基于热障涂层的La_(2)Zr_(2)O_(7)材料改性研究进展

随着航空发动机不断向高推重比、高性能方向发展,传统、单一的热障涂层(Thermal barrier coating,TBC)已经不能满足热端部件严苛的服役要求。锆酸镧(La_(2)Zr_(2)O_(7))具有熔点高、高温下结构稳定、低热导率等优点,具有极好的隔热性能,有望成为新一代热障涂层候选材料,但在实际应用中仍存在两大关键问题,即热膨胀系数低和断裂韧性差。因此,La_(2)Zr_(2)O_(7)材料在服役过程中会因热失配而造成局部热应力集中,导致涂层过早剥落失效,严重影响涂层的服役寿命。国内外研究表明,对La_(2)Zr_(2)O_(7)材料进行改性可以有效解决上述问题。为此,系统分析了关于La_(2)Zr_(2)O_(7)材料改性的研究工作,将La_(2)Zr_(2)O_(7)材料改性总结为4类:第二相复合、稀土掺杂、纳米化和高熵化。重点介绍了4种不同改性方式对La_(2)Zr_(2)O_(7)材料热导率、热膨胀系数的影响及增韧机理,并对La_(2)Zr_(2)O_(7)材料改性研究工作进行总结和展望,以为La_(2)Zr_(2)O_(7)材料在热障涂层领域的应用提供理论支撑。

石榴石型立方相Li_(7)La_(3)Zr_(2)O_(12)固态电解质的制备及储锂性能

石榴石型立方相Li_(7)La_(3)Zr_(2)O_(12)(LLZO)具有高的离子电导率和热稳定性,在固态锂电池领域颇具应用前景。煅烧温度对制备高性能立方相LLZO至关重要。为此,首先采用不同煅烧温度(1050℃、1100℃、1150℃、1200℃、1250℃)制备了LLZO,然后将10%磺酸甜菜碱改性的聚偏二氟乙烯(SB-PVDF)与90%LLZO复合制备固态电解质膜,并研究其电化学储锂性能。结果表明:在最优煅烧温度1200℃时制备的LLZO为纯立方相结构,相对致密度高达92.4%,离子电导率为1.21×10^(-4)S/cm,活化能为0.335eV,相应的固态锂电池在1.0C充放电时的放电比容量为124.3mAh/g,循环200圈后容量保持率为93.4%,优于其他样品。

在线净化装置对某7×××系铝合金熔体渣含量的影响

采用PoDFA法离线测渣仪对某7×××铝合金保温炉出口、在线除气装置出口、过滤装置出口熔体取样进行离线测渣,确定了夹渣物含量及夹渣物种类,并对夹渣物的来源进行了分析。结果表明:该7×××铝合金中典型夹渣物为氧化铝、氧化镁、冶金学尖晶石,夹渣物经在线除气装置处理后有所减少,经过滤装置处理后除渣效果显著。

高效率BaAl_(4)Sb_(2)O_(12)∶Eu^(2+)荧光粉合成与发光性能

白光LED作为第四代照明光源已经广泛应用到人们生活的各个领域,其中荧光粉是获得高性能白光LED的关键材料之一。如何用简单的方法制备高性能的荧光粉是目前研究人员的一个挑战性工作。本文采用高温固相法,加入助熔剂H_(3)BO_(3)、NH_(4)Cl、SrF_(2)、LiF和BaF_(2),成功制备了BaAl_(4)Sb_(2)O_(12)∶Eu^(2+)(BASO∶Eu^(2+))荧光粉。通过晶体结构分析、发射光谱、X射线光电子能谱(XPS)以及荧光寿命分析,表明过量的Sb_(2)O_(3)能够有效地将Eu^(3+)还原成Eu^(2+),提高Eu^(2+)在563 nm处的荧光强度约12.5倍,内量子效率(IQE)可以达到96.14%。另外,还研究了不同助熔剂对荧光粉晶体结构、荧光强度以及内量子效率的影响。本实验采用的方法简单,避免使用具有一定危险的还原性气体烧结,易于工业化应用以及降低生产成本。

Cu_(3)Mo_(2)O_(9)/Mn_(0.3)Cd_(0.7)S S型异质结的构筑及其光解水产氢性能研究

采用超声辅助研磨煅烧法制备了Cu_(3)Mo_(2)O_(9)/Mn_(0.3)Cd_(0.7)S S型异质结光催化剂,通过X射线粉末衍射仪、扫描电子显微镜、X射线光电子能谱、固体紫外漫反射等测试技术表征了样品的物相、形貌、化学元素组成以及光吸收能力等物理化学性质。在可见光加近红外光照射下进行了光催化析氢性能测试,结果表明,Cu_(3)Mo_(2)O_(9)/Mn_(0.3)Cd_(0.7)S复合材料的光解水产氢性能均优于纯相的Mn_(0.3)Cd_(0.7)S和Cu_(3)Mo_(2)O_(9),其中Cu 3Mo 2O 9的质量分数为1%的Cu_(3)Mo_(2)O_(9)/Mn_(0.3)Cd_(0.7)S显示出最佳的产氢速率(1.554 mmol·h^(-1)·g^(-1)),是Mn 0.3 Cd_(0.7)S的5.5倍。且经过四次循环实验后仍保持较好的光催化活性。此外,根据电化学测试以及红外热成像结果提出了合理的机理,Cu 3Mo 2O 9的光热效应与S型异质结的协同作用是Cu_(3)Mo_(2)O_(9)/Mn_(0.3)Cd_(0.7)S光催化活性提高的关键。

LD脉冲泵浦Er^(3+)/Yb^(3+):Lu_(2)Si_(2)O_(7)晶体百kHz激光器

目前1.5μm激光二极管(Laser Diode,LD)泵浦的铒镱共掺玻璃/晶体被动调Q微型激光器广泛应用于激光测距、激光雷达等领域。随着激光器输出重频的增加,玻璃面临突出的热效应问题,晶体的热导率是玻璃的10倍以上,有望能够实现比玻璃基质更高重频的激光输出。报道了一种通过LD脉冲端面泵浦Er^(3+)/Yb^(3+):Lu_(2)Si_(2)O_(7)晶体的百kHz人眼安全激光器。通过实验优化增益介质掺杂浓度和长度、泵浦光斑尺寸和调Q晶体初始透过率等实验参数,同时适当缩短脉宽,优化泵浦占空比,提高了输出重频的稳定性。最终获得了重频为100 kHz、单脉冲能量0.7μJ、脉冲宽度240 ns、光束质量M^(2)=1.61的1537 nm脉冲激光输出。实现了输出脉冲频率与泵浦的一致,保证了输出重频的稳定性,有效解决了输出重频具有随机性、不稳定、不可控等问题。

SiO_(2)中间层反应连接LaCrO_(3)陶瓷的机理及界面应力模拟研究

合适的连接技术是提高LaCrO_(3)陶瓷加工性能的有效方法。本工作提出以低成本SiO_(2)粉末为中间层、利用放电等离子技术连接LaCrO_(3)的工艺,研究了LaCrO_(3)连接件的连接机理、显微形貌、力学性能等,并利用有限元模拟分析连接件界面应力分布状态。结果表明:LaCrO_(3)/SiO_(2)混合粉末(物质的量比(0.95~1.55)∶1)在1250~1450℃下复合反应生成Cr掺杂的La_(2)Si_(2)O_(7),SiO_(2)中间层连接LaCrO_(3)陶瓷为反应、扩散连接。在1450℃时,连接件获得最高连接强度(29.3 MPa),SiO_(2)中间层及其母材附近区域产生应力集中。SiO_(2)可以作为辅助制造和修复复杂形状LaCrO_(3)陶瓷的一种有潜力的连接中间层。

Li_(7)La_(3)Zr_(2)O_(12)基氧化铝薄膜的制备及对固态电解质应用性能的影响

Li_(7)La_(3)Zr_(2)O_(12)(LLZO)具有离子电导率高、电化学窗口宽、与锂负极相容性好的特点,在锂离子电池领域成为了传统有机液态电解质的潜在替代品。然而,LLZO极易与空气中的CO_(2)、H_(2)O反应生成副产物Li_(2)CO_(3),致使LLZO离子电导率降低,甚至丧失。针对这一问题,本研究采用先旋涂后烧结的方法在LLZO表面构筑氧化铝薄膜,借助致密氧化铝薄膜阻隔LLZO与空气的直接接触的特性,改善和提高LLZO的空气-水稳定性。结果表明,采用该方法可在LLZO表面构筑厚度约为13.34μm的无定形氧化铝薄膜层。该薄膜层有效提高了LLZO对气体的阻隔性,增大了LLZO表面疏水特性,在一定程度上抑制了Li_(2)CO_(3)的生成。同时,由于渗入LLZO中氧化铝对空隙的填充作用,强化了离子传输特性,使负载薄膜后LLZO的离子传导的活化能从0.40 eV降低至0.28eV,离子电导率从4.48×10^(5)S·cm^(-1)提高到5.06×10^(-5)S·cm^(-1),提高了13%。

Dy_(2)Zr_(2)O_(7)磁光透明陶瓷的制备及法拉第效应

以自制的Dy_(2)O_(3)超细粉与市售的ZrO_(2)粉料为主要原料,经球磨混合后通过高温固相反应合成了平均粒径约为150 nm的Dy_(2)Zr_(2)O_(7)粉体,再经过冷等静压成型和真空烧结获得了Dy_(2)Zr_(2)O_(7)磁光透明陶瓷。研究表明,该陶瓷样品具有典型的缺陷萤石结构,在635 nm波长处的直线透过率约为68%,达到了理论透过率的88%。Dy_(2)Zr_(2)O_(7)透明陶瓷在635,780,1 064 nm处的费尔德(Verdet)常数分别为(-182±7),(-118±2),(-48±1) rad·T^(-1)·m^(-1),在1 064 nm近红外波段处约为商用铽镓石榴石单晶的1.24倍,在635 nm可见光波段处约为铽镓石榴石单晶的1.33倍。研究结果证明Dy_(2)Zr_(2)O_(7)透明陶瓷是一种有潜力的新型磁光材料。

大气等离子喷涂Si/Mullite+BSAS/Yb_(2)Si_(2)O_(7)环境障涂层的制备与水氧腐蚀行为

以固相烧结法制备的Yb_(2)Si_(2)O_(7)粉体作为原材料,采用大气等离子喷涂工艺在SiC基体表面制备Si/Mullite+BSAS/Yb_(2)Si_(2)O_(7)三层结构环境障涂层。利用扫描电子显微镜、能谱仪、X射线衍射分析仪、纳米压痕试验机等设备研究涂层的显微组织、相结构和力学性能。结果表明:粉体材料由83%Yb_(2)Si_(2)O_(7)相和17%Yb_(2)SiO_(5)相(质量分数)组成,等离子喷涂获得的Yb_(2)Si_(2)O_(7)层孔隙率为(6.61±0.65)%,涂层结合强度达(22.82±3.55)MPa,涂层断裂韧度达(1.98±0.12)MPa·m1/2。此外,涂层1350℃条件下水氧耦合腐蚀测试结果显示Yb_(2)Si_(2)O_(7)单斜相含量先降低后提高,硅黏结层高温氧化形成的热生长氧化物SiO_(2)与Mullite+BSAS界面相容,未发现Mullite+BSAS与Yb_(2)Si_(2)O_(7)层互扩散现象,硅层的损耗是涂层使用寿命的主要限制环节。

氧化锑(Sb_(2)O_(3))纳米材料的制备及应用现状

综述了近些年Sb_(2)O_(3)纳米材料的制备方法、工艺及其应用的研究进展,并对其未来发展前景进行了展望。目前,Sb_(2)O_(3)纳米材料的制备方法可分为固相法、气相法和液相法三大类,以机械球磨法、低压蒸汽法、等离子法、醇解法、化学还原法和静电纺丝法为典型代表,上述方法兼具高效且稳定等优点,但也存在能耗大、制备过程复杂及力学性能较差等局限性。Sb_(2)O_(3)纳米化后可显著提升其耐磨性、折射率、质子电导率等,可被拓展应用于阻燃剂、传感器及半导体等领域。针对目前Sb_(2)O_(3)纳米材料性能难以显著提升且无法单独使用等问题,其未来发展方向将在现有技术基础上加以研究创新,有望在Sb_(2)O_(3)纳米纤维上获得优异的力学性能,并实现性能显著提升的同时提高其实际应用性。

大规格7A04铝合金铸锭裂纹缺陷的研究

采用电磁铸造法制备880 mm规格直径的7A04铝合金铸锭,通过工业CT扫描、SEM和EDS等检测分析手段研究了该铝合金铸锭中裂纹缺陷的形成原因和抑制措施,同时对缺陷附近区域微小缺陷的数量与分布进行了分析。结果表明,该铸锭出现裂纹的实质为Al_(2)O_(3)(氧化物)和少量Fe元素富集,位置靠近铸锭中心区域。观察微小缺陷其数量随半径尺寸的增大而略有减少,且大于40μm的缺陷占比最大。通过分析,微小缺陷的形成与裂纹缺陷的形成有关。在铸造前从合金熔体中去除夹杂物和气体氢,完善除气、扒渣等工艺过程是避免这些缺陷的方法。

钆掺杂La_(2)Ce_(2)O_(7)电子结构和性能的第一性原理计算

利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,研究了不同钆掺杂量(La_(1−x)Gd_(x))_(2)Ce_(2)O_(7)(x为物质的量分数,取0,0.25,0.50,0.75,1.00)的几何结构、电子结构、力学和热学性能。结果表明:(La_(1−x)Gdx)_(2)Ce_(2)O_(7)能带结构为Γ-X间接带隙,带隙随着x的增加而减小;随着x的增加,(La_(1−x)Gdx)_(2)Ce_(2)O_(7)的晶格常数和体积先减小后增大,相对分子质量增大,密度先增大后减小;(La_(1−x)Gdx)_(2)Ce_(2)O_(7)的力学性能均符合Born-Huang稳定性判据,说明(La_(1−x)Gdx)_(2)Ce_(2)O_(7)具有良好的力学稳定性;Pugh比(剪切模量与体模量之比)小于0.571,泊松比大于0.26,说明(La_(1−x)Gdx)_(2)Ce_(2)O_(7)具有良好的韧性,具备承受热循环应力的能力;(La_(1−x)Gdx)_(2)Ce_(2)O_(7)的最小热导率在0.98~1.26 W·m^(−1)·K^(−1)之间,低于氧化钇稳定氧化锆,表明(La_(1−x)Gdx)_(2)Ce_(2)O_(7)具有良好的热学性能,可以作为热障涂层的候选材料。

Ag-Ni-La_(2)Sn_(2)O_(7)复合材料在不同气氛中的耐电弧烧蚀性能及机理

采用化学共沉淀法制备了La_(2)Sn_(2)O_(7)粉末,并使用真空热压烧结法制备出Ag-Ni-La_(2)Sn_(2)O_(7)(85∶12∶3)复合材料。分别在空气、N_(2)和SF_(6)气氛中对Ag-Ni-La_(2)Sn_(2)O_(7)复合材料进行电弧烧蚀实验,通过热场发射扫描电镜(SEM)和三维激光共聚焦扫描显微镜(3D LSCM)对复合材料烧蚀后的表面形貌进行分析,使用能谱仪(EDS)和X射线光电子能谱(XPS)对烧蚀后的样品成分进行分析。分析了Ag-Ni-La_(2)Sn_(2)O_(7)复合材料在不同气氛中的电弧烧蚀行为及机理。结果表明:Ag-Ni-La_(2)Sn_(2)O_(7)复合材料在空气和N_(2)气氛中烧蚀区域面积大、表面起伏小,在SF_(6)气氛中烧蚀区域面积显著缩小,伴随的是表面起伏程度增大。在空气气氛中电弧烧蚀后金属元素均被氧化,生成Ag_(2)O、NiO、La_(2)O_(3)和SnO_(2),在N_(2)气氛中由于O~(2-)不足,电弧烧蚀后生成La_(2)O_(3)、NiO和部分SnO_(2),剩余部分Sn和Ag保持金属态,在SF_(6)气氛中电弧烧蚀后金属元素被氟化,生成AgF、NiF_(2)、LaF_(3)和SnF_(4)。

钠离子电池正极材料Na_(4)Fe_(3-x)Cr_(x)(PO_(4))_(2)P_(2)O_(7)/C@CNT的制备及电化学性能研究

为改善钠离子电池正极材料Na_(4)Fe_(3)(PO_(4))_(2)P_(2)O_(7)的导电性,提高其充放电性能,采用Cr^(3+)掺杂提高正极材料本征导电性,采用包覆碳和复合碳纳米管(CNT)构筑高效导电网络以加快纳米活性物颗粒间的电子传导,制备并探究了Na_(4)Fe_(3-x)Cr_(x)(PO_(4))_(2)P_(2)O_(7)/C@CNT复合材料的结构与电化学性能。结果表明,当Cr^(3+)掺杂量x为0.075、CNT添加质量分数为3%时,所制备材料表现出较小的电荷传递阻抗和优异的高倍率充放电性能。其0.1 C和20 C倍率下的放电比容量分别达到120.64 mAh/g和87.11 mAh/g,10 C倍率下循环500次后容量保持率高达92.37%。

MgO-Nd_(2)Zr_(2)O_(7)复相陶瓷惰性燃料基质的制备及表征

为了获得致密性高、晶粒尺寸小、两相分布均匀的Mg O-Nd_(2)Zr_(2)O_(7)复相陶瓷惰性燃料基质,首先以Nd(NO3)3·6H_(2)O、C_(12)H_(28)O_(4)Zr为原料,采用sol-gel法合成了有序P型Nd_(2)Zr_(2)O_(7)烧绿石,再和Mg O复合制备了Mg O-Nd_(2)Zr_(2)O_(7)复相陶瓷。利用XRD、SEM-EDS等方法研究了化学组成、烧结时间、烧结温度对复相陶瓷的物相组成、晶粒大小以及致密性的影响。结果表明:采用sol-gel法在1200℃煅烧10 h能够成功合成出结晶良好的Nd_(2)Zr_(2)O_(7)烧绿石。此外,在1500℃烧结24 h,可以制备出致密性高、晶粒分布均匀的Mg O-Nd_(2)Zr_(2)O_(7)复相陶瓷。

焦磷酸磷酸铁钠基钠离子电池日历老化容量衰减机理研究

随着钠离子电池技术的不断发展,深入探索其存储过程中的容量损失机理对提高电池系统日历寿命具有重要意义。本文对焦磷酸磷酸铁钠[Na_(4)Fe_(3)(PO_(4))_(2)P_(2)O_(7)]基钠离子电池的高温存储性能进行了详细研究,通过透射电子显微镜(TEM)、电感耦合等离子体发射光谱(ICP)、拉曼光谱、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)及X射线光电子能谱(XPS)等多维度分析技术,全面剖析了正负极活性材料在高温存储过程中的容量损失率、结构、形貌及界面组分的变化。研究结果表明,高温存储后电极活性材料的比容量仅出现轻微衰减,正负极活性材料结构也未见受损,且正极铁元素溶出串扰并不显著。然而,负极侧固体电解质界面(SEI)膜增厚现象十分显著,表明存储期间负极SEI膜会不断溶解生长,且新生成的SEI膜以有机物为主。这一发现揭示了负极侧界面副反应是钠离子电池存储容量损失的主要因素。本研究不仅深化了对钠离子电池日历老化机制的理解,也为后续提升电池性能提供了重要的科学依据。

低成本Nb掺杂Li_(7)La_(3)Zr_(2)O_(12)固态电解质的性能与应用研究

固态电池因其在能量密度、循环寿命和安全性等方面的优异性能受到关注。其核心组件为固态电解质材料。具有石榴石结构的Li_(7)La_(3)Zr_(2)O_(12)(LLZO)氧化物固态电解质由于具备宽电化学窗口、良好的离子传导性、稳定的化学性能及简单的制备工艺等特点而得到广泛研究。本研究采用Nb元素对LLZO进行掺杂,成功制备得到Li_(6.75)La_(3)Zr_(1.75)Nb_(0.25)O_(12)(LLZNO)氧化物固态电解质,其离子电导率达到了7.79×10^(-4)S/cm,且制备成本与未掺杂的LLZO相比无明显增加。将其涂覆在聚乙烯(PP)隔膜表面形成PP-LLZNO隔膜,表现出良好的热稳定性和离子电导率。与Al_(2)O_(3)涂覆隔膜或固态电解质Li_(6.75)La_(3)Zr_(1.75)Ta_(0.25)O_(12)(LLZTO)涂覆隔膜组装的电池相比,组装了PP-LLZNO涂覆隔膜的扣式电池和软包电池的容量保持率分别达到了84.99%(50圈)和57.40%(100圈),展现出更优异的性能。因此,高离子电导率和低成本LLZNO的制备对固态电解质的大规模生产及在固态电池中的广泛应用具有一定的参考意义。

高性能Sb_(2)O_(4)@C/CC锂离子电池复合电极

设计了以碳布(CC)为衬底,在其上生长金属有机框架的衍生物碳骨架(C),然后碳骨架内布局Sb_(2)O_(4)纳米棒,即Sb_(2)O_(4)@C/CC复合电极。Sb_(2)O_(4)@C/CC复合电极具有优异的电化学性能,在0.1 A/g的电流密度下,其初始比容量高达1616.1 mA·h/g,在100次循环后依然可逆,容量保持在1161.5 mA·h/g,接近Sb_(2)O_(4)的理论比容量(1227 mA·h/g),优于已报道的Sb_(2)O_(4)基复合材料。在1 A/g电流密度下,Sb_(2)O_(4)@C/CC电极的放电比容量高达837.2 mA·h/g,经过300次循环后,其容量仍保持在495.5 mA·h/g,接近初始容量的71.5%。在3 A/g的大电流密度下,Sb_(2)O_(4)@C/CC的可逆容量依然保持在311.3 mA·h/g。

Mg^(2+)掺杂对焦磷酸盐Sr_(2)P_(2)O_(7):Eu^(2+)紫色荧光粉的发光性能影响

紫光具有光固化、防伪检测以及光催化净化等特性,在特殊照明领域应用广泛。然而,高性能紫外或者近紫外光用紫色(380~420 nm)荧光粉相对稀缺,极大地制约了紫光照明的进一步发展和应用。焦磷酸盐Sr_(2)P_(2)O_(7)因其合成温度较低、稳定性高等优点,是一种理想的发光材料基质,鉴于此,本文以Sr_(2)P_(2)O_(7):Eu^(2+)紫色荧光粉为研究对象,研究了Mg^(2+)掺杂对样品结构、形貌以及发光性能影响。结果表明,掺杂Mg^(2+)能够显著提升荧光粉的发光性能,同时晶体形貌表面由粗糙转变为光滑,颗粒平均粒径尺寸增大。当Mg^(2+)掺杂浓度为0.45 mol时,Sr1.55Mg0.45P2O7:Eu^(2+)样品在150℃温度下的发光强度维持初始强度的75%,并且拥有88.17%的高量子效率,荧光寿命为0.48μs。这表明(SrMg)2P2O7:Eu^(2+)紫色荧光粉具备在光固化性防伪检测以及光催化净化等领域潜在应用前景。