重力分离SHS法制备钢管Al2O3内衬耐热耐磨涂层的研究

采用重力分离SHS制备了钢管内衬Al2O3涂层,进行了力学、抗热震、耐蚀等性能测试,研究了管径、装料密度及不同含量SiO2、CrO3添加剂对涂层组织与性能的影响。研究结果表明,涂层主要物相结构为α-Al2O3+FeAl2O4相,添加剂SiO2和CrO3不改变涂层的主要相组成。反应过程中熔融金属Fe在钢管基体和内衬陶瓷层之间形成了一层金属过渡层。当添加2%SiO2+6%CrO3时,涂层孔隙率最小,硬度最大,抗热震性能最好,耐蚀性也较好,具有良好的综合性能。实验条件下,管径25cm、装料密度1.5g/cm3的内衬涂层硬度为1917HV,孔隙率为9.0%。     

Al2TiO5-ZrO2复相材料的制备与性能

以α-Al2O3,TiO2,ZrO2为主要原料,以MgO,SiO2,Fe2O3为稳定剂,经1500℃×2h烧结可制得低热膨胀系数的Al2TiO5-ZrO2复相材料.实验发现:随试样中ZrO2含量的提高或随ZrO2稳定程度的提高,Al2TiO5-ZrO2材料的RT～1000℃热膨胀系数逐步降低,这与材料复合体热膨胀系数的常规相悖.ATZ-5试样的抗弯强度为39.15MPa,吸水率为3.28%,热膨胀系数为4.46×10-6 /℃,其抗热震性能优良,可承受的热震温差是P-ZrO2试样的1.62倍.     

W2Cu面对等离子体梯度热沉材料的制备和性能

采用粉末冶金法制备了 W2Cu面对等离子体梯度热沉材料。对其显微组织、 界面以及重要的热学、 力学性能进行了研究。显微组织观察表明 : 截面成分呈梯度分布 , 并通过高温下元素的扩散 , 实现了组织的连续变化 , 层间没有明显界面 ; 烧结后 Cu形成了连续的网络结构 , 分布在 W颗粒周围。W2Cu梯度材料的化学元素分- 1布和热学、 力学性能沿厚度方向呈梯度变化 , 材料整体的热导率达 151. 4 W·(m·K) 。在 800 ℃ 温差条件下 ,对材料分别进行抗热震和耐热疲劳实验。热震实验后 , 界面处未发现裂纹和开裂现象 , 表现出良好的抗热震性能。经过 83次热循环冲击后 , 观察到了裂缝 , 并探讨了裂缝形成机制。     

AlN添加量对BN基复合陶瓷热学性能与抗热震性的影响

以BN、SiO₂、AlN为原料, 采用热压工艺制备出BN基复合陶瓷。研究了AlN添加量对复合陶瓷热学与抗热震性能的影响。结果表明: 随着AlN添加量的增加, 复合陶瓷的热膨胀系数呈现先降低后升高的趋势。当AlN的添加量为5vol%时, 复合陶瓷的平均热膨胀系数最小, 为2.22×10^-6/K; 复合陶瓷的热导率则随着AlN添加量的增加呈先升高后降低的趋势, 当AlN的添加量为10vol%时达到最大值。未添加AlN的复合陶瓷热震后的残余强度随着热震温差的增大而升高; 随着AlN的引入, 复合陶瓷热震后的残余强度呈下降的趋势。对于添加5vol%AlN的复合陶瓷, 经1100℃热震后其残余强度为219.7 MPa, 强度保持率为88.9%, 抗热震性良好。     

氧化锆烧成体性能的匹配性及其应用

实验研究了 15 80℃× 1h常压烧结下 ,氧化钇含量的变化对氧化锆陶瓷的力学和热学性能匹配性的影响。结果显示 :当氧化钇含量为 2 5mol%时 ,15 80℃× 1h常压烧结的氧化钇稳定氧化锆陶瓷的抗热震性达到最佳 ;当氧化钇含量为 3 0mol%时 ,材料的综合力学性能达到最佳 ;当氧化钇含量为 3 5mol%时 ,材料的线膨胀系数最大 ;对于不同相组成的同一种材料而言 ,材料的抗热震性可简单表述为抗弯强度和线膨胀系数的函数。在实际材料设计时 ,必须考虑具体的工况需求 ,获得合理的力学性能与热学性能的搭配     

陶瓷内衬复合管金属/陶瓷SHS瞬间液相连接

基于重力分离SHS法制备陶瓷内衬复合管,采用CrO3 TiO2 C Al NiO燃烧体系合成出具有钢基体、中间过渡合金与内衬陶瓷三层结构的复合管,内衬陶瓷中α-Al2O3以树枝晶沿径向向心分布,（Al2O3 Ti2O3）共晶两相形成枝晶晶界且沿径向存在着成分偏析,中间过渡合金是以Fe-Cr-Ni-Al-Ti及基且富T 泊碳化钛颗粒呈梯度分布而构成,与钢基体形成冶金熔合,并与内衬陶瓷通过碳化物的桥接作用及与因重力分离不完全而残留于陶瓷上的Cr-Ni-Ti合金相连接,实现金属／陶瓷间SHS间液相连接（SHS－TLPB）。     

降低堇青石材料热膨胀系数的途径

堇青石材料热膨胀系数低,是优良的高温抗热震材料,但我国目前生产的堇青石材料热膨胀系数还有待进一步提高.综述了降低堇青石材料热膨胀系数的各种途径,包括调整材料的化学矿物组成、优化制备工艺和后期处理等,指出今后发展的方向是利用负膨胀材料开发低膨胀乃至零膨胀的堇青石材料,以期促进优质堇青石材料的研究与开发.     

CuO对重力分离SHS陶瓷内衬复合管组织的影响

采用重力分离自蔓延高温合成法(Self-propagating High-temperature Synthesis,简称SHS)法,以(Al-Fe2O3-CuO) SiO2复合铝热体系为铝热剂,制备了陶瓷内衬复合管.分析了添加剂CuO对陶瓷层组织的影响.XRD分析表明.陶瓷层主晶相为α-Al2O3、FeAl2O4、Al2SiO5,复合管的中间金属层由α相(Cu在α-Fe中的固溶体)和Cu相组成.CuO作为助燃剂,可提高燃烧速度和燃烧温度并减少陶瓷中FeAl2O4的含量.     

ZrO_2—Al_2O_3复合陶瓷的强化与增韧及其对抗热震性的改善

研究了4～12mol%ZrO_2的引入对 Al_2O_3陶瓷的增韧和强化作用。检测了热震损伤的 Al_2O_3基陶瓷的强度衰减行为和声发射特征。分析了该系列材料的抗热震性和断裂参数之间的关系。发现陶瓷材料中 ZrO_2粒子的弥散不仅增加了韧性,强度略有提高,还改善了材料的抗热震性。与纯 Al_2O_3材料相比,掺以4mol%和8mol%ZrO_2的 Al_2O_3材料的临界抗热震温差ΔT_c 提高了50～100℃,其强度和断裂韧性亦都有提高。含12mol%ZrO_2的 Al_2O_3基材料的强度、韧性和ΔT_c 都与纯 Al_2O_3材料相当。然而,以各种淬火温差处理过的热损伤12mol%ZrO_2-88mol%Al_2O_3材料,残存强度率 σ_(?)/σ_(?)却总是比其他热损伤材料高。这种抗热震损伤能力的强化归因子大量热震裂纹的成核,强烈地吸收了弹性应变能,以致缓和了紧接着的裂纹动态扩展和随后的准静态扩展趋势。这与12mol%ZrO_2～88mol%Al_2O_3材料具有较高的抗热震损伤参数,R″≈(K_(1c)/σ(?))~2,和裂纹稳定系数,R_(?)≈(γ(?)/α~2E)~(1/2),是一致的。可以认为,在4mol%ZrO_2-Al_2O_3和8mol%ZrO_2-Al_2O_3材料中,保持着的介稳四方 ZrO_2弥散粒子所引起的压应变能,有利于抑制热震裂纹的成核,必然提高其临界抗热震温差ΔT_(co)当 ZrO_2粒子的含量增大,如12mol%ZrO_2Al_2O_2材料,就     

反应烧结Si_3N_4的热震断裂行为

研究了四种 Si_3N_4材料的热震断裂行为。分析了材料的断裂参数(K_(1c)、γ(?) 和 σ(?))与抗热震参数之间的关系。无掺杂的 Si_3N_4-B_0的临界抗热震温差ΔT_c 为400℃左右,其热震裂纹以准静态的方式扩展。含 BN 的 Si_3N_4-B_1,Si_3N_4-B_2和 Si_3N_4-B_2材料的临界抗热震温差较高(ΔT_c=500℃),并在该温度点发生动态的裂纹扩展。当热震温差进一步提高,BN 含量较高的 Si_3N_4-B_2以及含有 BN 和 C 的 Si_3N_4-B_3在一定的温差增量范围内(ΔT_c′-ΔT_c=200℃)保持了裂纹的稳定;然后随着温差的继续扩大,其裂纹又逐步扩展。BN 含量较低的Si_3N_4-B_1则不同,其热震裂纹在作了动态扩展之后紧接着再逐步扩展。在实验的基础上阐明了 Si_3N_4材料的热震断裂行为是由抗热震参数控制的,而抗热震参数是断裂参数的函数。指出 Si_3N_4-B_2是适用于力学和热学环境下的结构材料,因其具有较高的抗热震参数和较小的热震强度衰减率。     

硅含量对高硅铝合金材料组织及性能的影响

针对航空航天电子封装用轻质高硅铝合金材料,采用空气雾化水冷与真空包套热挤压工艺相结合的方法,制备了Al-30Si和Al-40Si高硅铝合金,并利用金相显微镜、万能电子拉伸机、差热分析仪、TR-2热物性测试仪等设备系统测试和分析了该材料的显微组织、力学和热物理性能.结果表明:随着合金中硅含量的增加,经热挤压后的硅相尺寸相对要粗大一些;材料的热导率呈下降趋势,热导性能下降的幅度会随Si含量的增加而加大;热膨胀系数下降;材料的抗拉强度下降.     

潜在高熵陶瓷热障涂层材料的研究进展

热障涂层(TBC)材料是为航空发动机及燃气轮机提供热防护,延长其使用寿命的一种重要材料。近年对新型热障涂层材料的探索中出现各类高熵稀土氧化物,以期通过热力学上的高熵效应、动力学上的迟滞扩散效应、结构上的晶格畸变效应以及性能上的“鸡尾酒”效应获得优于单主元稀土氧化物的热学、力学、高温相稳定性及抗烧结腐蚀等性能。本文总结归纳了高熵稀土锆酸盐、铈酸盐、铪酸盐、钽酸盐及铌酸盐等五种高熵稀土氧化物的热学性质、力学性质及其他性质,着重强调了热导率和热膨胀系数,同时与相应单组分稀土氧化物的性能进行对比分析,探究影响其性能优劣的多种因素。最后指出未来或可将实验与第一性原理计算相结合,筛选出综合性能更加优异的高熵陶瓷热障涂层材料;同时,将高熵延伸至复杂组分或中熵陶瓷热障涂层材料也成为重要的拓展方向。     

低膨胀β-锂霞石基复合材料的研究现状与进展

热膨胀系数是材料的重要参数之一,自然界中,绝大多数物质都具有较高的热膨胀系数,热胀冷缩的情况较为严重,因此,这类物质通常具有较差的抗热冲击性,不能在温度变化巨大的环境下使用。如不均匀的温度分布和大的温度变化会引起航空航天器件结构破坏和电子设备的几何热变形,从而造成信号失真。然而自然界中,也存在少数具有负热膨胀系数的物质。这类材料的体积会随着温度的升高而减小。利用热膨胀系数的加和性,可将具有低热膨胀系数或负热膨胀系数的材料与高热膨胀系数的材料复合,得到热膨胀系数可调的复合材料,可显著提高其抗热震性。负热膨胀材料分为各向同性负热膨胀材料和各向异性负热膨胀材料。各向同性负热膨胀材料主要是ZrV_(2-x)P_xO_7和ZrW_2O_8系列,各向异性负热膨胀材料主要包括β-锂霞石、钙钛矿系列、A_2M_3O_(12)系列、M(CN)_2(M=Zn,Cd)系列、氧化物、沸石系列和金属有机框架结构材料(MOFs)等。其中,β-锂霞石因其具有较大的负热膨胀系数(α=-6.1×10~(-6)K~(-1))、较低的密度(2.67g/cm~3)、良好的抗热震性、介电性能及红外辐射,常被用作调节复合材料热膨胀系数的材料。β-锂霞石可与其他材料复合,制备出具有负热膨胀或接近"零膨胀"的复合材料,极大地提高材料的抗热震性和尺寸稳定性,进而提高材料的使用寿命。因此,β-锂霞石常被用来制备一些低膨胀陶瓷、微晶玻璃、金属基等复合材料,用于电气设备、电子元件、导弹天线罩涂层材料、激光陀螺仪和天文望远镜等领域。同时,由于β-锂霞石的各向异性热膨胀特性,复合材料中存在较多的残余应力从而使其机械强度下降。为了解决这个问题,可在复合材料中继续引入机械强度较高的纤维或晶须来提高其机械强度,形成三相复合的低膨胀、高机械强度的复合材料。这将进一步拓展此复合材料在惯性导弹、光纤陀螺等航空航天中的应用。本文主要综述了β-锂霞石在金属、玻璃以及陶瓷低膨胀两相或三相复合材料领域的研究现状及进展,概述了这几类低膨胀系数复合材料的制备工艺、热学性能、力学性能及应用领域,对β-锂霞石基复合材料未来的发展趋势及应用前景进行了展望。     

SiO2/环氧(E44)热膨胀性渐变的梯度功能材料(FGM)设计中的数学模型极其热应力分析

以基体树脂环氧(E44)为连续相，SiO2颗粒为分散相，设计了一种新型的热膨胀性渐变的梯度功能材料(FGM)，通过实验测定结合理论分析，确定了FGM材料组成与弹性模量、热膨胀系数及导热系数之间的关系式。应用经典层合板理论和热弹性力学理论分析了SiO2／环氧E44叠合层在稳态温度场内温度分布和热应力分布。结果表明，在稳态温度场内，FGM板的热应力分布依赖于体系的组成分布，当组成分布指数k=1时，最大热应力具有最小值。在该组成分布下，FGM板的热膨胀系数等各项性质都呈线性渐变。     

支柱绝缘子陶瓷材料的结构与性能

从成分、物相、组织结构和力学性能测试分析以及抗热震性能试验等方面,比较两种典型支柱绝缘子陶瓷材料的组织结构与性能的不同特点。结果表明:硅质绝缘子陶瓷材料中莫来石相含量高,气孔数量高,圆整度低,致密度低,SiO2颗粒与基体基本脱粘;而铝质绝缘子陶瓷材料中刚玉含量高,气孔含量少,圆整度高,组织较更致密,且Al2O3颗粒与基体结合紧密。铝质瓷的抗弯强度和弹性模量较大,而硅质瓷的抗热震性更高。     

大气等离子体喷涂Sm2Zr2O7涂层的结构和性能

稀土锆酸盐材料具有比Y2O3部分稳定ZrO2陶瓷低的热导率,是新型热障涂层的潜在候选材料之一.利用大气等离子体喷涂技术以喷雾造粒的Sm2Zr2O7粉体制备涂层,并在相同条件下沉积8wt%Y2O3稳定ZrO2涂层.对比评价了两种涂层的结构、热物理性能和力学性能.X射线衍射结果表明,制备态Sm2Zr2O7涂层为缺陷萤石结构.扫描电镜分析显示,Sm2Zr2O7和8wt%Y2O3稳定ZrO2涂层为典型的层状结构,内部有很多气孔、裂纹等缺陷.800℃测得的Sm2Zr2O7涂层的热导率为0.44 W/(m.K),比相同条件下测得的8wt%Y2O3稳定ZrO2涂层的热导率低~40%,两者的热膨胀系数相似.力学测试结果显示,Sm2Zr2O7涂层的抗折强度、硬度和弹性模量均低于8wt%Y2O3稳定ZrO2涂层.     

密度对C/C复合材料热力学性能的影响

采用针刺预制体经化学气相沉积与沥青浸渍-高压碳化致密工艺制备C/C复合材料,通过控制沥青浸渍-高压碳化致密次数,获得了密度分别为1.70 g/cm3、1.82 g/cm3、1.89 g/cm3的三种C/C材料,测试材料的力学、热学性能.结果表明材料拉伸强度随密度升高而降低.当密度较低时,纤维/基体界面结合强度相对较低,可以延缓纤维断裂的发生;拉伸断口显示出假塑性断裂特征,有利于材料拉伸强度的提高.材料的压缩强度与剪切性能密切相关,且均随密度升高表现出先升后降的趋势.材料的热膨胀系数随密度升高而增大,材料中微晶之间的空隙在受热过程中可以吸收一部分膨胀量,因此对于C/C材料,降低密度有利于降低热膨胀系数.材料导热系数随密度升高而明显增大,且随密度升高,微晶尺寸增大,有利于晶格振动的传递,从而使得导热系数增大.热应力因子随密度升高而先升后降,作为热结构件使用时,采用密度为1.82 g/cm3的C/C材料可以获得相对较高的抗热震能力.在C/C材料研究开发中,可以综合对材料力学、热学性能的要求来对C/C材料密度指标进行设计.     

密度对C/C复合材料热力学性能的影响

采用针刺预制体经化学气相沉积与沥青浸渍-高压碳化致密工艺制备C/C复合材料,通过控制沥青浸渍-高压碳化致密次数,获得了密度分别为1.70g/cm~3、1.82g/cm~3、1.89g/cm~3的三种C/C材料,测试材料的力学、热学性能。结果表明材料拉伸强度随密度升高而降低。当密度较低时,纤维/基体界面结合强度相对较低,可以延缓纤维断裂的发生;拉伸断口显示出假塑性断裂特征,有利于材料拉伸强度的提高。材料的压缩强度与剪切性能密切相关,且均随密度升高表现出先升后降的趋势。材料的热膨胀系数随密度升高而增大,材料中微晶之间的空隙在受热过程中可以吸收一部分膨胀量,因此对于C/C材料,降低密度有利于降低热膨胀系数。材料导热系数随密度升高而明显增大,且随密度升高,微晶尺寸增大,有利于晶格振动的传递,从而使得导热系数增大。热应力因子随密度升高而先升后降,作为热结构件使用时,采用密度为1.82g/cm~3的C/C材料可以获得相对较高的抗热震能力。在C/C材料研究开发中,可以综合对材料力学、热学性能的要求来对C/C材料密度指标进行设计。     

微波烧结制备ZrO2-AlN复合陶瓷的微观结构与性能研究

氧化锆(ZrO₂)陶瓷具有出色的机械性能, 但其应用受到低热导率(Thermal Conductivity, TC)的限制。本研究设计并通过微波烧结制备了高热导率氧化锆-氮化铝(AlN)复合陶瓷, 优化制备条件后, 抑制了两种物质之间的反应, 获得了致密的复合陶瓷(相对密度>99%), 详细研究了该复合陶瓷的组织演变、热学性能和力学性能。研究结果表明, 随着AlN含量的增加, 复合陶瓷的室温下热导率、热扩散系数和热容增加, 分别达到41.3 W/(m·K)、15.2 mm²/s和0.6 J/(g·K)。这种具有高热导率和抗热震性的ZrO₂-AlN复合复合陶瓷在能源系统的高温热交换材料领域具有广阔的应用前景。     

掺杂稀土的xSrO.yA12O3系长余辉发光材料的制备及其光学性能

利用SrCO3-A12O3-RE(NO3)3(REEu,Dy)粉体为原料,加入少量酒精,进行预混合、球磨、干燥.将此混合粉体在还原气氛下高温烧成,最终制得不同发光性能的xSrO.yAl2O3RE(REEu,Dy)光致发光材料,并对其性能进行了研究.发光粉体的发射光谱表明,随着A12O3/SrO(摩尔比x)的增加,其相应粉体发射光谱的主峰位置(λE)逐渐向短波方向移动,符合λE=531.018-23.028X关系式.余辉衰减曲线表明,这些发光材料均具有一定的长余辉特性.从而说明只要控制一定的Al2O3/SrO比例,即可获得发光颜色为紫色到绿色的多种发光材料.对于其长余辉机制,认为是加入的Dy3+起到了陷阱能级的作用,它将部分空穴俘获,并在热扰动下,慢慢将空穴释放出来,并再次与介稳态Eu1+复合发光,从而达到延长余辉的作用.