提高了复合材料的摩擦学性能。研究速度、载荷对其摩擦学性能的影响发现,三种对磨球所组成的摩擦副在固定载荷高速时或者固定速度重载时仍保持良好的摩擦磨损性能。三种对磨球中,GCr15轴承钢球与PEEK、CF/PEEK组成的摩擦副摩擦系数最大,磨损率最高;Si_(3)N_(4)陶瓷球的摩擦副摩擦系数最小,磨损率最低。当GCr15-CF/PEEK摩擦副在50 N、400 r/min高速时,摩擦系数为0.275,在90 N、300 r/min重载下,摩擦系数为0.254;当Si_(3)N_(4)-CF/PEEK摩擦副在50 N、400 r/min高速时,摩擦系数为0.265,在90 N、300 r/min重载下,摩擦系数为0.231。GCr15-CF/PEEK摩擦副盘试样在高速高载的苛刻工况下发生了严重的磨粒磨损和黏着磨损,而Si_(3)N_(4)-CF/PEEK摩擦副盘试样在高速高载的苛刻工况下主要是磨粒磨损和轻微的黏着磨损。

硬性BSPT基高温压电陶瓷温度稳定性研究

采用固相合成法在1125~1175℃烧结范围内制备了0.15BiScO_(3)-0.85(Pb_(0.88)Bi_(0.08))(Ti^(0.97)Mn_(0.03))O_(3)(BSPT-Mn)高温压电陶瓷。所有样品均为纯相,晶粒尺寸分布符合正态规律,掺杂元素均匀,未发现明显的富集现象。研究表明,在1150℃烧结制备的BSPT-Mn高温压电陶瓷的最大机械品质因数为1500.3,在484.4℃温度下压电常数为289.8 pC/N,压电性能良好。