高性能铌镁酸铅-钛酸铅定向压电陶瓷的研究

用定向凝固技术制备了择优方向为[112]的0.70Pb(Mg1/3Nb2/3)03-0.30PbTiO3高性能定向压电陶瓷.该陶瓷[112]方向的取向度约为35％,准静态压电常数d33约为1500-1600pC/N,耦合系数kt-0.51,k33-0.82,22kV/cm时的场致应变约为0.23％.

高性能陶瓷的研究进展

随着材料科学的进步和新材料的开发,器件和系统逐步向小型化、集成化、多功能化和轻量化方向发展,推动了陶瓷材料向结构-功能一体化方向发展。这些发展和先进的制备技术、纳米材料和纳米技术的发展密不可分。介绍了几种重要的结构功能一体化材料的研究进展,包括超高温陶瓷和陶瓷基复合材料,新能源陶瓷,透明陶瓷,生物陶瓷和多孔陶瓷,探讨了材料的先进制备技术,并对材料在基础研究和制备科学上今后应予以关注的关键问题作了初步探讨。

高熵碳化物超高温陶瓷的研究进展

高速飞行技术的发展对高性能热结构材料提出了迫切需求。高熵碳化物(HECs)陶瓷作为近年来发展迅速的一类新型材料,兼具高熵陶瓷与超高温陶瓷的优良特性,在极端服役环境中具有广阔的应用前景,因此得到国内外学者的广泛关注。相比仅含有一种或两种过渡金属元素的传统超高温碳化物陶瓷,HECs综合性能有所提升,且具有更强的组成和性能可设计性,因此具备较大的发展潜力。经过对HECs的不断探索,研究人员获得了许多有趣的结果,开发了多种HECs的制备方法,对HECs的显微结构和性能的认识也更加深入。本文综述了HECs的基本理论以及从实验过程中获得的规律;对HECs粉体、HECs块体、HECs涂层及薄膜,以及纤维增强HECs基复合材料的制备方法进行了梳理和归纳;并对HECs的力学、热学等性能,尤其是与高温应用相关的抗氧化、抗烧蚀性能的研究进展进行了综述和讨论。最后,针对HECs研究中有待进一步完善的科学问题,对HECs的未来发展提出了展望。

氮化硅陶瓷低温烧结助剂研究进展

氮化硅陶瓷性能优异,然而由于其共价键较强,自扩散系数小,烧结难度较大。目前高性能氮化硅陶瓷主要通过高温气压烧结法制备,烧结温度在1800℃以上,对设备要求较高,制备成本也较高,限制了氮化硅陶瓷的实际应用。低温烧结作为降低氮化硅生产成本的有效途径之一,受到了业界广泛关注。目前国内外关于氮化硅陶瓷低温烧结的研究主要集中在烧结助剂的选择方面,烧结助剂可以分为两类:使用与SiO_(2)共晶温度较低的烧结助剂和使用多组分烧结助剂。综述了这两类低温烧结助剂的研究进展,并提出了低温烧结助剂选择的合理方案。综合来看,要在低温下制得性能良好的氮化硅陶瓷,需选用与SiO_(2)具有低共晶点的烧结助剂,并配合使用多元组分调控氮化硅陶瓷的微观结构和性能。

掺铒CaF_(2)、SrF_(2)、PbF_(2)晶体的光谱性能与团簇结构研究

3μm波段中红外激光处于大气传输窗口,又可以作为基础光源,是激光技术研究的前沿。目前,铒离子激活的激光晶体材料是产生3μm中红外激光的重要途径之一。然而,Er3+离子4I11/2激光上能级荧光寿命较短,下能级4I13/2的寿命较长,难以实现粒子数反转,导致自终止现象。为了解决这一难题,往往需要高浓度掺杂,通过能量传递降低4I13/2能级的寿命。然而高浓度掺杂又会造成晶体热性能变差,限制了掺Er3+激光晶体效率和功率。三阶铒离子容易在氟化物晶体中形成团簇,导致稀土离子间距缩短,即使在低掺杂浓度下稀土离子之间的能量传递作用仍较为显著。同时,低浓度掺杂还可以减轻激光运转下晶体的热堆积效应。掺铒氟化物晶体已成为一类重要的高功率、高效率中红外激光材料。然而,掺铒氟化物晶体的光谱性能与铒离子团簇结构之间的相互联系尚不明确,制约了掺铒氟化物晶体光谱和激光性能的进一步发展。本文采用第一性原理计算模拟了铒离子在CaF_(2)、SrF_(2)和PbF_(2)晶体中的团簇结构。结果显示,铒离子团簇结构随基质晶体变化逐渐演变。结合模拟计算和实验表征定性揭示了不同晶体离子团簇与光谱性能的联系,为掺铒氟化物中红外激光晶体材料的调控与设计提供参考。

氮化硅陶瓷基板制备及其金属化研究

低成本制备Si_(3)N_(4)陶瓷基板及其金属化是Si_(3)N_(4)陶瓷在电子行业应用中面临的关键问题。对Si_(3)N_(4)陶瓷流延成型配方体系进行了研究,系统分析了分散剂、黏结剂、增塑剂与固含量等因素对流延膜性能的影响,提出了一种优化的固含量为42%的配方体系,其流延膜相对密度达79.3%。经硅粉氮化后烧结得到的Si_(3)N_(4)陶瓷相对密度≥95%,抗弯强度达(852.7±48.8)MPa,热导率达75.5 W/(m·K)。采用丝网印刷工艺印制钨金属化浆料,经热压叠层与共烧结,得到金属层与Si_(3)N_(4)基板均平直完整、无翘曲、无缺陷的Si_(3)N_(4)金属化陶瓷,经测量发现其结合强度为27.84 MPa,金属层方阻为104 mΩ/sq。研究结果表明,采用流延成型和丝网印刷工艺,经烧结工艺可以制备Si_(3)N_(4)高温多层共烧基板(HTCC)。

高性能陶瓷断裂韧性的SEPB评价技术

本文综述和比较了高性能陶瓷断裂韧性(K_(1c))的各种测试技术,详细研究了桥压法(BridgeIndentation)制备预裂纹技术(SEPB)及基本原理.指出用 SEPB 法测得的 K_(1c)是其他多数方法的下限值,但这是相当可靠和稳定的测试技术,它克服了目前广为采用的 SENB 法的不足之处.对七种典型的高性能陶瓷分别采用五种不同的测试方法测定 K_(1c),比较结果,支持了上述观点.

新型磁电催化纳米粒子的活性氮释放与抗菌性能研究

相比于功能单一且易催生细菌耐药性的抗生素等药物,具有催化活性的无机纳米功能材料凭借自身对感染微环境(弱酸、高H_(2)O_(2)含量)或外部物理刺激(激光、超声)的高响应性和广谱杀菌等优势,在致病菌感染的治疗中占据愈发重要的地位。然而,感染微环境酸性微弱且不稳定,光、声信号功率密度过高会对人体细胞造成伤害,而诸如交变磁场等非侵入性、高组织穿透性和易于远程控制的信号类型及其介导的磁电催化在抗菌中的应用尚未见报道。本研究将基于磁致伸缩-压电催化效应的交变磁场响应性纳米催化策略应用于抗菌,并使用含氮基团L-精氨酸(LA)修饰CoFe_(2)O_(4)-BiFeO_(3)磁电纳米颗粒(BCFO)表面,以实现磁电响应可控释放强杀菌物种活性氮(RNS)。在交变磁场中,BCFO同时产生羟基自由基(·OH)和超氧阴离子(·O_(2)^(-))两种活性氧(ROS),前者与LA反应产生一氧化氮(NO),后者与NO反应生成RNS物种过氧亚硝酸根(ONOO^(-))。作为高活性的硝化和氧化剂,ONOO^(-)可在生物友好的交变磁场下展现出比ROS更强的抗菌能力。本研究证实BCFO能产生ONOO^(-),并发挥更强的杀菌功效。这一研究不仅将磁电纳米催化医学策略用于抗菌,还通过ROS向RNS转变显著提升了材料的抗菌性能。

三明治结构钌插层二氧化钛光催化四环素降解性能研究

纳米TiO_(2)具有高催化活性、高化学稳定性、成本低廉和安全无毒等优势,是目前广泛使用的一类光催化剂,但较大的禁带宽度和较高的光生电子-空穴复合速率使其光子利用率偏低。本研究利用微刻蚀法设计合成了二维TiO_(2)纳米片,并进一步与Ru复合,构建了三明治结构Ru@TiO_(2)高效光催化剂。采用不同表征手段研究了三明治结构Ru@TiO_(2)的表面形貌、电子结构、光电特性和光降解盐酸四环素的性能。结果表明:插入Ru将TiO_(2)的光响应范围由紫外光区拓展至整个可见-近红外光区,光子吸收和载流子分离效率得以提升,同时提高了体系光催化活性。模拟太阳光(AM 1.5G,100 mW·cm^(–2))照射80 min,三明治结构Ru@TiO_(2)高效光催化剂对盐酸四环素的降解效果出色,降解效率达到91.91%。本研究为TiO_(2)基高效光催化剂结构设计提供了一条有效途径。

粉色氮化硅陶瓷的制备和性能研究

低成本、高性能的彩色Si_(3)N_(4)陶瓷是应用于手机背板和智能穿戴设备的重要候选材料。对制备Si_(3)N_(4)陶瓷的流延成型工艺进行了研究和优化,系统研究了分散剂含量、黏结剂含量、塑性剂与黏结剂比值和固含量等因素对流延膜性能的影响,并提出了流延浆料的最佳配方。干燥后的流延膜显微结构均匀致密,经过反应烧结重烧结后得到相对密度为96.08%、抗弯强度和断裂韧性分别为(867±18)MPa和(8.03±0.50)MPa·m^(1/2)的粉色Si_(3)N_(4)陶瓷。在可见光下,样品晶界相中Er^(3+)离子的核外电子发生了f-f跃迁是样品显色的原因。结果表明,流延成型和反应烧结重烧结技术可用于制备低成本、高性能的彩色Si_(3)N_(4)陶瓷。

高性能陶瓷材料的俄歇能谱分析

降低陶瓷材料表面电荷的积累一直是俄歇分析技术能否成功应用于该类材料必须解决的首要问题，通过实验认为：陶瓷材料试样减薄法可以用来降低表面电荷．采用这种方法，样品可分析区域大小仅依赖于电子束斑尺寸．因而，用 Ｍｉｃｒｏｌａｂ ３１０－Ｆ热场发射扫描俄歇微探针分析仪能在几十纳米的微区内，获取结构信息和除氢氦外的化学成分信息，突破了陶瓷材料在低电压、低电流下约几十微米的分析范围．在此基础上，挑选了掺Ｄｙ的α－Ｓｉａｌｏｎ，掺Ｙ、Ｌａ的α－Ｓｉ３Ｎ４与以Ａｌ２Ｏ３为基体加入ＳｉＣ晶须，并通氮气氛处理的三种高性能陶瓷作为实验对象，分析和研究它们的晶粒、界面的成份、化学态和结构．发现α－Ｓｉ３Ｎ４和α－Ｓｉａｌｏｎ陶瓷中的 Ｓｉ（ＬＶＶ， ＫＬＬ）峰位都会向低能端漂移，峰位分别为：８４ｅＶ和 １６１３ｅＶ． Ｓｉ－Ｎ－Ｏ的结合态又使 Ｓｉ（ＬＶＶ）峰继续漂移到 ８０ｅＶ左右．掺Ｙ、 Ｌａ的α－Ｓｉ３Ｎ４的玻璃相区， Ｓｉ至少以两种或者两种以上的化学态存在．掺Ｄｙ的α－Ｓｉａｌｏｎ陶瓷的局部区域内有四种组分不同的固溶相及三种组分不同的晶间相．另外，在ＳｉＣ与ＳｉＣ－ＢＮ－Ｃ纤维补强复合陶瓷材料的断裂面，观察到从ＳｉＣ基体拔出的纤维表?

低温反应熔渗工艺制备AlN-SiC复相陶瓷及其性能研究

AlN-SiC复相陶瓷力学性能好、导热性与抗高温氧化性能优异,作为纤维增强陶瓷基复合材料的基体材料具有良好的应用前景。本研究以Si-Al合金为熔渗介质,多孔C-Si_(3)N_(4)为熔渗预制体,对低温反应熔渗制备AlN-SiC复相陶瓷及其性能展开研究。研究发现Si-Al合金形态对反应熔渗过程存在着重要的影响:以Si-Al合金粉末作为熔渗介质时,反应熔渗过程中在Si-Al/C-Si_(3)N_(4)界面处将原位形成一层致密的Al–O阻挡层,从而严重阻碍Si-Al熔体向C-Si_(3)N_(4)预制体内部的渗透,使反应熔渗过程难以进行;以Si-Al合金锭作为熔渗介质时,Si-Al熔体可以深入渗透到多孔C-Si_(3)N_(4)预制体内部,并通过进一步反应,原位形成致密的AlN-SiC复相陶瓷。材料性能测试表明,所得材料的力学和热学性能与其内部残余硅含量关系密切。随着残余硅含量降低,材料强度明显提升,而热导率有所下降。含质量分数4%残余硅的AlN-SiC复相陶瓷,抗弯强度达到320.1 MPa,热导率达26.3 W·m^(–1)·K^(–1),材料的强度几乎与传统反应烧结SiC陶瓷相当,并深入探讨了出现上述现象的本质原因。本研究对低温熔渗工艺制备SiCf/AlN-SiC复合材料具有重要的指导意义。

钛酸钡/硅酸钙复合生物活性压电陶瓷的制备及性能研究

压电材料产生的电信号能够促进成骨细胞增殖分化,但不具有良好的诱导矿化能力;生物活性材料在生理环境下能够诱导类骨羟基磷灰石的沉积,但又不能产生电信号促进成骨。因此,开发出一种既能产生电信号,又能诱导矿化沉积的复合生物活性压电材料,具有重要意义。本研究以钛酸钡为压电组分,以硅酸钙为生物活性组分,采用固相烧结法制备了钛酸钡/硅酸钙复合生物活性压电陶瓷,测试了压电性能,并用体外矿化实验评价了诱导矿化能力。硅酸钙复合含量达到30%时,复合陶瓷仍具有一定的压电性能(d_(33)=4 pC·N^(-1)),并且能够在模拟体液中诱导磷酸钙沉积。钛酸钡与硅酸钙的复合能够同时具有压电性和生物活性,为骨修复材料提供了新的选择。

锰对改善CaBi_4Ti_4O_(15)高温压电陶瓷性能的研究

采用固相法制备了Mn改性的CaBi4Ti4O15（CBT＋xmol%MnCO3）层状压电陶瓷.介电温谱显示所有样品居里点在780℃附近,并且发现该材料在110K处有一介电弛豫峰.Mn的加入显著降低了高温下的介电损耗,剩余极化轻微降低,室温介电常数从173减小到162,同时机械品质因子由2700增加到4400,显示了硬性掺杂的效果.在100～600℃范围内,x=1.0的样品比纯组分的电阻率提高了一个数量级以上,500℃的电阻率提高了约2个数量级（10^8Ω·cm）,电阻率对温度的Arrhenius拟合由两段过渡到三段,压电系数d33由7提高到14.5.实验结果表明,Mn改性的CBT在高温传感器等领域具有应用前景.

反应烧结制备Si3N4/SiC复相陶瓷及其力学性能研究

以两种不同配比Y2O3/Al2O3(A,2:3;B,3:1,总量15 wt%)为烧结助剂,通过添加不同质量分数的SiC粉体,反应烧结制备了高强度的氮化硅/碳化硅复相陶瓷。并对材料的相组成、相对密度、显微结构和力学性能进行了分析。结果表明:在1700℃保温2 h情况下,烧结助剂A与B对应的样品中α-Si3N4相全部转化为β-Si3N4;添加5wt%SiC,烧结助剂A对应样品的相对密度达到最大值94.8%,且抗弯强度为521.8 MPa,相对于不添加SiC样品的抗弯强度(338.7 MPa)提高了约54.1%。SiC能有效改善氮化硅基陶瓷力学性能,且Si3N4/SiC复相陶瓷断裂以沿晶断裂方式为主。

AlN-多型体陶瓷的研究 Ⅱ.AlN-多型体的力学性能和微观结构

在研究了 ＡｌＮ－型体 １５Ｒ， １２Ｈ和 ２１Ｒ的形成特性的基础上［１］；本工作测定了它们的力学性能，并利用ＳＥＭ观察了显微结构．结果表明，尽管ＡＩＮ－多型体的力学性能较差，但是具有适当烧结添加剂的ＡＩＮ－多型体的抗折强度在室温至１２５０℃的范围内能保持不变，甚至提高５０％；尤其是１５Ｒ和１２Ｈ．ＡＩＮ－多型体的硬度随其组份向ＡｌＮ方向靠近而增加，即２１Ｒ的硬度最高（１２．７～１４．４ＧＰａ），１５Ｒ的硬度为最低（１．５～１２．８ＧＰａ）．ＡＩＮ－多型体的强度和断裂韧性与ＡｌＮ－多型体的类型之间没有这种明显的联系，它们的变化范围分别在３１３～３６６ＭＰａ和３．８～４．８ ＭＰａ·ｍ^（１／２）之间．本文依据 ＡＩＮ－多型体的结构特征及断裂形貌对它们的力学性能进行了讨论．

烧结温度对PMS-PZT系陶瓷显微结构和压电性能的研究

研究了不同烧结温度对Pb(Mn1/3Sb2/3)O3-PbZrO3-PbTiO3(PMS-PZT)系压电陶瓷显微结构和压电性能的影响.实验结果表明:在1240℃、2h条件下烧结,能获得最优的综合性能:εr=1530、d33=374、Kp=0.6、tanδ=0.41%、Qm=1250,可以满足压电变压器和超声马达等大功率场合下的使用要求.与此同时,当烧结温度为1100-1150℃时,材料仍然具有良好的压电性能:εr=1370、daa=348、Kp=0.57、tanδ=0.62%、Qm=1620(1150℃),因此可以作为中低温烧结的多层器件用厚膜材料.高温显微镜、SEM、TEM和EDS等研究表明,PMS-PZT系陶瓷具有很宽的烧结温度区域,特别是中低温烧结时仍能成瓷并具有高的压电性能,主要是因为PbO和Sb2O5在较低烧结温度下(1100℃)能够形成过渡液相促进陶瓷烧结,随着烧结温度的升高,它们能够重新进入晶格形成单一钙钛矿结构.

新型纳米层状硅酸盐Magadiite主体材料的制备、表征、结构和生成机理研究

利用简单的插层反应方法成功地制备了四丁基氢氧化铵 ( TBAOH)插层的层状硅酸盐 Magadiite纳米复合材料 ,在室温下该材料溶胶放置 3 0 d可以保持稳定 ,粉体长期保存结构稳定 ,而且反应时间短 ,只需3 0 min.利用 XRD,FTIR,SEM和 HRTEM等方法对样品进行了结构表征 .结果表明 ,TBA+ 离子在层间以双分子层排列 ,并与层状硅酸盐结合在一起 ,TBAOH插层后的纳米粒子在玻璃片上进行了重组 ,粒径分布在 1 0～ 1 0 0 nm之间 ;HRTEM电镜照片进一步证实了剥离的层状硅酸盐纳米粒子在玻璃片上的自组装过程 .根据实验结果阐述了 TBAOH插层反应形成纳米溶胶的机理 .

国产550级连续氧化铝陶瓷纤维的高温拉伸性能研究

氧化物陶瓷纤维具有优良的耐高温和抗氧化性能,是航空航天领域用复合材料增强相的重要候选材料。高温拉伸性能是氧化物陶瓷纤维在极端环境应用的关键评价指标之一,但相关报道较少。本工作研究了国产550级纤维的高温拉伸性能和热处理后的室温拉伸性能,探讨了纤维的拉伸性能与其物相和显微结构的演变关系和内在机理,并与Nextel 720和CeraFib纤维的高温拉伸性能进行了对比。结果表明,国产SIC550纤维复丝和单丝在1100℃以下具有相对较高的拉伸强度和拉伸强度保持率,由于纤维中无定形SiO_(2)的高温热稳定性较差,对纤维1200℃以上的高温拉伸性能产生明显不利的影响;通过在临界相转变温度(1300℃)对纤维进行热处理来形成莫来石相,可在一定程度上改善纤维在1250~1400℃的高温拉伸性能。考虑到不同标距的影响,SIC550纤维在1100℃的高温拉伸强度(883 MPa)与Nextel 720(1000 MPa)和CeraFib纤维(940 MPa)接近。

中国先进陶瓷研究及其展望

本文综述了中国在先进陶瓷，包括结构陶瓷和功能陶瓷的研究概况及其展望。从本世纪五十年代以来，我国即开展先进陶瓷的基础研究和应用研究，在此基础上，逐步形成了在这一领域中的研究趋向，即多相复合陶瓷、纳米陶瓷和陶瓷材料的剪裁与设计。