CeO_(2)/MoSi_(2)改性ZrB_(2)-SiC陶瓷的烧结性能及耐烧蚀性能

无压烧结ZrB_(2)-SiC陶瓷可制备复杂形状构件,但致密化难且耐烧蚀性能有待提高,因此亟需研究能够改善陶瓷致密化的有效烧结助剂。本文采用CeO_(2)和MoSi_(2)为烧结助剂,在1850℃无压烧结1 h条件下制备了ZrB_(2)-SiC陶瓷,研究了CeO_(2)和MoSi_(2)对ZrB_(2)-SiC陶瓷烧结性能和耐烧蚀性能的影响。结果表明,当5%(体积分数)的烧结助剂中CeO_(2)和MoSi_(2)体积比为1∶1时,ZrB_(2)-SiC陶瓷的烧结性能、耐烧蚀性能最佳。烧结助剂在烧结过程中形成Ce-Mo液相,陶瓷颗粒在液相的表面张力下重排和传质,Ce-Mo液相促进陶瓷颗粒在毛细力下形成烧结颈,填充于陶瓷颗粒的间隙中,并在降低陶瓷晶粒的晶界能时促进致密化进程,最终获得无压烧结密度为5.02 g/cm^(3)、相对密度为89.71%、维氏硬度为14.04 GPa的ZrB_(2)-SiC陶瓷。相对于未添加烧结助剂时,实际密度提高了53%,维氏硬度提高了43%。在烧蚀过程中,烧结助剂适量补充SiO_(2)后可促进黏度适宜的玻璃相自愈合,并提高ZrO_(2)的稳定性,使ZrB_(2)-SiC陶瓷具有最好的耐烧蚀性能,此时ZrB_(2)-SiC陶瓷质量烧蚀率为-1.62 mg/s,线烧蚀率为0.33μm/s。

TiO_(2)添加量对SiC多孔陶瓷物相组成及性能的影响

为制备同时具有高气孔率和高强度的硅结合SiC多孔陶瓷,以α-SiC粉、单质Si粉及TiO_(2)粉为主要原料,在氩气气氛下经1400℃保温3 h制备SiC多孔陶瓷,探究TiO_(2)添加量(加入质量分数分别为0、2%、4%、8%)对材料物相组成、显微形貌、孔径分布及主要物理性能的影响。结果表明:随TiO_(2)添加量的增加,单质Si的衍射峰逐渐消失,材料中检测到Ti_(3)O_(5)及TiSi_(2)物相,伴随着新相的生成,SiC颗粒间结合更加紧密,其显气孔率及平均孔径减小,力学性能显著提升。当TiO_(2)添加量为8%(w)时,材料具有优异的综合性能,其显气孔率、常温抗折强度及平均孔径分别为33.6%、29.6 MPa和0.27μm。

原位纳米(TiB_(2)+ZrB_(2))颗粒与Sb协同增强A356铝合金微观组织与力学性能

在A356铝合金中同时引入原位纳米颗粒(TiB_(2)+ZrB_(2))和元素Sb,通过纳米颗粒对基体的强化和Sb提高颗粒分散性所产生的协同作用来提高材料的力学性能。结果表明,单独引入(TiB_(2)+ZrB_(2))颗粒会细化α-Al基体,减小二次枝晶臂间距,但复合材料内部存在严重团聚现象,不利于性能的提高。在此基础上引入Sb,降低纳米颗粒与Al基体间的界面能,纳米颗粒的团聚现象得到显著改善。原位纳米(TiB_(2)+ZrB_(2))颗粒和Sb的协同引入使复合材料的强度和塑性较A356基体大幅提高,当(TiB_(2)+ZrB_(2))和Sb的引入量分别为3%和0.6%(质量分数)时,铸态复合材料的抗拉强度、屈服强度和伸长率分别达到216.4 MPa、119.7 MPa和7.2%,相较A356基体的性能分别提高29.7%、23.5%、84.6%。

2D-SiC_(f)/SiC复合材料层间Ⅰ型断裂试验及表征

二维编织碳化硅纤维增强碳化硅复合材料(2D-SiC_(f)/SiC)在航空领域中得到广泛使用,然而该材料层间强度低,使其易萌生层间裂纹,引起分层破坏。为此,本工作采用楔形双悬臂梁法(W-DCB)和悬臂梁法(DCB)开展了层间Ⅰ型断裂试验,获得了2D-SiC_(f)/SiC的层间裂纹驱动的加载数据,得到了其裂纹端口张开力及张开位移变形曲线。在试验加载过程,通过光学显微镜监测了视觉裂纹扩展过程,探究了2D-SiC_(f)/SiC的层间I型裂纹扩展规律。结合理论分析和裂纹视觉特征解释了加载曲线拐点及其他特征点的断裂力学含义。利用扫描电子显微镜分析了2D-SiC_(f)/SiC的层间断面特征,揭示了断面分层裂纹扩展机制。结果表明:W-DCB方法测量的2D-SiC_(f)/SiC层间Ⅰ型初始能量释放率与DCB方法等效;2D-SiC_(f)/SiC层间Ⅰ型断裂过程中,裂纹端口变形曲线的多峰性不符合经典线弹性断裂力学预测的加载峰后特征,反映了2D-SiC_(f)/SiC层间约束关系的复杂性;层间断面为结构性非完全损伤,发生了局部纤维桥连现象。

骨料种类对铁水包用Al_(2) O_(3)-SiC-C砖性能的影响

骨料作为耐火材料的重要组成部分,决定着材料的各项性能。分别以粒度均为5~3、3~1和≤1 mm的高铝矾土、电熔棕刚玉、板状刚玉为骨料,以电熔白刚玉(≤0.045 mm)、SiC(≤0.075 mm)、活性α-Al_(2)O_(3)微粉(≤0.045 mm)和鳞片石墨(≤0.15 mm)等为基质,以热固性酚醛树脂为结合剂制备了Al_(2)O_(3)-SiC-C砖,研究了骨料种类(高铝矾土、电熔棕刚玉、板状刚玉)对Al_(2)O_(3)-SiC-C砖常温力学性能、高温力学性能和抗渣性能的影响。结果表明:以板状刚玉为骨料时,由于其较高的致密度和较低的杂质含量,使得Al_(2)O_(3)-SiC-C砖具有最优的高温力学性能和抗渣性能;以高铝矾土为骨料时,由于其较高的气孔率和杂质含量,导致试样高温力学性能和抗渣性最差。

C/C-SiC-ZrB_(2)-ZrC复合材料在等离子体高频脉冲达2000次过程中的烧蚀特性

研究等离子体单次毫秒级加载条件下C/C-SiC-ZrB_(2)-ZrC复合材料在不同次数高频脉冲过程中的烧蚀行为与机理。烧蚀试验在自研台架上进行,测试过程中等离体子体-空气射流交替冲击试样表面。结果表明,随冲击次数增加,前1000次内烧蚀率迅速下降,随后在达2000次过程中烧蚀率缓慢降低。微结构、物相及烧蚀表面温度特征说明烧蚀试样表面形成一层不完整的混合陶瓷烧蚀产物层,且裸露的碳含量在1000次冲击烧蚀以后趋于稳定。烧蚀产物层削弱了热应力诱发的机械剥蚀并保护其亚层的碳不被侵蚀,进而导致烧蚀率的演变。

纳米和微米ZrB_(2)-SiC粉末对涂层抗烧蚀性能的影响

310S耐热不锈钢因具有抗氧化、耐腐蚀等优良性能的同时,亦具有良好的耐高温性能,在工业中得到较为广泛的应用。但在高温高速焰流冲刷等极端环境下的氧化失效限制了其实际应用。表面涂层技术是提升基体耐高温、耐烧蚀能力的有效手段。选用纳米团聚粉末和常规微米ZrB_(2)-SiC粉末,利用超音速等离子喷涂在310S耐热不锈钢基体上制备以CoCrAlYTa为粘结层、ZrB_(2)-SiC为陶瓷层的复合涂层,对两种涂层分别进行了氧-乙炔高温烧蚀试验。采用XRD、EDS、SEM分析涂层组织结构。结果表明:纳米团聚粉末(n-ZS)涂层表面孔隙和微裂纹较微米商用粉末(m-ZS)涂层大幅减少,涂层更为致密;m-ZS涂层的耐烧蚀时长达600 s,较n-ZS涂层耐烧蚀时长提升12倍左右。

碳热还原氮化硅藻土制备Si_(2)N_(2)O/SiC复合粉体

氧氮化硅(Si_(2)N_(2)O)是性能优良的耐火材料和高温结构材料,具有优异的抗蠕变性、耐腐蚀性和抗氧化性等优点。本工作利用硅藻土作为硅源,乙炔炭黑作为还原剂,通过碳热还原氮化法在硅藻土表面原位合成Si_(2)N_(2)O/SiC复合粉体。采用X射线衍射(XRD)分析、扫描电子显微镜(SEM)和N_(2)吸附/脱附等温线对样品进行表征。结果表明,在原料配比m(硅藻土)∶m(乙炔炭黑)=1∶1条件下,1 450℃煅烧4 h后,SiO_(2)完全转变成Si_(2)N_(2)O和β-SiC物相,样品整体呈球状形貌,大颗粒周围分布大量片层状小颗粒,并存在介孔结构。Si_(2)N_(2)O/SiC复合粉体作为性能优良的高温结构材料,有望在结构复合材料中得到广泛的应用。

溶胶凝胶、碳热/硼热还原法制备ZrB_(2)-SiC-LaB_(6)超细复相粉体

以氧氯化锆(ZrOCl_(2)·8H_(2)O)、硼酸(H_(3)BO_(3))、水合氯化镧(LaCl_(3)·7H_(2)O)、正规酸乙酯(TESO)和葡萄糖(C_(6)H_(12)O_(6))为主要原料,以聚乙二醇(PEG)为分散剂,采用溶胶凝胶法和碳热/硼热还原工艺制备ZrB_(2)-SiC-LaB_(6)超细复相粉体。利用X射线衍射、扫描电镜、红外光谱和差示扫描量热分析等对ZrB_(2)-SiC-LaB_(6)粉体进行表征,研究烧结温度、原料配比对复相粉体合成过程的影响。结果表明,当原料中n(Zr)∶n(B)∶n(Si)∶n(La)∶n(C)=1∶3∶0.7∶0.16∶8时,在氩气气氛中1500℃保温2 h,可合成高纯ZrB_(2)-SiC-LaB_(6)超细复相粉体。颗粒平均粒径为300 nm,其中ZrB_(2)相为六方晶系,SiC相和LaB_(6)相为立方晶系,三元微晶平均尺寸为33.2 nm。

ZrB_(2)超细粉末的碳热还原法合成及其烧结性能研究

以碳化硼、炭黑和氧化锆粉末为原料,在氩气气氛条件下采用碳热还原法合成ZrB_(2)超细粉末。研究了反应温度对合成ZrB_(2)粉末的烧失率、物相组成和显微形貌的影响,同时对合成机理进行初步探讨。在此基础上,以Al_(2)O_(3)、Y_(2)O_(3)、AlN等添加剂作为烧结助剂,对合成的ZrB_(2)粉末进行烧结性能研究。结果表明,在反应温度为1500~1600℃合成条件下,采用碳热还原法在氩气气氛中成功合成了ZrB_(2)超细粉末。在本实验条件下合成ZrB_(2)粉末的最适条件为1550℃保温1.5h。在1500℃以上所合成的ZrB_(2)粉末样品的显微形貌主要由一定量的片状颗粒和近似球状颗粒组成。在1600℃下保温120min所得ZrB_(2)陶瓷烧结体的表面与断口显微结构均比较致密,说明在本实验条件下合成的ZrB_(2)超细粉末具有较好的烧结活性和烧结性能。

Ag/SiC和Ag/Al_(2)O_(3)-SiC催化剂的乙烯环氧化催化性能

制备了高分散的Ag/SiC和Al_(2)O_(3)修饰的Ag/SiC催化剂,并用于乙烯环氧化反应。结果显示,Al_(2)O_(3)修饰的Ag/SiC催化剂对乙烯的转化率显著提高,但环氧乙烷的选择性急剧降低。进一步研究发现,在反应过程中乙烯吸附在SiC表面;O_(2)在Ag表面解离后,活性O物种溢流到SiC表面参与环氧化反应。Al_(2)O_(3)修饰后改变了Ag的电子性质,抑制了活性O物种在SiC表面的迁移,导致反应性能的改变。该工作为乙烯环氧化催化剂的设计提供了一定的参考。

TaSi_(2)改性ZrB_(2)/SiC复合粉末制备及涂层抗氧化性能研究

目的 提高ZrB_(2)/SiC涂层的致密性及抗氧化烧蚀能力。方法 设计向ZrB_(2)/SiC涂层中掺杂TaSi_(2),以提升ZrB_(2)/SiC涂层的致密度和抗氧化性能。首先通过喷雾造粒法制备了4种不同成分配比的复合团聚粉,然后采用大气等离子喷涂(APS)在C/C基体表面制备了4种团聚粉复合涂层,最后使用氧-乙炔火焰法对所制备的涂层进行了烧蚀考核。结果 通过涂层致密度对比发现,随着TaSi_(2)的增加,涂层共晶区会有所增加,涂层致密度得到了明显改善。通过烧蚀考核发现,TaSi_(2)的加入能够增加SiO_(2)的含量,并产生热稳定性好的TaZr_(2.75)O_(8)。此外致密TaZr_(2.75)O_(8)的产生还能够有效改善涂层的抗氧化烧蚀性能。结论 最终得出的ZrB_(2)/SiC涂层硅化物掺杂改性方案为30%TaSi_(2)/42%ZrB_(2)/28%SiC(体积分数)大气等离子喷涂制备的抗氧化烧蚀涂层,其在1 600℃烧蚀5 min后的质量损失率为-1.70×10^(-4) g/s。

基于Ga_(2)O_(3)-SiC-Ag多层结构的介电常数近零超低开关阈值光学双稳态器件

光学双稳态这一非线性光学现象因其在全光系统中的巨大应用潜力而备受关注.然而微弱的非线性响应往往需要巨大的输入功率才能实现光学双稳态,导致其实用性不强.本文基于Ga_(2)O_(3)-SiC-Ag的金属-介电材料多层结构,在实现介电常数近零的大场增强的同时,还引入了具有大非线性系数的材料,并基于有限元法研究了介电常数近零层的厚度和长度对光学双稳态的影响.研究结果表明,光学双稳态随介电常数近零层的厚度和长度的增大而变得愈发显著,在通信波段的开关阈值低至约10^(-6)W/cm^(2),与之前报道的基于介电常数近零材料的光学双稳态相比,降低了9个数量级,展现了在光子集成电路产业化中的巨大应用潜力.

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。

4H-SiC衬底上高厚度SiO_(2)薄膜的高温性能研究

采用等离子体增强化学的气相沉积法(plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD)工艺在厚度370μm的4H-SiC衬底上生长厚度2μm的SiO_(2)薄膜样品,将样品在大气环境下分别经600℃、700℃、800℃和900℃高温处理1 h,从而研究分析SiO_(2)薄膜高温性能变化机制。研究表明,随着处理温度的提高,SiO_(2)薄膜的晶体形貌由混合的准晶体向单晶转变,薄膜致密性变好。SiO_(2)薄膜样品的处理条件为环境温度800℃、处理时间1 h时,其薄膜断面非晶态较少,中心应力最小,折射率最大,致密性最好。随着温度持续升高,SiO_(2)薄膜的非晶态增多,并出现大量的颗粒聚集,中心应力逐步增大,折射率和致密性稍有降低。

硅溶胶-酚醛树脂共结合Al_(2)O_(3)-SiC-C砖性能研究

为了缓解酚醛树脂碳化引起的Al_(2)O_(3)-SiC-C砖组织结构劣化,提升Al_(2)O_(3)-SiC-C砖的力学性能和抗渣性能,以粒度分别为5~3、3~1和≤1 mm的高铝矾土为骨料,以电熔白刚玉(≤0.045 mm)、SiC(≤0.075 mm)、α-Al_(2)O_(3)微粉和鳞片石墨(≤0.15 mm)等为基质,以热固性酚醛树脂和硅溶胶为结合剂,制备了硅溶胶-酚醛树脂共结合Al_(2)O_(3)-SiC-C砖。在酚醛树脂外加量为4.5%(w)的基础上,探究了硅溶胶的加入量(外加质量分数分别为0、0.45%、0.90%和1.35%)对Al_(2)O_(3)-SiC-C砖常温力学性能、高温力学性能和抗渣性能的影响。结果表明:引入适量硅溶胶可以有效提升Al_(2)O_(3)-SiC-C砖的力学性能及抗渣性能,当硅溶胶加入量为0.45%(w)时,试样具有优异的常温、高温力学性能及抗渣性能。

Al_(2)O_(3)膜对高温环境下NiCrAlY-SiC复合镀层内部反应的阻隔及涂层耐磨性研究

为了解决以SiC颗粒为磨料的叶尖耐磨复合镀层在高温工况下SiC与涂层中Ni元素反应导致涂层耐磨性下降等问题,采用化学气相沉积(chemicalvapor deposition,CVD)工艺方法在SiC颗粒表面制备了Al_(2)O_(3)膜以阻隔SiC与涂层中Ni元素的反应。研究了0.5~1.0μm和5.0~10.0μm这2种厚度范围的Al_(2)O_(3)膜对NiCrAlY-SiC@Al_(2)O_(3)叶尖耐磨镀层中SiC颗粒与NiCrAlY镀层在1100℃高温环境下反应的阻隔效果,并测试了2种Al_(2)O_(3)膜厚度的NiCrAlY-SiC@Al_(2)O_(3)叶尖耐磨镀层在1100℃高温环境下保温500 h后的耐磨性。结果显示,5.0~10.0μm厚度的Al_(2)O_(3)膜可有效阻隔SiC颗粒与NiCrAlY镀层的高温反应,使NiCrAlY-SiC@Al_(2)O_(3)涂层在1100℃高温环境下保持良好的耐磨性,并与ZrO2陶瓷封严涂层形成良好的对磨匹配效果。

ZrB_(2)粉体制备方法浅析

ZrB_(2)有独特的共价-金属键结构,还具有良好的导电性,ZrB_(2)陶瓷具有高强度及耐高温特性,是超高温陶瓷中最具潜力的材料之一。本文针对ZrB2粉体常用制备方法进行了阐述。

Al_(2)O_(3)含量与晶型对赛隆结合SiC基浇注料性能的影响

在超低水泥结合碳化硅基浇注料中加入不同含量和晶型的Al_(2)O_(3),经振动浇注成型,在高纯流动氮气中经1420℃氮化得到赛隆结合SiC耐火材料,检测了氮化后试样的常规物理性能,重点研究了Al_(2)O_(3)含量与晶型对试样高温抗折强度(1200℃、1400℃)、抗热震性的影响,并利用XRD和SEM对物相和显微结构进行了分析。结果表明:结合相与Si在高温下在氮气中发生原位反应生成了呈网络状的交织分布的赛隆,增强了SiC颗粒和基质之间的结合,使碳化硅浇注料试样高温性能得到提高;当刚玉含量为3%时,试样高温抗折强度(1200℃、1400℃)分别为64.3 MPa和13.7 MPa;随着刚玉含量的增加,赛隆相开始增多,但高温抗折强度变化不大;当Al_(2)O_(3)微粉含量为3%时,赛隆相含量增加至15%,高于刚玉含量为12%的试样,高温抗折强度(1200℃、1400℃)分别为64.3 MPa和15.2 MPa;试样抗热震性能整体优于加入刚玉的试样。

原位纳米ZrB_(2)颗粒增强7085铝合金的微观组织与力学性能研究

本文通过原位合成技术,成功制备了纳米ZrB_(2)颗粒增强7085铝合金基复合材料。采用金相显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射仪进行表征,并进行力学性能测试,研究了ZrB_(2)纳米增强体对7085铝合金的显微组织和力学性能的影响。结果表明,ZrB_(2)纳米增强体可以显著提高7085铝合金的强度。但是随着增强体体积分数增大,ZrB_(2)颗粒团聚现象加剧,不利于复合材料的塑韧性提高。同时,在复合材料中引入微量稀土元素Sc可使纳米ZrB_(2)颗粒团聚现象得到改善,并进一步细化基体晶粒,使复合材料的强度和延长率都得到提高。当ZrB_(2)含量为2%(体积分数)、Sc含量为0.4%(质量分数)时,复合材料的抗拉强度为534 MPa、伸长率为10.2%,相较于7085铝合金基体分别提高了17.4%、14.6%。