放电等离子烧结参数对U_(3)Si_(2)芯块力学和热学性能影响的研究

U_(3)Si_(2)是轻水堆中最具前景的事故容错核燃料之一,有望在未来取代UO2核燃料而被广泛使用。目前,采用放电等离子烧结(Spark Plasma Sintering,SPS)技术制备U_(3)Si_(2)芯块的研究已被广泛报道,但SPS参数对芯块性能的影响还尚不明确。本文采用SPS技术制备了U_(3)Si_(2)芯块,并研究了不同烧结温度(1000~1300℃)和压力(30~90 MPa)对芯块的力学和热学性能的影响。利用激光导热仪测量了芯块的热扩散率,并计算出芯块的热导率。通过纳米压痕仪测量芯块的力学性能,包括硬度、杨氏模量和断裂韧性。研究结果表明:所制得的U_(3)Si_(2)芯块热导率在27~700℃范围内均呈现线性增加的趋势,并随着烧结温度和压力的升高而增大;芯块的硬度和杨氏模量随烧结温度升高而增大,且随着压力的升高呈现先增加后平缓的趋势,并在60 MPa趋于平缓;芯块的断裂韧性随烧结温度升高而降低,并随着烧结压力的升高而增大。基于上述结果,提出了优化的SPS参数。本研究将为高性能U_(3)Si_(2)燃料的制备提供参考。

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。

Y_(3)Si_(2)C_(2)掺量对Si_(3)N_(4)陶瓷微观结构与力/热学性能的影响

Si_(3)N_(4)陶瓷具有优异的力学、化学、热学性能,在电子元器件散热与封装领域具有良好的应用前景。为制备高强度、高导热的Si_(3)N_(4)陶瓷,采用Y_(3)Si_(2)C_(2)-MgO二元复合烧结助剂,系统研究了Y_(3)Si_(2)C_(2)掺量与保温时间对Si_(3)N_(4)陶瓷致密度、力学性能及热导率的影响规律,并基于微观结构和物相组成分析阐释了Si_(3)N_(4)陶瓷力/热学性能的优化机制。研究结果表明:随着Y_(3)Si_(2)C_(2)掺量的增加,Si_(3)N_(4)陶瓷试样(保温时间分别为4 h和12 h)的热导率和弯曲强度均呈现先增大后降低的变化规律;保温4 h所制Si_(3)N_(4)陶瓷的弯曲强度主要受致密度的影响,保温12 h所制Si_(3)N_(4)陶瓷的弯曲强度主要受微观结构的均匀度及晶粒尺寸的影响;保温时间的延长有利于气体排出和晶粒生长,从而促进Si_(3)N_(4)陶瓷的致密化及热导率的提升。利用气压烧结(1900℃保温12 h),掺加1.5 mol%的Y_(3)Si_(2)C_(2)可制得致密度为99.0%、热导率为(106.80±2.64)W·m^(−1)·K^(−1)、弯曲强度为(590.21±25.69)MPa的Si_(3)N_(4)陶瓷,其具有优良的力/热学综合性能,有利于提升Si_(3)N_(4)陶瓷封装电子元器件的服役安全性与可靠性。

高分散Ru/Si_(3)N_(4)催化剂的制备及其在CO_(2)加氢中的应用

氮化硅是一种良好的载体,具有较高的水热稳定性和机械稳定性,其表面的氨基基团能够较好地锚定金属,显著提高金属分散度。但是,商品氮化硅比表面积较低,对金属分散作用仍然有限。因此,以自制的高比表面积氮化硅(Si_(3)N_(4))为载体,通过浸渍法制备了不同Ru负载量(质量分数分别为0.5%、1.0%和2.0%)的催化剂(分别为0.5%Ru/Si_(3)N_(4)、1.0%Ru/Si_(3)N_(4)和2.0%Ru/Si_(3)N_(4)),并以商品氮化硅(Si_(3)N_(4)-C)为载体制备了2.0%Ru/Si_(3)N_(4)-C催化剂作为对照组。表征了催化剂的理化性质,测试了其在300℃、0.1 MPa下的CO_(2)加氢反应活性。结果显示,与Si_(3)N_(4)-C相比,Si_(3)N_(4)的比表面积较高(502 m^(2)/g),Si_(3)N_(4)作为载体显著提高了金属分散度,降低了金属粒径,催化剂暴露出更多的活性位点。0.5%Ru/Si_(3)N_(4)的金属粒径较小,展现出强的H_(2)吸附能力,H难以解吸,抑制了中间物种CO加氢生成CH_(4)。随着Ru负载量增加,金属粒径增大,催化剂的CH_(4)选择性更好。Ru/Si_(3)N_(4)系列催化剂中,2.0%Ru/Si_(3)N_(4)的CH_(4)选择性较高(98.8%)。空速为10000 m L/(g·h)时,0.5%Ru/Si_(3)N_(4)的CO选择性为88.2%。与2.0%Ru/Si_(3)N_(4)相比,2.0%Ru/Si_(3)N_(4)-C的金属粒径更大,活性位点较少,活性更低。2.0%Ru/Si_(3)N_(4)和2.0%Ru/Si_(3)N_(4)-C的CO_(2)转化率分别为53.1%和9.2%。Si_(3)N_(4)有效提高了金属分散度,提高了催化剂的CO_(2)加氢反应活性;通过调控Ru负载量控制催化剂金属粒径,可实现对产物CO或CH_(4)选择性的调控。

聚甲基丙烯酸对STI CMP中SiO_(2)和Si_(3)N_(4)去除速率选择比的影响

在浅沟槽隔离(STI)化学机械抛光(CMP)中,需要保证极低的Si_(3)N_(4)去除速率,以及相对较高的SiO_(2)去除速率,并且要达到SiO_(2)与Si_(3)N_(4)的去除速率选择比大于30的要求。在CeO_(2)磨料质量分数为0.25%,抛光液pH=4的前提下,研究了聚甲基丙烯酸(PMAA)对SiO_(2)与Si_(3)N_(4)去除速率以及二者去除速率选择比的影响,分析了PMAA在影响SiO_(2)与Si_(3)N_(4)去除速率过程中的作用机理。结果表明,PMAA的加入可以降低SiO_(2)与Si_(3)N_(4)的去除速率,当PMAA的质量分数为120×10^(-6)时,SiO_(2)和Si_(3)N_(4)的去除速率分别为185.4 nm/min和3.0 nm/min,去除速率选择比为61。抛光后SiO_(2)与Si_(3)N_(4)晶圆表面有较好的表面粗糙度,分别为0.290 nm和0.233 nm。

LaRu_(3)Si_(2)中电子关联效应对完美笼目晶格和铁磁涨落的影响

一个完美的笼目晶格具有平带,这通常会导致强烈的电子关联效应,但是电子关联效应如何反过来稳定一个完美的笼目晶格却很少被探索。在本文中我们利用密度泛函理论结合U和动力学平均场理论,研究了由纯Ru离子组成的具有畸变笼目晶格的超导(T_(c)~7.8 K)笼目金属LaRu_(3)Si_(2)。我们发现,增加电子关联性可以稳定一个完美的笼目晶格,并在LaRu_(3)Si_(2)中诱导可观的铁磁涨落。通过将计算得到的磁化率与实验数据进行比较,我们发现LaRu_(3)Si_(2)正处于成为完美笼目晶格的边缘。因此,LaRu_(3)Si_(2)显示了可观的但不可忽略的电子关联效应和铁磁涨落,这对于理解实验观察到的非费米液体行为和相当高的超导转变温度是至关重要的。

B4C对Si3N4/Si_(2)N_(2)O结合SiC材料抗热震性能的影响

首先以Si粉、SiO_(2)微粉为原料,先在700℃空气气氛处理,然后在1400℃氮气气氛下合成Si_(2)N_(2)O,研究了B_(4)C添加量(外加质量分数分别为0、1.0%、2.0%、3.0%、4.0%)对Si_(2)N_(2)O合成效果的影响。然后根据B_(4)C最优加入量,先在700℃空气气氛保温5 h,然后在1400℃氮气气氛保温5 h制备了Si_(3)N_(4)/Si_(2)N_(2)O结合SiC试样。采用1300℃风冷5次后试样的抗折强度保持率评价其抗热震性,分析了热震前后试样的物相组成和显微结构。结果表明:1)合成Si_(2)N_(2)O的B_(4)C最优添加量为3%(w);在700℃空气处理时,B_(4)C优先和气氛中O_(2)反应生成液相B2O3,为1400℃氮气气氛生成板片状Si_(2)N_(2)O提供充足液相。2)风冷热震后,添加B_(4)C的试样中Si_(2)N_(2)O结合相保持完整,强度保持率由未添加时的67.5%提高至88.5%;同时,生成的B2O3发生碳热还原氮化反应,生成导热性好、具有自润滑特性的BN,改善其抗热震性,并在使用过程中继续为Si_(3)N_(4)/Si_(2)N_(2)O结合SiC材料提供保护。

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。

Al^(3+)掺杂对Ca_(3)(Zr,Ti)Si_(2)O_(9):Bi^(3+)蓝色荧光粉发光性能的影响

文章通过高温固相法成功制备出了Ca_(3)(Zr,Ti)Si_(2)O_(9):Bi^(3+),Al^(3+)系列荧光粉,其发射峰位于420 nm,对应Bi^(3+)离子的6s→6p跃迁。采用Al3+离子替代的实验策略,优化了荧光粉的发光性能。发现Al3+离子的掺入使晶体颗粒分布均匀,荧光粉的发射强度增强,量子效率有效提高、荧光寿命减小。通过高斯拟合分析Bi^(3+)离子在该荧光粉中的格位占据情况发现Bi^(3+)离子占据两种不同Ca^(2+)的格位,而Al^(3+)离子的掺入,减小Bi3+离子发光中心之间的临界距离,以及促进Bi^(3+)离子格位-格位之间的能量转移,导致荧光粉的临界浓度减小。通过色坐标计算表明荧光粉的色纯度也有效提高。研究表明,阳离子替代的实验策略能够成功优化荧光粉的发光性能,在促进植物光合作用的LED照明器件中具有潜在应用价值。

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

目前1.5μm 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。随着激光器输出能量和重频的增加,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大脉冲能量和更高重频的激光输出。文中报道了一种采用LD脉冲端面泵浦、铒镱共掺焦硅酸镥晶体为增益介质的1537 nm被动调Q微型激光器。通过优化泵浦光斑大小、输出镜透过率与调Q晶体初始透过率相匹配,实现激光输出重频与泵浦重频一致。最终实现了输出重频为1 kHz、单脉冲能量35μJ、脉冲宽度7 ns、峰值功率为5 kW、光束质量因子M^(2)=1.33的激光输出。以及输出重频为10 kHz、单脉冲能量10μJ、脉冲宽度10 ns、峰值功率为1 kW、光束质量因子M^(2)=1.51的激光输出。结果表明,Er^(3+)/Yb^(3+):Lu_(2)Si_(2)O_(7)晶体是实现高重频1.5μm激光输出的优良介质。文中研究结果对LD脉冲端面泵浦的kHz铒镱共掺晶体被动调Q人眼安全微片激光器具有重要的参考意义。

粉末尺寸对等离子喷涂Na_(3)Zr_(2)Si_(2)PO_(12)电解质成分和组织结构的影响

全固态钠离子电池由于安全性和元素丰度等天然优势,在大规模储能领域具有巨大的应用潜力。全固态电池的核心是固态电解质,NASICON型的Na_(3)Zr_(2)Si_(2)PO_(12)(NZSP)电解质因为离子电导率高、热稳定性与力学性能优异等优点而受到广泛关注。本研究采用大气等离子喷涂沉积单个NZSP扁平粒子和沉积体,系统研究了粉末粒度分布和喷涂参数对NZSP粒子元素蒸发和沉积体组织结构的影响。通过沉积单个粒子,揭示了等离子喷涂参数对NZSP粉末粒子的熔化程度和Na、P元素优先蒸发的影响规律。结果表明,等离子电弧功率与氢气流量对其蒸发影响显著,元素蒸发损失量存在明显的粒子尺寸效应,粒径小于约35μm时,随粒径的减小,Na与P的蒸发损失量显著增加,当粒径增加至35μm以上时,Na与P的蒸发损失量受粒径的影响显著减小且整体损失量也有限;通过对粒径范围的控制能够将等离子喷涂过程中Na元素的损失量控制在10%以下,P元素损失量控制在20%以下。采用粒径范围30~50μm的NZSP粉末,结合大气等离子喷涂参数控制可以得到无明显层状结构的良好层间结合的组织结构致密电解质,表明大气等离子喷涂在全固态钠离子电池固态电解质的制备中具有广阔的应用前景。

U_(3)Si_(2)核燃料孔隙演化的三维相场模拟

U_(3)Si_(2)较UO_(2)具有更高的热导率和铀密度,故被考虑用作UO_(2)的耐事故替代燃料。然而U_(3)Si_(2)燃料在辐照过程中产生大量的点缺陷易簇聚成孔隙或气泡导致肿胀,影响燃料的服役性能和寿命。本文采用三维相场方法研究了裂变密度对U_(3)Si_(2)燃料孔隙演化的影响。结果表明:孔隙平均半径〈R〉与裂变密度F_(D)幂律相关,满足关系式〈R〉∝F^(z)_(D),幂指数z为0.45;孔隙尺寸分布呈对数正态分布,与裂变密度无关。孔隙平均尺寸随裂变密度的增加而变大,大致在2~20 nm范围内。空位数量、孔隙率、肿胀率和裂变密度呈正相关,孔隙浓度随裂变密度迅速增加后缓慢减少至稳定值。当裂变密度为14×10^(20)cm^(-3)时,孔隙浓度约为1.6×10^(16)cm^(-3),孔隙率约为0.1,燃料体积的肿胀率不超过3%。模拟结果与实验值吻合较好。

Al_(2)O_(3)对Si_(3)N_(4)结合SiC材料抗氧化和抗碱侵蚀性的影响

研究了添加 0～ 8%Al2 O3对烧成Si3N4结合SiC耐火材料的显微结构、抗氧化和抗碱侵蚀能力的影响。借助XRD、SEM及光学显微镜观察发现 :添加Al2 O3通过氮化反应烧结使得材料基质中的Si3N4由纤维状Si3N4向柱状Sialon相转化 ,显微结构更加致密。 4# 试样中的Al2 O3加入量对提高Si3N4结合SiC耐火材料的抗氧化和抗碱侵蚀性的作用已极其明显。

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。

La_(2)O_(3)含量对气压烧结Si_(3)N_(4)陶瓷耐磨性的影响

随着Si_(3)N_(4)陶瓷越来越多地成为航天、冶金、机械制造等领域的耐磨关键零部件,高韧性、高耐磨性成为Si_(3)N_(4)陶瓷的关键性能指标,而烧结剂的成分与配比是影响Si_(3)N_(4)陶瓷性能的决定性因素。基于Y_(2)O_(3)-Al_(2)O_(3)烧结助剂体系,通过添加不同含量La_(2)O_(3),采用气压烧结制备了不同性能的Si_(3)N_(4)陶瓷,分析了烧结助剂La_(2)O_(3)含量对Si_(3)N_(4)陶瓷的显微结构、致密度以及力学性能的影响。研究发现,随着La_(2)O_(3)含量的增加,Si_(3)N_(4)陶瓷的致密度会随之增大,最高可达到99.6±0.12%;而断裂韧性呈现出先升高、后降低的趋势,硬度则呈现先降低、后增加的趋势。当La_(2)O_(3)含量达到4 wt.%时,Si_(3)N_(4)陶瓷中生成第二增强相La3Si8O4N11,试样的维氏硬度(HV)达到1590±20,断裂韧性达到5.58±0.11 MPa·m^(1/2)。在法向载荷为30 N、滑动频率为3 Hz、滑动距离为4 mm的摩擦磨损条件下,磨损率为2.99×10^(-4) mm^(3)/(N·m)。

理想拉伸/剪切应变对U_(3)Si_(2)化学键键长及电荷密度分布影响的第一性原理研究

2011年福岛核事故之后,U_(3)Si_(2)作为可代替UO_(2)的核燃料被预测为重要的耐事故燃料.近年来的研究结果表明,U_(3)Si_(2)作为耐事故燃料的候选材料,其在微观尺度上进行的模拟还不够深入.在宏观尺度上不足以建立燃料数据库和模型来有效预测U_(3)Si_(2)的一些性能.因此,采用第一性原理计算U_(3)Si_(2)核燃料的一些物理化学数据受到了广泛关注.在之前的工作中,我们采用第一性原理计算拉伸/剪切实验(FPCTT/FPCST)的方法预测了U_(3)Si_(2)在几个低指数晶面/晶向上的理想强度.然而,并未对U_(3)Si_(2)的断裂行为进行过多的解释.因此,本论文通过论述理想拉伸/剪切应变对U_(3)Si_(2)化学键键长及电荷密度分布影响,分析了U_(3)Si_(2)在这几个低指数晶面/晶向上的断裂行为.结果表明:U_(3)Si_(2)在理想拉伸应变的作用下,晶体的破坏主要受化学键变化的影响,而在剪切应变的作用下应变能或应力的突然下降,可能与U_(3)Si_(2)的应变诱导结构相变有关.

Na_(3)Zr_(2)Si_(2)PO_(12)固态电解质研究进展

钠离子电池具有资源丰富、能量密度高等优点,使用固态电解质的固态钠电池兼具高安全性成为研究热点。固态电解质是超离子导体,是固态电池关键材料。Na_(3)Zr_(2)Si_(2)PO_(12)是钠超离子导体(NASICON)中最具代表性的固态电解质材料。总结了Na_(3)Zr_(2)Si_(2)PO_(12)材料的结构、离子传输机制及其相互关系,旨在从机理上理解Na_(3)Zr_(2)Si_(2)PO_(12)固态电解质中钠离子传输性能;总结了主要制备方法,指出了不同方法的优缺点;在提升离子电导率方面,对合成工艺、掺杂、界面因素进行了总结,力求归纳和探索合成高性能钠离子固态电解质的途径。

Y_(2)O_(3)对高热导率Si_(3)N_(4)陶瓷显微结构和性能的影响

以氧含量相对较高的“平价”Si_(3)N_(4)粉体(氧含量1.85%(质量分数))为原料,Y_(2)O_(3)-MgO作为烧结助剂,制备低成本高热导率Si_(3)N_(4)陶瓷,研究Y_(2)O_(3)含量对Si_(3)N_(4)陶瓷致密化、显微结构、力学性能及热导率的影响。结果表明,适当增加Y_(2)O_(3)的加入量不仅可以促进Si_(3)N_(4)陶瓷的致密化和显微结构的细化,还有助于晶格氧含量的降低和热导率的提升。Y_(2)O_(3)含量为7%(质量分数)的样品在1900℃烧结后的综合性能最佳,其相对密度、抗弯强度、断裂韧性和热导率分别为99.5%、(726±46)MPa、(6.9±0.2)MPa·m^(1/2)和95 W·m^(-1)·K^(-1)。

添加TiO_(2)对Si_(3)N_(4)陶瓷刀具切削性能的影响

通过气压烧结制备添加质量分数5%TiO_(2)的Si_(3)N_(4)陶瓷并制成刀具,研究了TiO_(2)对其显微组织、力学性能和切削性能的影响,并与未添加TiO_(2)烧结Si_(3)N_(4)陶瓷作对比。结果表明:添加TiO_(2)烧结Si_(3)N_(4)陶瓷主要由长棒状与等轴状的β-Si_(3)N_(4)晶粒组成,并伴有均匀分布的TiN相,与未添加TiO_(2)烧结Si_(3)N_(4)陶瓷相比,晶粒得到细化,硬度上升而断裂韧度略有下降;在连续切削灰铸铁过程中,添加TiO_(2)的Si_(3)N_(4)陶瓷刀具具有更长的切削寿命(有效切削长度为2410 m),并且保持了刃口的完整性,切削后黏着磨损碎片较小。

Ca_(1-3x/2)Al_(2)Si_(2)O_(8):xEu^(3+)荧光粉的发光和光温传感特性

为了探究稀土离子掺杂铝硅酸盐的光温特性,本文采用燃烧合成法制备了系列荧光粉材料Ca_(1-3x/2)Al_(2)Si_(2)O_(8):xEu^(3+)。X射线衍射结果表明掺杂Eu^(3+)离子不会改变基质CaAl_(2)Si_(2)O_(8)的晶体结构。荧光光谱结果表明该荧光粉在近紫外光区域具有较强吸收,当被波长为393 nm的近紫外光激发后,其最大特征发射峰为611 nm,且Eu^(3+)离子的最佳掺杂浓度为0.05。利用上升时间测温法研究了CaAl_(2)Si_(2)O_(8):Eu^(3+)荧光粉的光温传感特性,结果表明:随着Eu^(3+)掺杂浓度的增加,上升时间单调递减,但当掺杂掺杂超过0.100时就会发生淬灭。Ca_(0.98)5Al_(2)Si_(2)O_(8):0.01Eu^(3+)的相对灵敏度随温度的升高先增大后减小,并在520 K时达到最大值(0.024 K^(-1))。上述研究表明该荧光粉具备优异的温度传感性能,在测温领域具有广泛的应用前景。