Si-Al-Zr-O系超微细晶复相陶瓷研究

回顾了目前Si-Al-Zr-O系超微细晶复相陶瓷的主要研究方法并分析了这些方法的特点.针对应用超微细粉致密化制备Si-Al-Zr-O系陶瓷材料存在的烧结温度高(一般高于1500℃),致密化难,增韧相种类有限且成本高等问题,提出了一种新的制备方法——非晶原位受控晶化法,在较低温度1100~1200℃下制得均匀、致密、高可靠性的Si-Al-Zr-O系超微细晶复相陶瓷.该方法能有效避免高温烧结以及烧结过程中纳米粉末的团聚和晶粒异常长大,实现显微结构的有效控制,是一种具有发展前景的制备技术.     

陶瓷材料烧结致密化过程的元胞自动机模拟

为研究陶瓷材料烧结致密化过程,以晶界能和晶界曲率生长驱动力理论为基础,建立了含有气孔的二相晶粒生长的元胞自动机模型,对陶瓷材料烧结致密化过程进行了模拟,并与制备的Al2O3/TiN陶瓷材料进行对比.结果表明,模型可有效地模拟陶瓷材料烧结时晶粒的生长及气孔的湮灭情况,能较好地再现烧结致密化过程,模拟结果与制备的陶瓷材料微观形貌组织十分接近.     

纳米陶瓷的制备

纳米陶瓷材料可显著降低材料的烧结致密化程度,节约能源;并可改善陶瓷材料的性能,提高其使用可靠性。主要介绍了纳米陶瓷的制备方法,包括纳米陶瓷粉体的制备、成型和烧结。     

超重力熔铸Y2O3-Al2O3-SiO2玻璃的晶化行为研究

研究了以超重力熔铸方法制备的Y₂O₃-Al₂O₃-SiO₂玻璃的晶化行为, 并结合相图分析了热处理条件对晶化过程的影响规律。实验结果表明, Y₂O₃-Al₂O₃-SiO₂玻璃的晶化行为与热处理温度和SiO₂含量密切相关。当热处理温度为1050℃时, 晶化后样品的相组成沿超重力场方向呈现出梯度分布, 自上而下分别为Al₆Si₂O₁₃玻璃陶瓷、纯玻璃相、χ-Al₂O₃玻璃陶瓷。当退火温度为1100℃时, 析出晶相主要为Y₃Al₅O₁₂及Y₂Si₂O₇; 退火温度为1200℃时主要析出Y₃Al₅O₁₂。因此, 以超重力熔铸法制备YAS玻璃结合后续热处理的工艺, 提供了一种快速制备YAS基微晶玻璃的新方法。     

CaF2烧结助剂对热压烧结AlN-BN陶瓷复合材料的影响

用热压工艺制备了AlN-BN复合陶瓷材料,研究了不同含量CaF2烧结助剂对致密化、介电和热导性能的影响.研究表明:CaF2添加剂可促进材料致密化,净化材料晶界,优化材料的综合性能.热压1850℃保温3h可获得高致密度的烧结体,添加3wt%～4wt%的CaF2,可获得98.53%～98.54%的相对密度.制备的AlN-BN复合材料其介电常数在7.29～7.60之间,介电损耗值最小为6.28×10-4,添加3wt%的CaF2获得的热导率为110W·m-1·K-1.     

TiC-TiB2复合陶瓷制备的研究进展

通过介绍国内外TiC-TiB2复合陶瓷的制备方法、显微结构与合成机理,并结合超重力下燃烧合成TiCTiB2复合陶瓷的显微结构与合成机理,探讨了各种制备方法的特点及对TiC-TiB2复合陶瓷致密化的影响,并指出自蔓延高温合成因其成本低,现已成为制备该类复合陶瓷主要的、最具前景的关键技术,同时为促进陶瓷致密、细化组织并提高组织均匀性,该材料的发展方向应着重于采用自蔓延高温合成制备TiC-TiN共晶系陶瓷.     

微波均相合成YAG纳米粉体及其可烧结性研究

采用微波辐照尿素法均相合成技术制备了具有良好分散性的纳米级单相YAG粉体,分析了YAG前驱体的化学组成及其物相变化过程,并对YAG粉体的粒度和形貌进行了表征,结果表明在尿素与钇铝离子的摩尔比为15:1的低尿素用量条件下,合成的无定形前驱物经900℃煅烧直接结晶生成YAG单相粉体,在反应体系中添加适量(NH₄)₂SO₄可使YAG粉体的粒度分布和可烧结性明显改善,添加8%的(NH₄)₂SO₄得到的YAG粉体具有良好的可烧结性,在1500℃烧结即可实现致密化.     

TiB2陶瓷活化烧结及制备技术

TiB2材料具有高熔点、高硬度、耐磨、耐腐蚀、抗氧化以及导电性好和导热性好等优点,是一种具有广泛应用前景的新型陶瓷材料.但是其极强的共价键晶体结构和较低的自扩散系数,使得其很难获得致密的陶瓷材料.主要从添加助烧剂和烧结技术两方面介绍了TiB2陶瓷活化烧结方法的研究进展,并分析了该技术促进材料烧结致密化的机制,同时介绍了热压烧结和放电等离子(SPS)烧结技术.     

两段式无压烧结制备纳米二氧化锆(3Y)材料

研究了两段式无压烧结制备纳米二氧化锆(ZrO_2)(3Y)陶瓷材料过程中晶粒生长与致密化的协同控制。将粒度为30nm的商品纳米ZrO_2(3Y)粉体进行冷等压成型制成相对密度为49%的素坯,然后将坯体加热至1 250℃以获得94%的相对密度,后降温至1 050℃保温20 h,制得相对密度大于99%晶粒尺寸为100 nm左右的ZrO_2(3Y)。研究表明,在烧结过程中利用晶粒生长与气孔收缩的活化能的差异以协调晶粒生长与致密化的关系,找出晶界迁移与晶界扩散、晶格扩散协同作用区域,在该区域晶粒生长受到抑制,而致密化得以维持,从而实现晶粒生长的抑制和坯体的完全致密化是两段式无压烧结的关键所在。     

大尺寸重力铸造A356铝硅合金管坯楔压致密化

为了消除铸造铝硅合金中的孔洞、疏松等缺陷,提高合金性能,采用基于多道次局部小变形累积整体成型的楔压成型工艺,压制出力学性能良好,整体致密化,外形圆整的A356管坯。通过金相组织、室温拉伸、布氏硬度和SEM等手段,对楔形压制致密化的规律及其合金的微观组织和力学性能进行研究。试验结果表明:楔形压制工艺能显著压合甚至消除重力铸造产生的孔洞,力学性能得到显著提高,抗拉强度和延伸率分别从楔压前的148MPa,2.5%提高到224MPa,7.3%。     

电场对TiO2-C-Al系燃烧合成过程的影响

以3TiO₂+3C+(4+x)Al反应体系为对象, 直接燃烧合成致密的TiC-Al₂O₃-Al复合材料。着重研究了电场对该体系燃烧合成过程的影响。结果表明: 外加电场的焦耳热效应可提高体系的绝热燃烧温度, 从而突破燃烧合成反应的热力学限制; 电场可改变体系的燃烧合成反应的模式; 随着电场强度的增加, 自蔓延燃烧温度和速度均提高, 而合成材料组织中Al₂O₃和TiC晶粒尺寸逐渐减小; 当体系中过余Al量x为14mol、 外加电场强度E为25V/cm时, 可直接燃烧合成相对致密性为92.5%的TiC-Al₂O₃-Al复合材料, 且合成的Al₂O₃和TiC晶粒尺寸细小(0.2~1.0μm), 在金属Al中分布均匀。      

致密PZT95/5铁电陶瓷低温相结构与电性能研究

采用固相法制备了致密PZT95/5铁电陶瓷, 研究了低温下致密PZT95/5铁电陶瓷相结构和电性能的变化规律。变温X射线衍射(XRD)研究表明, 低温(-60℃)下极化和未极化致密PZT95/5铁电陶瓷相结构保持不变。电性能研究表明随着温度从30℃下降至-60℃, 致密PZT95/5铁电陶瓷的相对介电常数从278显著下降至173, 而电阻率和剩余极化强度基本保持不变。结合冲击波载荷下动态放电模拟分析, 发现相对介电常数的降低将引起动态电场增大至常温下的1.5倍, 这可能是导致致密PZT95/5铁电陶瓷低温下击穿概率显著增大的关键因素。     

Ti3SiC2-64vol%SiC复相陶瓷高温氧化机理研究

采用热等静压原位合成了高致密的Ti₃SiC₂-64vol%SiC复相陶瓷. 通过热重实验研究其在1100~1450℃中空气气氛的高温氧化行为和机理. 研究显示,复相陶瓷的等温动力学曲线遵循抛物线型氧化或抛物线型直线型氧化规律. SiC (64vol%)的引入显著提高了Ti₃SiC₂-SiC材料的抗氧化能力. XRD及SEM-EDS分析显示,氧化膜由外层金红石型TiO₂和非晶态SiO₂组成,过渡层为TiO₂与SiO₂混合物. 高温下（1400℃）,非晶态SiO₂的形成改变了TiO₂膜的生长形态,形成致密TiO₂膜,有效阻碍了氧的扩散. 长时间氧化其抛物线速率常数比在1200℃下氧化低一个数量级. 材料在1400℃下的抗氧化性能明显优于在1200℃下的抗氧化性能.     

燃烧合成AlN—SiC固溶体陶瓷

在氮气氛中,占燃铝粉,硅粉和碳黑的混合粉末,合成ＡｌＮ－ＳｉＣ陶瓷。研究了氮气压力和反应物配比对燃烧温度,燃烧波蔓延速度以及燃烧产物的影响。结合热力学解释了ＡｌＮ－ＳｉＣ固溶体的形成机理及反应次序。用扫描电镜观察了反应的形貌。     

Silazane derived ceramics and related materials

This review highlights the synthesis, processing and properties of non-oxide silicon-based ceramic materials derived from silazanes and polysilazanes. A comprehensive summary of the preparation of precursor compounds containing Si–N–Si units, including commercially available materials, is followed by the discussion of various processing techniques. The fabrication of dense bulk ceramics in the Si/E/C/N systems is reported which involves cross-linking of the polymeric ceramic precursor followed by a polymer-to-ceramic transformation step. The cross-linked precursor can be milled, compacted and pyrolysed to form dense, additive-free, amorphous silicon carbonitride monoliths or polycrystalline composites which withstand oxidation in air at 1600°C. Furthermore, an overview is given on the fabrication of silazane derived powders and coatings involving chemical vapour deposition (CVD) methods utilising volatile precursors. Fibre spinning and fibre properties, as well as other processing techniques like infiltration of preforms, the preparation of porous ceramics and joining are briefly discussed. A state of the art of the mechanical properties of polymer derived amorphous Si/C/N and Si/B/C/N ceramics with respect to hardness as well as high-temperature creep and oxidation resistance is summarised. Finally, some important aspects of industrial applications will be considered. The review is in part based on our own work related to the polysilazane derived ceramics, but will also cover a comprehensive state of the art including the published literature in this field.     

Creep and Superplasticity of Gadolinium-Doped Ceria Ceramics under AC Electric Current

Shaping of dense ceramics is difficult due to their inherent brittleness. Nanograined ceramics like tetragonal zirconia (TZP) can be superplastically deformed and shaped at high temperatures owing to grain boundary sliding (GBS). Herein, the enhanced plasticity of gadolinium-doped ceria (GDC) ceramics under mild and strong AC electric current in terms of steady state creep rate under both compressive and tensile loading is demonstrated. A current density of 25 and 200 mA mm⁻² is used for the creep deformation. The creep rate increases by up to two orders of magnitude under electric current. The stress exponent remains unchanged for creep experiments at 1200 °C with and without electric current, suggesting a GBS mechanism of plastic deformation in both cases. The field-enhanced creep rate is attributed to the interaction of space–charge layer and the electric field resulting in enhanced GBS. A higher current density results in enhanced ductility of GDC even when the Joule heating effect is compensated by reducing the furnace temperature.     

氧化物陶瓷闪烧机理及其应用研究进展

闪烧是近些年广受关注的一种电场辅助烧结技术。本文介绍了闪烧的起源与发展, 并对闪烧的基本特征进行了分析。在闪烧孕育与引发过程的研究方面, 发现了孕育阶段的非线性电导特征和电化学黑化现象, 提出了氧空位主导的缺陷机制; 在闪烧阶段的快速致密化研究方面, 提出了电场作用导致的缺陷产生和运动会在粉体颗粒间产生库仑力, 有利于烧结前期的致密化过程, 同时发现闪烧致密化过程中还伴随着金属阳离子的快速运动; 在闪烧阶段的晶粒生长和微结构演变方面, 发现了试样温度沿电流方向呈非对称分布, 试样中间位置的晶界迁移率明显提高, 提出电化学缺陷对微观结构有重大影响。基于上述研究成果, 本团队利用电场作用下出现的低温快速传质现象, 发展了陶瓷闪焊技术, 实现了同种陶瓷/陶瓷、陶瓷/金属, 甚至异种陶瓷/陶瓷之间的快速连接; 发展了陶瓷闪烧合成技术, 不仅实现了典型氧化物陶瓷的快速合成, 而且实现了高熵陶瓷和具有共晶形貌的氧化物陶瓷的快速合成; 发展了氧化物陶瓷的电塑性成形技术, 初步实现了氧化锆陶瓷低温低应力下的快速拉伸和弯曲变形。本文最后总结了闪烧机理研究面临的挑战, 并从焦耳热效应和非焦耳热效应两方面展望了闪烧的发展方向, 期望对闪烧技术在国内的发展有所裨益。     

氧化物/氧化物共晶复合陶瓷研究进展

介绍了国外定向凝固Al2O3基共晶复合陶瓷,分析了材料制备工艺、共晶显微组织与力学性能之间的关系,并简要分析了该材料的发展趋势。同时,结合超重力下燃烧合成制备大尺寸Al2O3/ZrO2（Y2O3）共晶复合陶瓷研究,系统地介绍了在材料制备、材料成形与缺陷控制方面取得的研究成果,并进而指出该技术发展方向在于开发出三元共晶系材料,实现材料结构纳米化。     

体系成分对Fe-Cu-Ti-C体系电场原位合成的影响

为了研究电场作用下成分对Fe-Cu-Ti-C体系燃烧合成的影响,采用Gleeble-3500D热模拟机,原位合成了Fe-Cu-TiC复合材料.实验前计算体系的绝热温度;实验后对终试样进行XRD物相分析,扫描电子显微镜观察其组织,排水法测终试样密度.热力学计算表明,Fe质量分数为65%～75%、Cu质量分数为15%～20%的Fe-Cu-Ti-C体系的绝热燃烧温度在1245～1542 K,但电场作用使试样在927.98～1056.23 K间发生燃烧合成反应,铜含量越大,体系点火温度升高,且点火延迟时间变长,反应终产物均为Fe、Cu和TiC,其中TiC颗粒的尺寸均小于0.5μm.试样致密化程度随着铁-铜基体含量的增加而提高.电场可促使不同成分的Fe-Cu-Ti-C体系发生燃烧合成反应.     

Spark plasma sintering and decomposition of the Y<Subscript>3</Subscript>NbO<Subscript>7</Subscript>:Eu phase

The spark plasma sintering (SPS) of Eu³⁺-doped Y₃NbO₇ niobate phase was investigated to obtain dense ceramics. Although SPS allowed obtaining high-density ceramics, decomposition of the niobate phase occurred at high temperature and was promoted by the SPS process, which limited its use as an optical material. The niobate phase has been prepared by two synthesis methods: a solid-state route and a sol–gel method. The purity, density and microstructure of the dense ceramics were analyzed after spark plasma sintering. Translucent ceramics were only obtained from sol–gel powders after SPS at 1600 °C during 20 min with a heating rate of 5 °C/min. The sintering study of the pure niobate phase showed that during SPS process and especially in the presence of the high electrical field the Y₃NbO₇ phase is metastable at 1600 °C. A decomposition of the niobate compound is clearly demonstrated by luminescence measurements when high heating rates were used.