信息功能陶瓷研究的几个热点

信息功能陶瓷是具有电、磁、声、光、热、力、化学或生物等不同性能之间相互转化和耦合效应的一类无机非金属功能材料, 亦称为功能陶瓷或电子陶瓷, 主要包括介电、铁电、压电、热释电、半导体、电光、磁性、高温超导等多种功能的新型高技术陶瓷。基于各种功能效应的新一代电子元器件如: MLCC电容器、片式电感器、电阻器、PTC和NTC热敏电阻、变阻器、晶界层电容器、滤波器、谐振器、压电换能器、驱动器、微位移器等等, 它们是计算机、集成电路、移动通信、能源技术和军工电子等领域的重要基础材料与元器件。随着高新技术的快速发展, 功能陶瓷材料的发展趋势是多层化、低维化、复相化、织构化以及高均匀性、低成本、低温合成、环境协调; 新型元器件则朝着片式化、微型化、模块化、低功耗、高频化、智能化、绿色化、大功率以及在极端条件下服役的高可靠性方向发展。 　　近几年来, 随着人们环境保护意识的日益增强, 经济发展对能源需求的快速增长以及环境污染问题的日益突出, 环境友好型的无铅压电陶瓷、储能介质与高性能电容器、巨电卡效应成为功能陶瓷研究的三大热点。 1 d₃₃ > 400 pC/N的铌酸钾钠基无铅压电陶瓷 　　目前, 无铅压电陶瓷主要有BaTiO₃、Na_0.5Bi_0.5TiO₃和K_0.5Na_0.5NbO₃(KNN)三大体系, 其中BaTiO₃和Na_0.5Bi_0.5TiO₃的压电性能和居里温度相对较低, 主要用于超声探测器; KNN的烧结温度较低、居里温度高、压电系数高, 有望成为PZT的替代材料^[1-2]。 　　当K/Na=47/53时, KNN体系中存在两种正交相的相界, 此处的压电性能最优^[3]。从高温降低的过程中, KNN体系经历立方→四方→正交→三方等系列相变。三个介电峰位于690、480和158 K, 分别对应C-T、T-O和O-R三个相变。通过元素的掺杂取代可以改变KNN中的相变温度, 提高其铁电和压电性能。等价掺杂中A位通常掺杂一价的Li⁺或Ag⁺, B位掺杂五价的Ta⁵⁺或Sb⁵⁺; 不等价掺杂时, A位可以掺杂Ca²⁺、Sr²⁺或Ba²⁺, 甚至可以共掺(Bi_0.5Li_0.5)²⁺、(Bi_0.5Na_0.5)²⁺或(Bi_0.5K_0.5)²⁺, 此时B位可以有Ti⁴⁺和Zr⁴⁺。 　　研究发现Li⁺是唯一能够提高T_c的掺杂元素, 价态不匹配会导致T_c的迅速下降^[4]。T-O和O-R相变受到B位离子的强烈支配。B位Ti⁴⁺离子取代时会导致T-O和O-R相变温度降低^[5]。当B位被Zr⁴⁺取代时, T-O相变温度同样下降, 尽管随组成下降略缓, 相反的是O-R相变温度升高, 8%的Zr4+取代就能将R相移到室温; Sb5+的取代同样能够提高O-R相变温度, 9%的Sb取代将O-R相变温度提升到室温; Ta取代会引起居里温度的下降, 并降低T-O相变温度^{[4, 6]}。从这些离子取代对O-R的影响规律上看, O-R相变的决定因素不仅仅是由B位离子半径引起的化学应力, 化学键的强弱也可能是影响因素。总之, 通过MPB和PPT相界组成的优化, 在0.90(Na_0.5K_0.5)NbO_3-xBaZrO₃-(0.10-x)(Bi_0.5Li_0.5)TiO₃体系中, 当x=0.7~0.8时, d₃₃ =230~265 pC/N, k_p=40.6%~41.9%。当组成为0.92(Na_0.5K_0.5)NbO₃-0.06BaZrO₃-0.02(Bi_0.5K_0.5)TiO₃-0.25wt%MnO₂时, d₃₃=420 pC/N, k_p=56%, T_c=243℃^[7-9], 其室温压电性能与PZT-4陶瓷接近, 但是其温度稳定性和长期工作的可靠性还有待进一步研究和考验, 因此, 关于“垂直相界的研究”将是今后的重要研究内容之一^[10]。 　　不同离子取代时KNN中不同相变调控规律, 其机理仍需要进一步探讨。对复杂的KNN固溶体中相界和相变的系统实验和理论研究有可能是实现无铅压电陶瓷实际应用的最有希望的突破口。 2 高性能陶瓷储能介质的研究 　　储能电容器具有储能密度高、充放电速度快、抗循环老化、高温和高压等极端环境下性能稳定等优点, 在电动汽车、功率电子器件、脉冲功率电源、高能量密度武器、新能源及智能电网系统等基础科研和工程应用领域有着广阔的应用前景[11]。 　　美国EEStor公司在静电介质超级电容器方面申请了多项专利^[12], 如“采用陶瓷介质和集成电路技术的电能存储单元(EESU)取代电化学电池”的专利技术在学术界和产业界产生了强烈反响, 对纯电动汽车来说, 无疑是一个重大突破, 但相关的技术细节、验证和实施还需要大量的研究工作。 　　章启明等^[13]在有机介质电容器中实现了高密度储能的新途径(>17 J/cm³), 引起人们对介质超级电容器储能系统的广泛重视。最近, 刘芸等^[14]报道在(Nb/In)共掺杂的金红石TiO₂陶瓷中形成缺陷偶极子团簇, 在宽温区获得巨介电常数(>104)的同时具有较小的介质损耗(<0.05)。 　　当前, 正在开展的研究工作还有陶瓷晶粒包裹玻璃层、在玻璃之中析出极性区域以及BaTiO₃表面包覆一层Al(OH)x离子介质层可能形成电化学赝电容等方法^[15], 这种通过引入离子导电性晶界使电化学赝电容与静电电容共存的概念, 为陶瓷储能电容器研究开启了新的思路。同时, 在双电层电容器中也在尝试引入电介质层来提高其工作电压。各种技术优势的相互渗透和交融大大激发了新概念、新机理电容器的研究, 无疑会促进电容器储能技术和应用的发展。 3 巨电卡效应 　　电卡效应是指在极性材料中因外电场的改变导致极化状态发生改变而产生的绝热温度或等温熵的变化。上个世纪30年代就有电卡效应的报道, 只是由于陶瓷材料的工作场强低, 得到绝热温度的变化都小于1℃。近年来, 相关研究取得飞速发展, 为此, 本专辑特邀鲁圣国教授撰写相关综述论文, 以飨读者。 　　2006年, Mischenko等报道了在溶胶-凝胶法制备的Pb(Zr_0.95Ti_0.05)O₃反铁电薄膜的电卡效应, 薄膜厚度为350 nm, 工作电场为48 MV/m, 得到了绝热温变为12℃, 熵变ΔS=8 J/(kg?K)^[16]。随后, 章启明等^[17]在铁电共聚物(P(VDF-TrFE, 68/32 mol%)中获得大的铁电-顺电相变热为2.1×10⁴ J/kg, 熵变ΔS=56.0 J/(kg?K), 为巨电卡效应和新材料研究开启了新的大门。 　　鲁圣国等^[18]在PLZT8/65/35薄膜中观察到绝热温变达40 K, 等温熵变达50 J/(kg?K)的现象。最近, 樊慧卿等^[19]在Pb_0.8Ba_0.2ZrO₃薄膜中, 也发现存在室温巨电卡效应, 在工作电场为598 kV/cm时, 电卡效应的最佳值为ΔT= 45.3 K,ΔS = 46.9 J/(kg?K)。 　　上述这些研究结果预示着一种新的制冷技术实现变革的可能性, 利用固态电卡制冷原理取代传统卡诺制冷压缩机的超小体积、高效节能和环保无制冷剂的新一代冰箱、空调等将成为功能陶瓷研究新热点。     

高碳钢生产工艺及质量分析

介绍了重庆钢铁股份有限公司采用转炉-LF-连铸生产高碳钢的工艺,并对其工艺和质量进行了分析,总结了工艺操作要点,认为高碳钢生产控制的重点和难点是控制钢的碳偏析和钢中夹杂物的形态及数量.     

蛋白质基质脂肪模拟物制备方法及其应用的研究进展

随着人们对饮食健康的关注日益增加,脂肪摄入过多带来的负面影响渐渐被人们正视。因此,脂肪替代品应运而生。脂肪模拟物作为脂肪替代品的一部分,由于其安全可靠得到了国内外的广泛研究。脂肪模拟物的制备是生产低脂食品的关键环节,目前蛋白质基质的脂肪模拟物主要通过物理方法、化学方法或者酶解法来制备,其应用主要在肉制品、乳制品、烘焙制品以及色拉调味品中。通过总结近年来国内外对脂肪模拟物的研究,对蛋白质基质脂肪模拟物的制备方法进行了分类阐述,并对不同的方法进行了分析和展望;对蛋白质基质脂肪模拟物的原料蛋白及其应用进行了较全面的总结。     

信息功能陶瓷研究的新进展与挑战

信息功能陶瓷是各类电子元器件的核心材料,因而成为无机非金属材料研究中最为活跃的领域。研究主要集中在介电、压电/铁电、磁性介质陶瓷,导电/半导体陶瓷,以及它们之间的复合与集成。结合近年来我国信息功能陶瓷973计划项目的研究情况,从几个方面简述了信息功能陶瓷领域相关研究的新进展、面临的挑战及发展趋势。     

煅烧条件对制备γ-Al2O3的影响

阐述了采用焙烧拟薄水铝石制备高质量的γ-Al2O3的方法,并且分析了制备γ-Al2O3过程中的工艺条件(干燥、成型及煅烧条件)对产品性能的影响,重点讨论了煅烧条件与产品质量的关系,最终得出了制备γ-Al2O3较佳煅烧工艺条件,温度为450℃,时间为10h,升温速度为100℃/h.     

输电线路戈壁碎石土地基现场直剪试验

针对西北750 kV输电线路建设的甘肃河西走廊地区戈壁滩碎石土地基的特点,选择3 个具有代表性试验场地进行了现场直剪试验。结果表明：戈壁滩碎石土具有粘聚力,3 个试验场地碎石土的粘聚力分别为10.2 kPa、23.0 kPa 和15.3 kPa,内摩擦角分别为39.6°、43.4°与47.0°。试验结果可作为该地区输电线路掏挖原状土铁塔基础设计的依据。     

硫酸浸出次氧化锌粉动力学研究

针对酸浸渣经过回转窑挥发后的产物次氧化锌粉,采用硫酸作为浸出剂和单粒度级别的模型,研究了浸出温度和硫酸浓度对锌浸出率的影响,并获得了该反应的动力学方程。结果表明,硫酸浸出次氧化锌粉反应为化学控制过程,活化能为66.838kJ/mol,反应级数为0.33。     

基于协同机器学习的电力系统可靠性预测模型

众所周知，电力系统运行过程中会出现需要显性只是预测困难等问题，构建了基于连续协同机器学习算法的电力系统运行可靠性预测模型。首先，构建连续协同机器学习算法机制实现电力系统运行可靠性精准预测；然后，构建时间正序下的电力系统运行可靠性核心要素样本精准预测机制；最后，借助电力系统运行可靠性预测函数输出最优预测结果。开展了模型工程应用实践验证，验证结果表明，模型满足电力系统运行可靠性预测智慧化改造需求，大幅度优化了电力系统运行可靠性预测智慧可控感知机制，电力系统运行可靠性预测模型核心参数符合工程实践要求。     

基于Fluent的小麦气力输送数值模拟研究

为研究小麦长距离气力输送，在欧拉-欧拉模型的基础上，结合颗粒动力学和Gidaspow曳力模型构建小麦直管输送气固两相流模型，用Fluent软件对小麦输送进行数值模拟。结果表明，小麦颗粒流化后进入直管，颗粒在流场中受到重力以及曳力的影响下，在管道下方堆积成高浓度区域，体积分数为37%，随着输送风速的增大体积分数减小；小麦颗粒在输送中受到压应力最大为305 Pa，颗粒剪切应力最大为523.4 Pa，理论上小麦颗粒在输送过程中不会发生破碎；在靠近管壁有较高的湍动能，随着风速增大而增大。研究为气力输送装备设计开发提供理论基础。     

基于滑槽试验的小麦粉静电积累特性研究

为研究小麦粉静电积累特性，利用法拉第筒搭建粉体滑槽静电试验平台，以小麦粉为试验材料，测试滑槽倾斜角度、滑槽材质、滑动长度和粉体含水量对粉体荷电影响。结果表明，在含水率为11.62%、滑度长度100 cm的条件下，小麦粉在倾斜角度为45°和60°的不锈钢滑槽滑行后，荷质比均值分别为9.09,14.34 nC/g；在含水率为11.62%、倾斜角度60°的条件下，小麦粉在不锈钢、铝合金、玻璃材质滑槽滑行70 cm后，荷质比均值分别为11.29,16.48,2.94 nC/g；小麦粉荷质比随着滑动长度增加而增加；含水率为11.62%和16.7%的小麦粉荷质比均值分别为13.88,8.41 n C/g。研究为食品粉体除静电技术提供理论基础。