Al_(2)O_(3)f/Al_(2)O_(3)陶瓷基复合材料研究进展

目前,航空发动机等高温部件对热结构材料性能要求日渐严苛。Al_(2)O_(3)f/Al_(2)O_(3)陶瓷基复合材料(Al_(2)O_(3)f/Al_(2)O_(3)CMCs)因具有优异的力学性能和抗氧化性,成为了热结构材料体系的研究热点。本文综述了Al_(2)O_(3)f/Al_(2)O_(3)CMCs的组成体系、主要性能和制备方法,并分析了该材料在相关领域的应用以及未来的发展趋势。

MOF@γ-Al_(2)O_(3)复合材料的制备及其选择性染料吸附性能研究

本文通过原位生长法将金属有机骨架(MOF)与γ-Al2O3相结合制备了两种MOF@γ-Al_(2)O_(3)复合材料,即UIO-66/UIO-66-NH2@γ-Al_(2)O_(3),并将其应用于选择性染料吸附性能研究。结果表明:UIO-66/UIO-66-NH_(2)@γ-Al2O3复合材料可选择性吸附阴离子染料(刚果红,CR),吸附量分别可以达到1520.91mg·g^(-1)和1598.65mg·g^(-1)。同时,UIO-66/UIO-66-NH2@γ-Al_(2)O_(3)复合材料还具备优异的稳定性,重复使用10次后对CR的选择性吸附性能基本保持不变。

CoFe_(2)O_(4)-Al_(2)O_(3)复合材料的制备及其在含日落黄废水处理中的应用

制备了铁酸钴-氧化铝(CoFe_(2)O_(4)-Al_(2)O_(3))复合材料,并采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、比表面积和孔径分析仪对多孔CoFe_(2)O_(4)-Al_(2)O_(3)复合材料的物相和形貌进行了分析.利用制备的CoFe_(2)O_(4)-Al_(2)O_(3)复合材料活化过硫酸氢钾(PMS)来降解废水溶液中的日落黄(SY),通过研究CoFe_(2)O_(4)-Al_(2)O_(3)材料制备过程中Co^(2+),Fe^(3+)和Al^(3+)的物质的量之比、煅烧温度和时长对材料催化性能的影响,发现Co^(2+),Fe^(3+)和Al^(3+)的最佳物质的量之比为1∶2∶12,最佳煅烧温度为400℃和最佳煅烧时长为3 h.对采用在最优条件下制得的CoFe_(2)O_(4)-Al_(2)O_(3)复合材料作为催化剂,PMS氧化降解含日落黄废水进行研究,考察了pH值、温度、不同体系、PMS用量、CoFe_(2)O_(4)-Al_(2)O_(3)材料用量和一些阴离子对日落黄降解的影响.结果表明:在pH=7,温度为55℃条件下,用0.1 g催化剂和0.125 g PMS能使100 mL质量浓度为0.6 g·L^(-1)的日落黄溶液在30 min内降解率达到99.5%.同时,碳酸氢根负离子(HCO3-)和硝酸根负离子(NO_(3)^(-))的加入抑制了日落黄的降解,而Cl^(-)则能促进日落黄的降解.此外,在进行4次循环使用后,CoFe_(2)O_(4)-Al_(2)O_(3)仍表现出很好的催化性能,日落黄去除效果仍能达到90%以上.

1060Al/Al-Al_(2)O_(3)/1060Al层状铝基复合材料热变形模型对比分析

采用Gleeble-3500热模拟试验机在变形温度为25~400℃、应变速率为0.01~10s^(-1)和真应变为0.85的条件下,对1060Al/Al-Al_(2)O_(3)/1060Al层状铝基复合材料进行了热压缩试验,研究其热变形行为,建立了应变补偿的Arrhenius (SCA)、修正的Johnson-Cook (MJC)和修正的Zerilli-Armstrong (MZA) 3种本构模型,并对流变应力的预测值与实验值进行对比。结果表明,层状复合材料流变应力呈加工硬化型,并随温度升高或应变速率降低而降低;在100℃/0.5s^(-1)、200℃/0.1s^(-1)和300℃/0.1s^(-1)条件下,层状复合材料组元层间变形较为协调;3种本构模型中,MZA模型的相关系数最高,R为0.99085、平均绝对相对误差最低,e_(AARE)为0.046966,更适合描述1060Al/Al-Al_(2)O_(3)/1060Al层状铝基复合材料的热变形行为。

Al_(2)O_(3)-Cu/25Cr复合材料的热变形行为与热加工图

采用内氧化-快速热压烧结方法制备了Al_(2)O_(3)-Cu/25Cr复合材料,利用Gleeble-1500D型热模拟试验机对其进行热变形试验(变形温度为600~900℃,变形速率为0.001~1 s^(-1)),绘制了其真应力-真应变曲线,根据双曲正弦模型计算了复合材料的热变形激活能和本构方程,得到了Al_(2)O_(3)-Cu/25Cr复合材料热变形过程的热加工图。结果表明:Al_(2)O_(3)-Cu/25Cr复合材料的热变形激活能为287.227 kJ/mol,根据热加工图,确定了复合材料最佳的热加工工艺参数为变形温度为800~900℃、变形速率为0.25~1 s^(-1)。

NbMoWTa-Al_(2)O_(3)固体润滑复合材料的宽温域摩擦磨损性能

通过高能球磨和放电等离子烧结方法制备了新型NbMoWTa难熔高熵合金基固体润滑复合材料。系统研究了纳米Al_(2)O_(3)作为固体润滑剂对NbMoWTa难熔高熵合金宽温域摩擦学性能的影响。结果表明:纳米Al_(2)O_(3)颗粒在具有BCC结构的NbMoWTa难熔高熵合金基体相晶界和晶内均匀分散,强烈的弥散强化显著提升了NbMoWTa的显微硬度。纳米Al_(2)O_(3)颗粒在室温至800℃范围内降低摩擦因数和磨损方面有显著作用。室温下,由于复合材料的显微硬度显著提升,添加足量的纳米Al_(2)O_(3)实现了复合材料耐磨性的提升。在中高温下,复合材料表面形成的连续致密氧化摩擦层对提升摩擦学性能起着关键作用。纳米Al_(2)O_(3)颗粒协助氧化摩擦层承载更大的载荷,提高其致密性及稳定性,从而更有效地保护基体。此外,在800℃下纳米Al_(2)O_(3)颗粒的存在能够抑制MoO_(3)的过度挥发。

基于Al_(2)O_(3)/环氧树脂复合材料的盆式绝缘子在役态裂纹萌生及失效断裂机制研究

本文首先总结了近年盆式绝缘子失效破坏的一般规律和特征,然后截取典型失效区域试样,分析基体微观组织形貌和失效断口的形貌特征,最后采用纳米压痕力学技术对复合材料异质界面微观力学性能进行表征分析,阐释基于Al_(2)O_(3)/环氧树脂复合材料的裂纹萌生及失效断裂机制。结果表明:环氧树脂基体的断裂韧性值约为0.55 MPa·m^(1/2),在载荷作用下裂纹从环氧树脂基体中萌生,并不断扩展,当遇到高强度的Al_(2)O_(3)颗粒时因受阻而发生偏转,并沿着颗粒与基体的界面快速扩展。

Al_(2)O_(3)/SiO_(2)/ZrO_(2)三元复合气凝胶材料的制备及性能研究

以六水合氯化铝(AlCl_(3)·6H_(2)O)、正硅酸乙酯(TEOS)和八水合氧氯化锆(ZrOCl_(2)·8H_(2)O)为混合前驱体,以环氧丙烷(PO)作为凝胶网络诱导剂,乙醇和水作为溶剂,采用溶胶-凝胶工艺和二氧化碳超临界干燥技术制备出了Al_(2)O_(3)-SiO_(2)-ZrO_(2)三元复合气凝胶。研究了不同PO添加量、醇水体积比和Al/Si/Zr摩尔比对其性能和结构的影响,采用扫描电镜、比表面积分析仪和多功能粉体物理特性测试仪对气凝胶的凝胶形态、微观形貌及孔结构进行表征。结果表明:当PO添加量为88mL,醇水体积比为8∶9,Al/Si/Zr摩尔比为12∶3∶1和12∶4∶1时制备出的气凝胶结构性能良好,且凝胶时间在较合适的范围内,具有较低的密度为0.125g/cm^(3)和0.143g/cm^(3),较高的比表面积为683.14m^(2)/g和684.56m^(2)/g。

直接熔化制备Al-Si-Al_(2)O_(3)复合材料的组织和性能

采用光学显微、XRD、SEM和EDS分析了Si含量分别为10.00wt%、7.64wt%的Al-Si-Al_(2)O_(3)复合材料的显微组织形貌以及物相组成。结果表明:Al-10.00wt%Si试样的组织细小,孔隙率较高。基体晶粒Al呈细小圆形,Si颗粒主要在基体晶界周围聚集长大,部分向基体晶粒内部生长;而Al-7.64wt%Si试样组织略微粗大,孔隙率较低。基体晶粒Al呈不规则形状,Si颗粒聚集长大现象更为明显。原位反应成功进行,Al-10.00wt%Si复合材料以Al为基体生成的Al_(2)O_(3)是增强相;另一生成物Si没有细小弥散的分布于Al基体中,而是聚集附着在基体Al晶界周围,且有部分SiO_(2)残留存在于基体晶界周围。在加热升温过程中,混合原料只出现了部分熔化现象,金属液滴从混合原料中析出,凝结为含Al量极高的合金液滴。合金液滴致密度较高,固溶体呈枝晶状,Si呈条状或针状;且有小颗粒第二相的存在,含有Al、Si、C元素。

原位合成Al_(2)O_(3)/TiB_(2)颗粒混杂增强铝基复合材料的性能研究

针对传统铝合金无法满足工业和民用中对高强高导铝合金需求的问题,开发一种提升铝合金表面硬度且保证其导电导热性能的新型铝基复合材料。通过机械合金化法制备了Al-TiO_(2)-B混合粉末,采用放热弥散结合接触反应技术成功原位合成Al_(2)O_(3)/TiB_(2)颗粒混杂增强铝基复合材料,探究了原始粉末Al-TiO_(2)-B体系反应生成Al_(2)O_(3)/TiB_(2)颗粒混杂增强铝基复合材料的反应机理及反应温度对原位反应的影响,分析了铝基复合材料的微观组织形貌以及表面显微硬度和导电导热性能。XRD分析结果表明,反应温度达到1100℃保温200 min后,原始粉末Al-TiO_(2)-B体系中的TiO_(2)和B粉末完全反应,并且在反应过程中B粉抑制了中间产物Al3Ti和AlB2的生成,最终原位生成为Al_(2)O_(3)和TiB_(2)颗粒混杂增强的铝基复合材料。显微组织观察表明,在铝基体中原位生成了TiB_(2)颗粒(直径小于1μm)和Al_(2)O_(3)颗粒(粒径约为2μm),且铝基复合材料表面组织均匀致密。原位合成Al_(2)O_(3)/TiB_(2)混杂颗粒增强铝基复合材料的电导率为46.1%IACS,热导率约为198.5 W·m-1·K-1,显微硬度较传统A356铝合金的68 HV提升至76 HV,新型原位合成铝基复合材料在保证导电导热性能的前提下提升了铝基复合材料的显微硬度。

T6态Al_(2)O_(3np)/7075复合材料组织、力学及摩擦磨损性能研究

通过搅拌铸造工艺制备了2wt.%Al_(2)O_(3np)7075复合材料,然后对复合材料进行了T6热处理。利用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、显微硬度计、拉伸试验机和多功能摩擦磨损试验机等分析测试仪器设备,对热处理前后Al_(2)O_(3np)/7075复合材料的微观组织、力学性能及摩擦磨损性能进行了研究。研究结果表明:Al_(2)O_(3np)的添加极大地细化了7075合金的α-Al晶粒的尺寸,对复合材料进行热处理之后,组织中元素成分偏析减少,MgZn_(2)析出相弥散分布于Al基体内。与Al_(2)O_(3np)/7075复合材料的力学性能相比,T6态复合材料的力学性能显著提高。在30 N、0.35 m/s的摩擦条件下,T6态复合材料的磨损率和摩擦系数分别为0.0116 mg/m和0.2528,与铸造复合材料相比磨损量和摩擦系数分别降低了64.19%和23.32%。铸态复合材料的磨损机制以粘着磨损为主,而T6态复合材料的磨损机制以轻微粘着磨损和磨粒磨损为主。

Al_(2)O_(3)/Cu复合材料的制备及性能分析

以硝酸铜和硝酸铝为原材料,采用喷雾干燥-煅烧-氢还原工艺得到超细、Al_(2)O_(3)在铜基体中均匀弥散分布的Al_(2)O_(3)/Cu复合粉体;经热压烧结(HP)和模压成型-烧结-复压-复烧(MP)分别制备出不同Al_(2)O_(3)含量的Al_(2)O_(3)/Cu复合材料,实验对比两种方法制备出的样品的物相、微观结构、硬度和电导率。结果表明:两种工艺得到的复合材料均具有较高致密度,硬度随着氧化铝含量增加而增大,电导率随着氧化铝含量增加而减小。热压烧结(HP)工艺获得的材料维氏硬度(143.9 HV)比同工艺下纯铜的硬度值(74.2HV)提高了93.9%,电导率高于80.09%IACS;模压成型(MP)工艺制备的样品维氏硬度(136.8 HV)比相同工艺下纯铜的硬度值(42.3 HV)提高了223.4%,电导率维持在82.25%IACS以上。

旋翼轴用Ni−Al_(2)O_(3)−PTFE复合镀层的制备与摩擦学性能

针对国内航空传动系统翻修间隔时间短的不足,以硬质颗粒Al_(2)O_(3)和润滑材料PTFE作为微粒,采用电刷镀技术在旋翼轴常用过渡层金属材料T2紫铜片表面,制备Ni−Al_(2)O_(3),Ni−PTFE,Ni−Al_(2)O_(3)−PTFE复合镀层,采用扫描电镜、显微硬度仪表征分析镀层微观形貌、元素含量分布及硬度;采用自制的销盘式摩擦磨损试验机对镀层试样进行摩擦磨损试验,探究镀层摩擦学性能及其磨损机理。结果表明:随Al_(2)O_(3)颗粒含量的提高,Ni−Al_(2)O_(3)−PTFE复合镀层表面微晶单元尺寸减小,硬度提高,Ni−Al_(2)O_(3)−PTFE(3∶1)显微硬度最大为236 HV,相比于Ni−PTFE复合镀层提升约66%;Ni−Al_(2)O_(3)−PTFE复合镀层结合了Al_(2)O_(3)和PTFE两者的优势,在具有减摩的同时,还具有良好的耐磨性能,Ni−Al_(2)O_(3)−PTFE(1∶1)复合镀层的减摩性能最优,相比于Ni−Al_(2)O_(3)其摩擦系数降低约52%;Ni−Al_(2)O_(3)−PTFE(3∶1)复合镀层的耐磨性能最优,相比于Ni−PTFE其磨损率降低约85%;Ni−Al_(2)O_(3)−PTFE复合镀层的磨损形式主要是机械磨损,存在轻微的氧化磨损和黏着磨损,复合镀层表面微凸体的塑性变形可为摩擦表面提供润滑膜,其中PTFE是自润滑颗粒,Al_(2)O_(3)颗粒起到支撑与强化的作用,保护镀层免受磨损。

原子层沉积Al_(2)O_(3)对尖晶石LiNi_(0.5)Mn_(1.5)O_(4)正极材料的影响机理

为提升尖晶石相LiNi_(0.5)Mn_(1.5)O_(4)正极材料在深度荷电状态下的界面稳定性,采用原子层沉积法在单晶LiNi_(0.5)Mn_(1.5)O_(4)正极材料表面可控沉积了纳米级Al_(2)O_(3)层。改性后的LiNi_(0.5)Mn_(1.5)O_(4)正极材料表现出优异的长循环耐腐蚀性能(1C电流密度下循环500次的容量保持率高达94.7%)。进一步的表界面解析结果表明:原子层沉积技术构建的纳米级Al_(2)O_(3)包覆层能够明显抑制材料本体与电解液的腐蚀反应,降低过渡金属离子的不可逆溶解与析出;另外,基于HF表面刻蚀产生的AlF_(3)具有增强的耐刻蚀性能,可显著提升LiNi_(0.5)Mn_(1.5)O_(4)正极材料在长循环及高电压下的服役性能。

基于层状锌铝复合氢氧化物前驱体优化制备Cu/ZnO/Al_(2)O_(3)气相醛加氢催化剂

以偏铝酸钠作为铝源通过一步法、两步法和混合法引入Cu制备基于ZnAl-LDH前驱体的3种不同的Cu/ZnO/Al_(2)O_(3)催化剂,对催化剂及其前驱体结构性质进行表征,结合辛烯醛(2-乙基-2-己烯醛,EPA)加氢反应评价结果,探究不同制备方法、不同铝的引入方式对ZnAl_(2)O_(4)尖晶石形成的影响,考察不同条件下所得催化剂的结构与反应性能之间的构效关系。结果表明:与工业催化剂相比,在辛烯醛气相加氢反应中混合法制得的催化剂与工业催化剂活性相当,产物选择性在空速1.5 h^(-1)时高于工业剂1.9%,在空速4.0 h^(-1)时高于工业剂2.5%;以偏铝酸钠作为铝源制备的ZnAl-LDH前驱物大大提高锌铝结合效率,减少非结合Al_(2)O_(3)的产生,提高产物选择性,同时实现380℃低温焙烧条件下ZnAl-LDH向ZnAl_(2)O_(4)尖晶石的转变,避免传统的高温焙烧过程中CuO的烧结。

Al_(2)O_(3)-Ce_(2)O_(3)复合薄膜对304不锈钢抗高温氧化性能的影响

为提高304不锈钢的抗高温氧化性能,采用溶胶-凝胶法以异丙醇铝和CeCl_3·7H_(2)O为原料,在304不锈钢表面分别制备了Al_(2)O_(3)薄膜和Al_(2)O_(3)-Ce_(2)O_(3)复合薄膜,通过氧化动力学曲线、XRD、SEM和EDS分析,研究了不同Ce/Al比例(摩尔比,下同)的Al_(2)O_(3)-Ce_(2)O_(3)复合薄膜对304不锈钢900℃抗高温氧化性能的影响。结果表明,涂覆Ce∶Al=1∶10的薄膜试样在900℃循环氧化100 h后的氧化增重与氧化剥落量仅为未涂覆试样的34.1%和51.8%,抗高温氧化性能最佳。Al_(2)O_(3)-Ce_(2)O_(3)复合薄膜降低了304不锈钢基体表面的氧分压,有利于生成保护性的Cr_2O_(3)氧化层,有效抑制了Cr_2O_(3)的挥发;添加Ce_(2)O_(3)降低了氧化层中的热应力,提高了其附着力;Ce_(2)O_(3)起到了活性元素效应,改变了氧化膜的生长机制,因此显著提高了不锈钢的抗高温氧化性能。

多孔Al_(2)O_(3f)/Al_(2)O_(3)复合材料研究进展

作为20世纪90年代兴起的一类连续陶瓷纤维增强陶瓷基复合材料,连续氧化铝纤维增韧氧化铝(Al_(2)O_(3f)/Al_(2)O_(3))复合材料已经发展为与C_(f)/SiC、SiC_(f)/SiC等非氧化物复合材料并列的陶瓷基复合材料。以多孔基体实现基体裂纹偏转成为Al_(2)O_(3f)/Al_(2)O_(3)复合材料主要的增韧设计方法,形成的多孔Al_(2)O_(3f)/Al_(2)O_(3)复合材料具有优异的抗氧化性能和高温力学性能,可在高温富氧、富含水汽的中等载荷工况中长时服役,是未来重要的热结构材料。经过近30年的发展,多孔Al_(2)O_(3f)/Al_(2)O_(3)复合材料已被应用于航空发动机、燃气轮机等热端部件。本文综述了多孔Al_(2)O_(3f)/Al_(2)O_(3)复合材料的增韧设计方法、制备方法、微观结构和力学性能等多个方面的研究进展,并提出了当下存在的问题以及后续发展方向。

制备Fe_(2)O_(3)/Mn_(2)O_(3)/Al_(2)O_(3)复合催化剂催化臭氧高效降解亚甲基蓝

本工作采用过量浸渍法制备了Fe_(2)O_(3)/Mn_(2)O_(3)/Al_(2)O_(3)复合型催化剂,并考察了其用于催化臭氧降解亚甲基蓝的催化能力。研究了Fe/Mn负载比、催化剂投加量、O3浓度和pH等对亚甲基蓝降解的影响。结果表明,Fe/Mn负载比为1:2,催化剂投加量为2g/L,O_(3)浓度为10mg/L以及pH为5.5时,对亚甲基蓝色度和COD的去除率较好,分别可达99.8%和79.85%。对比O_(3)氧化处理亚甲基蓝,分别提高了10%和40%。

基于Fe_(2)O_(3)的片状α-Al_(2)O_(3)包覆研究

首先以片状α-Al_(2)O_(3)为基质,以FeCl_(3)为铁源,采用液相沉积法制备了Fe_(2)O_(3)/α-Al_(2)O_(3)珠光颜料,并借助SEM、EDS、XRD等手段对制备的珠光颜料进行性能表征,考察了反应pH值、反应温度、铁盐浓度、添加剂用量等因素对片状α-Al_(2)O_(3)包覆率的影响,得到了制备铁系包覆片状α-Al_(2)O_(3)的最佳制备工艺参数,同时了解了各参数影响包覆率的主次顺序,并在此基础上着重探讨了六偏磷酸钠对包覆率产生影响的机理。结果表明:影响包覆率的主次顺序依次为反应pH值、反应温度、添加剂用量、铁盐浓度;在最优的工艺参数下制备出来Fe_(2)O_(3)/α-Al_(2)O_(3)的包覆率为20.93%;样品的表面形貌光滑平整且包覆完整。

SiC聚合物前驱体和Zn粉复合对Al_(2)O_(3)-C不烧滑板材料性能的影响

为提高Al_(2)O_(3)-C不烧滑板材料的中低温强度,首先将质量比为1∶0.15∶2.7∶0.03的蔗糖、六水合硝酸镍、正硅酸乙酯、草酸水溶液依次添加至乙醇水溶液中,经110℃干燥18 h后得到SiC聚合物前驱体,然后以板状刚玉、α-Al_(2)O_(3)微粉、鳞片石墨为主要原料,复合添加SiC聚合物前驱体和Zn粉,在150 MPa下压制成150 mm×25 mm×25 mm的坯体试样,经180℃固化24 h后,在埋碳条件下经600、800、1000、1200和1400℃热处理3 h。研究了SiC聚合物前驱体和Zn粉复合添加对Al_(2)O_(3)-C材料性能的影响。结果表明:SiC聚合物前驱体和Zn粉的最佳添加量(w)分别为4.5%和1.5%,此时Al_(2)O_(3)-C材料综合性能最优。低温时Zn粉熔融,在材料体系中形成金属结合相;中温时SiC聚合物前驱体发生热解反应及Zn粉气化的催化作用,使体系形成SiC纤维结合相;二者共同作用,赋予Al_(2)O_(3)-C不烧滑板材料较高的中低温强度,克服了现有材料使用过程中因强度过低导致的失效问题。