纳米陶瓷材料研究与应用

所谓纳米陶瓷,是指在陶瓷材料的显微结构中,晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、气孔尺寸、缺陷尺寸都限于100 nm以下,是20世纪80年代中期发展起来的新型陶瓷材料。由于纳米陶瓷晶粒的细化,晶界数量大幅度增加,可使材料的韧性和塑性大为提高并对材料的电学、热学、磁学、光学等性能产生重要的影响,从而呈现出与传统陶瓷不同的独特性能,成为当今材料科学研究的热点。笔者对纳米陶瓷材料的研究现状与应用进行了综述。     

五氧化二铌与二氧化硅作用下氧化铝晶粒的各向异性生长(英文)

研究了少量SiO2和Nb2O5掺杂对α-氧化铝晶粒生长的影响.单一掺杂1 500℃煅烧2h的样品均表现为晶粒的等轴状,且铌掺杂明显促进了氧化铝晶粒的生长.SiO2与Nb2O5的共掺杂则导致晶粒各向异性优势生长.高分辨透射电镜照片表明:在一些晶粒晶界出现0.8~4nm的无定形层,晶界处的液相同样影响晶界能,从而诱导各向异性生长.结果表明:在固定铌含量的基础上,少量二氧化硅使材料的断裂韧度提高42%,抗弯强度提高约80%.     

ZnO-玻璃系压敏电阻的微观结构

制备了ZnO-玻璃系压敏电阻,用SEM,TEM,EPMA等微观分析手段研究了ZnO-玻璃系压敏电阻的微观结构,相组成与元素分布.ZnO-玻璃系压敏电阻由ZnO主晶相、Zn7Sb2O12尖晶石相以及粒间相组成.Co离子有较大部份已溶入ZnO晶粒内,而Mn离子只有少量进入ZnO晶粒之表层,Sb离子主要分布在粒间处.晶界层厚度约为10～100 am,其成分与ZnO晶粒内成分基本相近.在一定的烧结温度下,粒间相中还生成了Zn-B结晶相,该相的产生有利于增强压敏电阻的非线性特性.     

高导热氮化硅陶瓷制备的研究进展

β-Si3N4陶瓷具有潜在的较高热导率(200～320 W·m-1·K-1),在微波透过材料和微电子封装材料等领域展现了良好的应用前景,并引起广泛的关注.影响其热导率的因素主要为晶界相物相及其含量、晶格内缺陷、晶粒尺寸以及微观结构的各向异性等.本文对目前国内外高导热氮化硅陶瓷制备的研究进展进行了评述,归纳了提高氮化硅陶瓷热导率的机制和途径.     

STSi15Cu7高硅铸铁的组织与性能研究

试验研究了Ｃｕ对高硅铸铁的机械性能和耐腐蚀性能的影响。结果表明，在ＳＴＳｉ１５高硅铸铁中添加７％Ｃｕ，可使其中石墨吐细小花瓣状，并在晶界上有富铜新相析出，从而降低硬度，提高塑性，改善耐蚀性能。     

MnO2添加剂对镍铁尖晶石基惰性阳极耐腐蚀性的影响

以氧化物NiO和Fe2O3为原料,添加氧化物MnO2,采用高温固相烧结法制备了NiFe2O4基惰性阳极材料,采用失重法测量了阳极试样的静态热腐蚀速率,并对其腐蚀机理进行了初步探讨. 实验结果表明,添加2%(ω) MnO2粉末的惰性阳极试样的静态热腐蚀速率最低. 由于掺杂的MnO2在晶界处富集,熔盐对晶粒的腐蚀首先在晶界处发生反应生成Mn2AlO4相,而Mn2AlO4相结构致密,冰晶石熔盐通过该相向NiFe2O4尖晶石晶粒内扩散速度减慢,从而降低了腐蚀速率.     

纳米复相结构陶瓷的原位反应合成

简要介绍了原位反应合成纳米复相陶瓷的原理及其可行性，认为此方法是制备纳米复相结构陶瓷的有效方法. 同时讨论了氮化硼(h-BN)复相陶瓷的特点及其性能改善的关键因素，认为采用传统方法难以获得高性能的BN复相陶瓷. 提出了一系列原位化学反应，并采用热压或无压烧结获得了细小而均匀分散的非氧化物?氮化硼(Nobn)复相陶瓷，纳米级的BN片晶主要分布在基体晶粒的晶界处，当BN体积含量适当时即可获得一种全新的部分弱晶界陶瓷复合材料(PWICs)，这种材料具有很好的综合力学性能.     

纳米陶瓷可以解决陶瓷的强化和增韧问题

利用纳米技术开发的纳米陶瓷材料是指在陶瓷材料的显微结构中，晶粒，晶界以及它们之间的结合都处在纳米水平（1-100mm），使得材料的强度、韧性和超塑性大幅度提高，克服了工程陶瓷的许多不足，并对材料的力学、电学、热学、磁学、光学性等性能产生重要影响，为替代工程陶瓷的应用开括了新领域。[第一段]     

SrTiO3陶瓷晶界层电容器材料的晶界研究：Ⅱ.晶界模型与材料电性能

根据低温一次烧结ＳｒＴｉＯ３陶瓷晶界层电容器两晶粒间晶界相结构的复杂性和不同晶界的势垒特性，建立了具有复合晶界特征，晶界等效电路模型，据此解释了材料Ｉ－Ｖ非线性特性和介电－电压特性。认为低施主掺杂的材料，击穿区的Ｉ－Ｖ非线性特性主要是由通过“洁净”晶界和窄晶界的隧道电流引起的，从而与温度无关；而高施主掺杂的材料，击穿区的Ｉ－Ｖ非线性特性既包括通过“洁净”晶界和窄晶界的隧道电流，亦包括通过宽晶...     

热压烧结制备原位复合（TiB2+TiC）/Ti3SiC2复相陶瓷

采用热压烧结法制备了原位复合(TiB2+TiC)/Ti3SiC2复相陶瓷。采用X射线衍射、扫描电镜和透射电镜对材料的物相组成和显微结构进行了表征,研究了烧结温度对材料物相组成、烧结性能、显微结构与力学性能的影响。结果表明:烧结温度在1 350～1 500℃范围内,随着烧结温度的升高,合成反应进行逐渐完全,材料的密度、抗弯强度和断裂韧性显著提高。1 500℃烧结可得到致密的原位复合(TiB2+TiC)/Ti3SiC2复相陶瓷,材料晶粒发育较完善,层片状Ti3SiC2、柱状TiB2与等轴状TiC晶粒清晰可见,增强相晶粒细小,晶界干净,材料的抗弯强度、断裂韧性和Vickers硬度分别达到741 MPa,10.12 MPa.m1/2和9.65 GPa。烧结温度达到1 550℃时Ti3SiC2开始发生分解,材料的密度和力学性能又显著下降。     

可生物降解聚乳酸纳米粒的制备及表征

采用乳化 -溶剂蒸发法 ( O/W)制备聚乳酸 ( PLA)纳米粒 ,用透射电子显微镜和激光粒度仪对纳米粒进行了表征 ,纳米粒具有规整的球形且正态分布 ,同时从有机相和水相的体积比、聚合物的浓度、表面活性剂的选择及表面活性剂的浓度等几个因素对纳米粒粒径大小的影响作了较详细地讨论。有机相与水相的体积比从 1∶ 3减小到 1∶ 30 ,纳米粒的粒径从 ( 30 6.2 + 1 1 ) nm减小到( 1 87.1 + 2 .4) nm;聚合物在有机相的浓度从 1 %(质量分数 )增加到 5 %(质量分数 ) ,纳米粒的粒径从 1 94nm增加到 32 1 nm;随着水相中表面活性剂浓度从 0 .5 (质量体积分数 )增大到 3.5 %(质量体积分数 ) ,纳米粒粒径从 2 0 2 nm减小 1 78nm且有一个低的多分散指数。而且还比较了搅拌蒸发法和减压抽提法对纳米粒表面形态的影响     

还原条件对高温费托合成熔铁催化剂性能的影响

为了探索熔铁催化剂还原过程中物相变化及对高温费托反应性能的影响，采用SEM（扫描电子显微镜）、EDS（X射线能谱仪）、BET和原位XRD（X射线衍射）对催化剂进行了表征。并在类似工业条件（340℃、2.4MPa、H₂/CO比例为3.8）下，于固定床反应器上评价了费托反应性能。分析了不同升温过程、氢气分压、还原空速和还原时间对高温费托熔铁催化剂物相结构、晶粒尺寸、还原度等的影响。结果表明：起始升温速率影响显著，＞2.4℃/min时容易使催化剂局部温度过高进而还原速率过快，导致α-Fe晶粒快速长大并团聚。氢气分压影响还原度有转折点，＞70%时还原度变化趋势相同；对α-Fe晶粒尺寸的影响表现在低氢分压时更稳定，40h内40%H₂/Ar条件仅增加1nm。高还原空速（10000h^-1）使得还原催化剂表面孔道分布、孔径尺寸更均匀，还原效率及极限还原度更高；而低还原空速（1000~2000h^-1）则使得还原催化剂表/体相结构稳定，晶粒尺寸更稳定，费托合成反应活性高。还原时间在其他条件固定下有最佳值，420℃恒温还原到极限还原度后，α-Fe晶粒尺寸随还原时间延长继续缓慢增长。通过研究获得了适宜的还原条件为：还原升温速率0.4℃/min（200~350℃）~0.8℃/min（＜200℃），空速5000h^-1，还原时间＜30h。     

晶粒尺寸对纳晶材料断裂韧性的影响

建立了一个描述在纳晶材料中特殊旋转变形对裂纹钝化的影响的晶粒相关理论模型。特殊旋转变形由裂纹尖端的应力集中来驱动。由于特殊旋转变形导致临界裂纹强度因子增加,从而达到裂纹的钝化作用。计算了裂纹强度因子与晶粒尺寸的关系,结果显示由于晶粒的特殊旋转变形,使临界裂纹强度因子最大增加到50%。     

Ti/Sr比对低温烧结SrTiO_3陶瓷晶界层电容器材料的影响

本文研究了Ti/Sr比对低温一次烧结的SrTiO_3陶瓷晶界层电容器材料性能和显微结构的影响.结果发现Ti/Sr比在一定范围内变化时,不影响材料烧结和半导化的温度范围.Ti/Sr比的作用还与施主杂质的添加量以及烧结条件有很大关系.在良好的烧结条件下,SrO过量(Ti/Sr<1.00)有利于晶粒生长和获得高的有效介电常数.但SrO和TiO_2这些杂质相的存在降低了晶界绝缘层的绝缘性,增加了介电损耗.     

掺杂La2O3对刚玉基复相陶瓷的烧结和力学性能的影响

刚玉基复相陶瓷材料具有高硬度、高强度及耐磨性等优异的力学性能,是结构陶瓷领域研究的热点之一,具有广阔的应用前景.以α-Al2O3、SiC和ZrO2为原料,掺杂少量稀土氧化物La2O3,采用无压埋烧工艺,制备了稀土掺杂刚玉基复相陶瓷.通过XRD、SEM等手段研究La2O3添加量对复相陶瓷微观结构和性能的影响.结果表明:掺杂La2O3可将复相陶瓷的烧结温度降低至1540℃,经1540℃烧结的掺杂复相陶瓷强度和硬度分别为183 MPa和18.46 GPa.La2O3位于晶界处抑制晶粒长大,促进晶粒细化,利于样品的致密化,同时其晶界强化作用有利于复相陶瓷强度的提高.     

纳米ZrO2-微米Al2O3复合陶瓷中"内晶型"结构的形成与机理

考察了不同烧结状态的氧化错增韧氧化铝陶瓷(zirconia—toughened alumina,ZTA)的晶粒长大与“内晶型”形成的关系。烧结过程中,ZTA陶瓷中晶粒生长与温度、保温时间、第二相ZrO2含量有关,其中温度的影响最为显著。第二相粒子有沿主晶相晶界移动聚集的趋向。内晶结构的形成机理可概括为第二相粒子被夹在主相两晶粒之间不能移动,在随后的主晶相长大过程中,两晶粒共同晶界发生迁移或晶粒“合并”,将第二相粒子纳入晶粒内部。而没有被主相颗粒挤住的可移动的第二相粒子则聚集成较大的晶问第二相颗粒。     

AlN陶瓷中的晶界第二相

晶界第二相是ＡＩＮ陶瓷显微结构的重要组成部分，对ＡＩＮ陶瓷的热导率有重大的影响。本工作研究了以Ｙ＿２Ｏ＿３为烧结助剂的无压烧结ＡＩＮ陶瓷中，晶界第二相的组成、含量及其分布，结果表明：晶界第二相的组成主要取决于配料中的Ｙ＿２Ｏ＿３／Ａｌ＿２Ｏ＿３比值，同时也受工艺因素影响；随着Ｙ＿２Ｏ＿３加入量增多，晶界第二相含量呈线性增加，其分布也变成从三个晶粒连接处延伸到所有晶界。还讨论了晶界第二相对热导率的影响。认为只要ＡＩＮ晶格完整无缺，ＡＩＮ相保持连通，即使存在少量的Ｙ＿４Ａｌ＿２Ｏ＿９和／或Ｙ＿２Ｏ＿３第二相材料，预期仍可获得高的热导率。     

电铸铜微观组织与织构的研究

采用扫描电镜、透射电镜和电子背散射衍射技术,研究了不锈钢上厚度约2.2 mm的电铸铜层的微观组织、晶粒取向和晶界特征.实验表明,其组织主要由柱状晶构成,靠近基体50～100 μm处的铸层由细小等轴晶和细小柱状晶构成.对于所有晶区,小角度晶界(<15°)的分布频率较小,大角度(>15°)晶界为电铸铜组织的主要晶界,在大角度晶界中,CSL晶界占有很大比例,其中∑3的分布频率较大.柱状晶由平行分布的层状孪晶构成,近似垂直于柱状晶长轴,层间孪晶界为∑3类型.铸层存在较显著的铜型织构,即<111>择优取向,并且随铸层厚度的增加而加强.     

材料科学的新发展

<正> 材料科学通过现代先进的分析与实验工具,如俄歇能谱,扫描电镜、电子探针,偏光显微、衍射、激光、椭园仪、质谱等,使科学家们能剖析夹杂、疏松,裂缝、偏析等缺陷及显微组织,界面化学与宏观强度等性能的关系;了解材料破坏包括断裂力学、氧化、腐蚀、脆化和磨蚀的过程和界面的结构特征;从而为研制细粒材料,功能材料,超导材料,复合材料,新工艺新技术指出了发展方向。晶粒细化是提高材料韧性、耐蚀性的有效途径,这是因为晶粒大小与晶界有关,细晶粒材料晶界相子的体积百分数比粗晶粒大得     

不同硅片对SBT薄膜结构与性能的影响

采用HPAgilent4294A阻抗分析仪、XRD、TEM等测试方法研究了不同电阻率硅片对Sr0.5Ba0.5TiO3(SBT)薄膜结构与性能的影响.在测试频率为1KHz时,在高阻硅片上生成的SBT薄膜的相对介电常数εr,介质损耗tanδ分别为100.54,0.060,材料的介电性能相对提高,并表现出较好的频散特性;最大εr温度点Tm(居里温度)稍微移向高温.在高阻硅片上制备的SBT薄膜易生成四方钙钛矿结构,薄膜表面无裂纹,孔洞少,比较致密,晶粒的平均粒径均为80nm,分布均匀;晶格条纹间距约为0.296nm,晶界2侧的晶粒取向是随机的.