ZrO_(2)(AlN)/h-BN复合陶瓷性能研究及超重力凝固坩埚研制

凝固是制备材料很基本的成型技术之一,但超重力凝固时,高转速产生的离心力克服合金熔体在坩埚孔隙处产生的表面张力,极易在超重力凝固过程中发生熔体渗漏或坩埚破碎,导致实验失败。本工作采用热压烧结工艺制备ZrO_(2)/h-BN和AlN/h-BN复合陶瓷,测试其物理和力学性能,择优选材加工成坩埚。结果表明,AlN/h-BN的热导率优于ZrO_(2)/h-BN,其高温压缩强度明显高于ZrO_(2)/h-BN。基于超重力凝固时坩埚损伤的力学分析,选用低密度、高热导率、高压缩强度的AlN/h-BN制备坩埚,通过50炉超重力凝固实验,验证其性能满足超重力凝固的需要。

h-BN中子探测器制备及中子响应

h-BN具有高的反应截面和高效率直接探测中子的优势,在中子探测技术领域具有潜在的应用场景。分析了三步脱氢法生长h-BN的低气压化学沉积机理,对于生长高质量的h-BN晶体,氨硼烷前驱体的升华温度是一个重要的参数。通过优化氨硼烷前驱体的升华温度,利用LPCVD外延生长技术在蓝宝石衬底上外延生长了高质量的h-BN。XRD表征技术表明,优化氨硼烷前驱体的升华温度能够显著改善h-BN晶体质量。利用半导体制备工艺在h-BN上完成了中子探测器的制备,在中子源照射下,在不同的氨硼烷升华温度下,获得了单个中子的电信号。中子响应测试结果表明,当设定温度分别为165℃和170℃时,获得了2.088 V和2.16 V的电压信号,电荷收集效率分别达到了87%和90%,实验中所测量的电压值与理论预期值呈现出良好的一致性。本实验结果对未来晶圆级和高质量h-BN晶体生长提供了实验数据,并为h-BN中子探测器大规模商业化应用提供关键的技术支撑。

基于密度泛函理论下O和Na掺杂单层h-BN的电子结构和光学性质的分析

基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了O、Na单掺杂及O和Na共掺杂单层h-BN的形成能、电子结构和光学性质.结果表明:单掺杂体系中,O掺杂N位置、Na掺杂B位置时,掺杂形成能最低;共掺杂体系中,O和Na邻位掺杂,掺杂形成能最低.与单层h-BN相比,引入杂质原子后的体系禁带宽度均减小,其中O掺杂为n型掺杂,Na掺杂为p型掺杂,而O和Na共掺h-BN体系为直接带隙材料,有利于提高载流子的迁移率.在光学性质方面,Na掺杂h-BN体系与O和Na共掺h-BN的静介电常数均增大,在低能区介电虚部和光吸收峰均发生红移,其中Na掺杂体系红移最为显著,极化能力最强.因此Na单掺和O和Na共掺有望增强单层h-BN的光催化能力,可扩展其在催化材料、光电器件等领域的应用.

激光熔覆Ni/h-BN涂层的制备及摩擦学性能

Ni/h-BN是一种优良的高温固体润滑剂,h-BN较差的可烧结性以及其同金属材料润湿性差等缺点限制了其进一步的应用。目前封严涂层的性能研究注重涂层零件在工作温度(高温)时的摩擦学性能,而航空发动机涂层的转子对象件与封严涂层进行刮磨时主要还是室温条件下,而对室温下Ni/h-BN涂层摩擦学性能研究不足。对使用激光熔覆制备Ni/h-BN涂层进行了室温下摩擦学性能探究,再结合激光熔覆涂层的表面形貌,工艺参数功率为500 W、扫描速度为350 mm/min是最佳熔覆工艺。Ni/h-BN复合涂层与Si3N4陶瓷球配副,载荷3 N,滑动速度分别为0.10、0.15、0.20、0.25 m/s。在室温条件下对摩240 m下,Ni/h-BN涂层的磨损率在10-4 mm^(3)/(N·m)且随着滑动速度的增大而逐渐降低。

含h-BN的钛合金激光熔覆自润滑耐磨涂层的摩擦学行为

为提高Ti6Al4V合金的摩擦学性能,采用激光熔覆技术在钛合金表面制备以Ti C、Ti B2、Cr B等为增强相、γ-Ni基固溶体为增韧相、h-BN为固体润滑相的自润滑耐磨复合涂层;分别在不同载荷下测试复合涂层和Ti6Al4V合金基体的干滑动磨损性能。结果表明,该复合涂层的摩擦因数及磨损率随着载荷的增大呈现先减小后略增大的趋势,并且摩擦因数和磨损率均比Ti6Al4V合金基体显著降低;在中等载荷下,复合涂层中的润滑颗粒被挤出磨损表面形成润滑膜,因而具有较好的自润滑耐磨性能,磨损后表面光滑平整。

h-BN/Si_3N_4陶瓷复合材料的断裂行为及断裂韧性

以亚微米级α-Si3N4和h-BN粉末为原料,Y2O3-Al2O3为助烧剂,采用热压烧结制备了h-BN/Si3N4陶瓷复合材料.研究3h-BN含量对h-BN/Si3N4陶瓷复合材料断裂韧性及其断裂行为的影响.结果表明:随着h-BN含量增加,柱状β-Si3N4晶粒的直径和长径比均下降;未加h-BN时,β-Si3N4陶瓷以沿晶断裂为主,添加体积含量为6%和8%的h-BN后,复合材料出现明显的沿晶和穿晶断裂,而添加10%h-BN的陶瓷复合材料则以沿晶断裂为主.随着h-BN含量增加,h-BN/Si3N4陶瓷复合材料的断裂韧性下降,但由于h-BN颗粒对裂纹扩展的影响,因而其下降程度不大.

高压气-固自蔓延高温合成h-BN-SiO_2陶瓷材料的研究

采用高压气-固自蔓延高温合成法制备了密度为179g／cm3的h－BN－SiO2陶瓷，其抗弯强度和硬度分别为76MPa和212（HV），分析了氮气压力和初始孔隙率对反应物点燃和产物的影响，结果发现在适当的初始孔隙率和氮气压力条件下可以得到没有裂纹的产物．产物中的片状h－BN颗粒为各向同性，高的氮气压力导致h－BN颗粒尺寸较大，同时发现产物中SiO2以玻璃相的形式存在于晶相B7O的边缘，B7O的产生与原料SiO2及其氧化物杂质有关．

高压气-固燃烧合成h-BN-SiO_2和h-BN陶瓷材料的研究

采用高压气 -固燃烧合成法制备了密度为 1.79g/ cm3的 h- BN- Si O2 陶瓷和密度为 1.70 g/ cm3的 h- BN陶瓷 ,抗弯强度分别为 76 MPa和 42 .8MPa,硬度分别为 2 12 (HV)和 10 8(HV)。分析了氮气压力和初始孔隙率对反应物燃烧和产物的影响 ,结果发现在适当的初始孔隙率和氮气压力条件下 (对于 h- BN- Si O2 :48%≤ρ≤ 5 2 % ,75 MPa≤ P≤ 85 MPa;对于 h- BN:48%≤ ρ≤ 5 2 % ,95 MPa≤ P≤ 110 MPa)可以得到无裂纹的产物。产物中的片状 h- BN颗粒为各向同性 ,高的氮气压力导致 h- BN颗粒尺寸增大 ,同时发现 h- BN- Si O2 产物中 Si O2 以玻璃相的形式存在于晶相B7O的边缘 ,B7O的产生与原料 Si O2

导热绝缘h-BN/MVQ/EVA复合材料的双逾渗效应（英文）

将h-BN加入到MVQ和EVA混合物中制备导热绝缘h-BN/MVQ/EVA复合材料,SEM结果表明h-BN选择性分布在EVA,与杨氏方程理论一致。h-BN/MVQ/EVA复合材料中的双逾渗效应,有助于力学性能和导热性能的提升。h-BN/MVQ/EVA复合材料的热导率与h-BN含量和MVQ/EVA比值有关。当EVA质量分数为30%时,h-BN/MVQ/EVA复合材料热导率的相对值最大。h-BN/MVQ/EVA复合材料的拉伸强度和断裂伸长率与EVA含量有关,随着EVA和h-BN含量的增加,复合材料的介电常数降低。

TiB_2/WC/h-BN纳微米复合梯度自润滑陶瓷材料的设计与制备

以纳米TiB2和微米TiB2为基体,WC为增强相,h-BN为固体润滑剂,采用热压工艺制备了TiB2/WC/h-BN纳微米复合梯度自润滑陶瓷材料,并测量了其力学性能。结果表明:与均质TiB2/WC/h-BN微米自润滑陶瓷材料相比,其抗弯强度、断裂韧性与硬度分别提高了15.8%、6.7%和11.1%。用压痕法测量得到材料内部的残余应力,其应力值呈明显的阶梯变化趋势,且关于中间层对称分布,材料表层存在残余压应力,可有效提高材料力学性能与使用性能。显微结构观察显示,TiB2/WC/h-BN纳微米复合梯度自润滑陶瓷材料晶粒细小、均匀,纳米TiB2颗粒分布均匀,材料断裂模式为典型的穿晶/沿晶混合断裂模式。

钛合金表面激光熔覆h-BN固体润滑涂层

目的优化钛合金激光熔覆固体润滑涂层的熔覆工艺参数,提高钛合金表面耐磨性能。方法采用Nd∶YAG激光器,分别在高功率和低功率条件下,在TC4钛合金表面制备h-BN固体自润滑涂层。观察分析熔覆陶瓷层的宏观形貌、物相组成、显微组织和硬度,采用摩擦磨损试验仪对熔覆层的摩擦学性能进行研究。结果低激光功率下,熔覆材料上浮流失严重,熔覆层的相成分主要是Ti N,Ti B,Ti B2等硬质相,硬度较高,存在裂纹。高激光功率下,基材的熔化稀释较好地抑制了润滑相h-BN的上浮,减少了溅射损失,发生了包晶反应,生成了单质金属Ti,熔覆层硬度低,但摩擦磨损试验表明,涂层中润滑相h-BN含量的增加使得形成了更好的润滑膜,降低了摩擦系数。结论在输出电流400 A,脉宽5 ms,频率12Hz,扫描速度120 mm/min,搭接率50%∽60%的条件下进行激光熔覆,所得熔覆层的表面状态平整,耐摩擦性能最好。

介质衬底上生长h-BN二维原子晶体的研究进展

六方氮化硼(h-BN)二维原子晶体以其独特的结构、优异的性质以及广泛的应用前景引起了人们的普遍关注。高质量h-BN材料的制备是其性质研究与实际应用的前提。机械剥离的h-BN尺寸有限,普遍采用的化学气相沉积(CVD)技术通常以过渡金属为衬底,器件应用时需要将h-BN转移到其它衬底上。因此,在介质衬底上直接生长h-BN成为二维材料研究领域的一个重要发展方向。本文总结了近年来介质衬底(包括:Si基衬底、蓝宝石衬底和石英衬底等)上直接生长h-BN二维原子晶体的主要进展。人们采用CVD、金属有机气相外延法(MOVPE)、物理气相沉积法(PVD)等方法,通过提高生长温度、衬底表面处理、两步生长等工艺实现了介质衬底上直接生长h-BN。此外,还介绍了介质衬底上h-BN二维原子晶体的主要应用。

第一性原理研究c-BN和h-BN的弹性性质与电子结构

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法对c-BN和h-BN的弹性性质和电子结构进行理论计算,通过Voigt-Reuss-Hill方法计算得到多晶体的体模量、切变模量及杨氏模量.结果表明:c-BN和h-BN的弹性模量分别为913 GPa和239 GPa,切变模量分别为409 GPa和98 GPa,硬度分别为67和16 GPa.K/G和泊松比均表明2种化合物具有很大的脆性.同时,根据计算得到的2种化合物的电子结构图进一步分析了二者弹性性质的差异.

二维h-BN材料p型可掺杂性研究

掺杂对提高半导体材料的载流子浓度,改善半导体器件性能具有关键意义。理论上,通过计算带电缺陷形成能和电荷转移能级可以预测半导体材料中的p型掺杂是否容易实现。本文基于广义梯度近似理论,利用第一性原理方法,结合二维带电缺陷校正技术,并使用维也纳第一性原理计算软件(VASP)系统计算了二维六方氮化硼(h-BN)中的几种掺杂体系,包括X B体系(X=Be,Mg,Ca,Sr)和Y N体系(Y=C,Si,Ge)共7种潜在的p型掺杂体系的缺陷性质。计算结果表明,SiN缺陷的受主离子化能为0.8 eV,表现为准浅能级受主,而其它6种缺陷均为深能级受主,无法为h-BN提供有效p型载流子。SiN具有较高的缺陷形成能,因而只能靠离子注入等非平衡方式掺入到h-BN中。

Al_2O_3/h-BN自润滑复相陶瓷烧成工艺的探讨

通过探讨烧成方法和烧成温度对Al2O3/h-BN自润滑复相陶瓷物相组成、显微结构的影响,结果表明:常压烧成时,材料很不致密;热压烧成时由于压力和液相的共同作用,可以破坏片状h-BN长大时形成的卡片房式结构,促使片状h-BN定向排列,缩小材料的孔隙率,提高了材料的致密度。由于h-BN的卡片房式结构的阻碍,Al2O3/h-BN自润滑复相陶瓷材料较难烧结致密,需要高温热压烧成,烧成温度初步确定在1700～1800℃之间。

h-BN-Cu夹层化合物的量子化学研究

本文用量子化学从头算方法 ,在 6 -31G 基组水平上对h -BN -Cu进行了几何全优化 ,得到了与实验一致的结构参数 .然后利用优化几何 ,在 3-2 1G 基组水平上对h-BN -Cu夹层化合物的结构单元作了单点计算 .从层间距 ,原子净电荷 ,稳定化能 ,Mulliken重叠布居的角度定量分析了h -BN -Cu夹层化合物的结构特点 ,结果表明h -BN -Cu夹层化合物中Cu与h -BN间键合很弱 ,在外界作用下Cu很容易离去 。

脉冲电沉积Ni-P/BN(h)复合镀层的组织结构与性能

目前,鲜见对Ni-P/Bn(h)复合电沉积层的制备及其性能的研究报道。在Q235钢表面脉冲电沉积了Ni-P/BN(h)复合镀层,并于400℃热处理80 min,对热处理镀层的组织结构、显微硬度、耐蚀性能和摩擦学性能进行了分析测试。结果表明:镀态复合镀层为非晶态结构,400℃热处理后发生晶化,显微硬度显著提高,达到907.5 HV2 N;在3.5%NaCl和10%H2SO4腐蚀介质中,镀层几乎未发生全面腐蚀;镀层在干摩擦条件下表现出良好的减摩耐磨性能,低载时为轻微磨粒磨损,随载荷增大表现为磨粒磨损和黏着磨损的混合磨损机制。

纳米SiO_2包覆片状微米h-BN复合粉体的制备与表征

利用Stber法,以氨水为催化剂,通过正硅酸乙酯(TEOS)的水解与缩合反应,在片状微米六方氮化硼(h-BN)表面包覆一层纳米球形二氧化硅(Si O2),制备出一种以h-BN为核、SiO_2为壳的h-BN@SiO_2核壳结构复合粉体。采用XRD、SEM、EDS和TEM分别对包覆前后粉体进行表征,结果显示由球形纳米SiO_2组成的包覆层完整、致密,且与h-BN基体结合紧密、牢固。研究了TEOS与氨水添加方式对包覆效果的影响,结果表明先将氨水添加至h-BN的乙醇悬浮液中,然后分次缓慢逐滴向其中添加TEOS,每次滴加完成后间隔一段时间再进行下一次滴加得到的包覆效果最佳。

h-BN含量对模压技术制备C/C-BN复合材料摩擦性能的影响

以h-BN、石墨、短切炭纤维和树脂等为原料,采用模压技术＋浸渍/炭化技术制备4种C/C-BN复合材料,并在M2000型试验相同测试其与40Cr钢配副时的滑动摩擦性能。结果表明：h-BN质量分数分别为3.4%和20.7%的材料的抗压强度较高,其摩擦因数随载荷增加均先增加后降低;h-BN为6.8%的材料的摩擦因数降幅最大,达0.049;而h-BN为10.1%的材料的抗压强度最低,其摩擦因数呈现波浪状起伏。随载荷增加,h-BN为3.4%和20.7%的材料的体积磨损增幅较低;而h-BN为6.8%的材料的体积磨损增幅最大,达2.41 mm3。随着时间的延长,4种材料的摩擦因数均逐渐稳定。SEM观察表明：h-BN为3.4%的材料的摩擦表面在中低载荷下较完整致密、但有长度与石墨微晶尺寸接近（10~50μm）的网络状裂纹,摩擦表面在高载荷下则较粗糙;而h-BN为10.1%的材料的摩擦表面均较粗糙、不完整。

h-BN陶瓷的制备与抗冲击性能研究

采用硼粉在流通氮气气氛下反应烧结制备了六方氮化硼(h-BN)陶瓷。采用分离式霍布金森压杆对该材料在0.8×10^3-1.6×10^3s^-1高应变率下的动态压缩响应进行了研究。研究结果表明,随着应变速率的增加,h-BN陶瓷的动态破坏强度和应变均不断增加;h-BN陶瓷的动态加载模式分为非弹性变形区、快速加载区和破坏区,且h-BN陶瓷的动态失效模式与其应变率有关。