泡沫前驱体碳热还原氮化法合成氮化铝粉体(英)

本研究采用碳热还原氮化法(CRN)合成Al N粉体。以γ-Al_2O_3和炭黑为原料,采用直接发泡工艺与注凝成型相结合的方法制备出Al_2O_3/C泡沫,作为合成Al N粉体的前驱体。泡沫孔隙尺寸从几十微米到几百微米,总孔隙率56%~90%。具有通孔结构的泡沫前驱体实现了原料内部各处的均匀的固–气反应,泡沫总孔隙率≥80%可显著提高CRN反应的速率。XRD分析结果显示:CRN过程中存在γ-Al_2O_3到α-Al_2O_3的相转变,反应起始温度在1300℃以上,并在1550℃反应完全。在1650℃合成得到的Al N颗粒平均粒径不超过1μm,氮含量为32.9wt%。     

形核密度对AlON粉体合成及其透明陶瓷制备的影响

以α-Al₂O₃为原料, 采用碳热还原氮化法合成AlON粉体, 利用活性炭和亚微米碳粉改变球磨后一次粉体(α-Al₂O₃和C混合粉体)的形核密度, 并研究形核密度对AlON粉体相组成、形貌及其透明陶瓷透光性的影响。结果表明, 形核密度不同的一次粉体在1750℃保温60 min均能合成纯相AlON粉体, 但是所合成的两种AlON粉体形貌和性能差异较大。高形核密度下(添加活性炭)合成的AlON粉体形貌不规则、结构疏松且晶粒较小, 并易于球磨获得细颗粒粉体(~0.93 μm); 而低形核密度下(添加亚微米碳粉)合成的AlON粉体整体形貌呈近球形, 晶粒发育较完整, 且尺寸较大, 该粉体球磨后颗粒尺寸较大(~2.13 μm)。因此, 形核密度是影响AlON粉体形貌、结构特征和破碎性的主要因素。研究结果表明, 高形核密度粉体合成的AlON粉体具有更好的烧结活性, 它在1880℃保温150 min获得的透明陶瓷最大红外透过率达76.5% (3 mm厚), 比低形核密度粉体制备的透明陶瓷提高48.3%。因此, 以α-Al₂O₃为原料时, 提高形核密度有利于制备颗粒较小的高活性AlON粉体, 该粉体适合制备高透过率AlON透明陶瓷。     

PVP溶胶-凝胶法制备锂稳定Na-β-Al2O3纳米粉体

作为钠硫电池陶瓷电解质的核心材料, Na-β-Al₂O₃粉体对钠硫电池的性能影响很大。实验以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为络合剂, 合成了纳米Na-β-Al₂O₃粉体。结果表明, 以PVP络合的前驱体形成Na-β-Al₂O₃相的温度低至900?℃, 相比于传统固相合成法及其他化学合成法有显著的降低, 可有效抑制传统制备Na-β-Al₂O₃粉体方法中由于高温而导致Na₂O组份的挥发, 从而避免Na-β-Al₂O₃性能的下降。X射线衍射、扫描电镜和透射电镜对粉体的分析表明, 所获得的粉体为纯相的Na-β-Al₂O₃, 粉体粒径60~70 nm, 分散性好。高分散性的纳米粉体有助于制备高致密度的Na-β-Al₂O₃陶瓷。这种粉体制备烧结的Na-β-Al₂O₃陶瓷的电导率在350℃可达0.22 S/cm。     

蒸汽相转化涂晶法SAPO-34分子筛膜的制备及表征

采用一种新型涂晶方法即蒸汽相转化涂晶法, 在廉价大孔α-Al₂O₃载体上水热合成制备高质量的SAPO-34分子筛膜。该方法能够有效修复α-Al₂O₃载体的大孔缺陷, 通过制备平整均匀的晶种层, 最终得到了连续并且无明显“针孔”缺陷的SAPO-34膜。实验考察了浆料中添加尺寸分别为2 μm、1 μm、500 nm及100 nm的晶种对形成晶种层及分子筛膜的影响, 并将制备的分子筛膜用于渗透汽化异丙醇脱水实验。在75℃下对90wt%的异丙醇/水混合物具有优良的分离性能, 其通量和分离系数分别为1.396 kg/(m²·h)和973。     

球磨转速对Nd:YAG透明陶瓷的显微结构及光学性能的影响

以高纯商业Y₂O₃、α-Al₂O₃和Nd₂O₃粉体为原料, 以TEOS(正硅酸乙酯)和MgO为烧结助剂, 采用固相反应和真空烧结技术制备了1.0at%Nd:YAG透明陶瓷。系统研究了球磨转速(球磨时间10 h)对混合粉体的尺寸以及对陶瓷样品致密化行为、显微结构和光学性能的影响。结果表明: 通过球磨过程可以充分细化原料粉体的颗粒; 随着球磨转速的提高, 陶瓷烧结时样品中的气孔能更好地排除。但是球磨转速过高时, 陶瓷烧结体中存在少量的富铝第二相会降低样品的光学透过率。当球磨转速为130 r/min时, 真空烧结(1760℃×50 h)所得Nd:YAG透明陶瓷的微结构均匀致密, 几乎没有晶界和晶内气孔存在, 样品在1064 nm处的直线透过率高达83%。     

一维β-SiAlON材料可控合成

以Si粉、Al粉和Al₂O₃粉为原料压制成条样, 在1650~1850 K氮气和埋Si₃N₄颗粒气氛下分别合成了β-SiAlON晶须、带状和柱状晶, 并系统研究了一维β-SiAlON材料可控合成条件, 进而结合热力学分析了一维β-SiAlON材料的生长机制。结果表明: 以Si粉、Al粉和Al₂O₃为原料, 在氮气(纯度99.9%)和埋Si₃N₄颗粒气氛下在1650~1850 K保温6 h, 可以合成不同形貌的一维β-SiAlON材料。生长温度是一维β-SiAlON材料形貌控制的关键因素。生长温度为1650 K时, 合成了β-SiAlON晶须, 晶须直径200~400 nm, 长径比100~1000; 生长温度在1700~1800 K时, 可以合成β-SiAlON带状晶体, 厚度为200 nm, 宽度为1~4 μm, 长宽比在10~20之间; 生长温度升高至1800 K时, 出现大量柱状晶体。结合晶须显微结构形貌和热力学分析, β-SiAlON晶须的生长机制为气-固(VS)生长机制。     

液相沉淀法制备ZTA纳米复相陶瓷

以NH₄Al(SO₄ )₂·12H₂O , ZrOCl₂·8H₂O , Y(NO₃ ) 3为母盐, 用NH4 HCO₃作沉淀剂, 控制滴定速度小于5 mL/ min , 采用液相沉淀法制备了纳米3 Y-ZrO₂ / Al₂O₃前驱体。分析了添加籽晶和煅烧温度对粉体性能的影响。在1000 ℃煅烧得到了分散性良好, 平均粒径为10 nm , 两相分布均匀的纳米复合粉体, XRD 分析显示前驱体在煅烧过程中无中间相γ-Al₂O₃ 和θ-Al₂O₃生成, 粉体具有较高的烧结活性, 在1550 ℃烧结3 h 后烧结体致密度达到98. 6 % , 断裂韧性可达7. 68 MPa·m1/2 。      

In:Ga2O3氧化物半导体晶体的生长与性能研究

β-Ga₂O₃晶体是一种新型宽禁带氧化物半导体材料, 本征导电性差。为了在调控导电性能的同时兼顾高的透过率和结晶性能, 离子掺杂是一种有效的途径。采用光学浮区法生长出ϕ8 mm×50 mm蓝色透明In:Ga₂O₃晶体, 晶体具有较高的结晶完整性。In³⁺离子掺杂后, β-Ga₂O₃晶体在红外波段出现明显的自由载流子吸收, 热导率稍有减小。室温下, In:Ga₂O₃晶体的电导率和载流子浓度分别为4.94×10^-4 S/cm和1.005×10¹⁶ cm^-3, 其值高于β-Ga₂O₃晶体约1个数量级。In:Ga₂O₃晶体电学性能对热处理敏感, 1200℃空气气氛和氩气气氛退火后电导率降低。结果表明, In³⁺离子掺杂能够调控β-Ga₂O₃晶体的导电性能。     

碳热还原-反应烧结法制备多孔氮化硅陶瓷

以廉价的二氧化硅、炭黑和硅粉为起始原料, 利用碳热还原-反应烧结法制备了高气孔率、孔结构均匀的多孔氮化硅陶瓷, 考察了原料中硅粉含量对多孔氮化硅陶瓷微观组织和力学性能的影响。XRD分析表明烧结后的试样成分除了少量的α-Si₃N₄相和晶间相Y₂Si₃O₃N₄外, 其余都是β-Si₃N₄相; SEM分析显示微观组织由棒状β-Si₃N₄晶粒和均匀的孔组成。通过改变硅粉的含量, 制备了不同气孔率, 力学性能优异的多孔氮化硅陶瓷。     

γ-NaxCoO2粉体的聚丙烯酸钠凝胶法制备及其表征

本研究发展了一种用于制备氧化物热电材料γ-Na_xCoO₂粉体的化学合成方法——聚丙烯酸钠(PAAS)凝胶法。主要研究了PAAS/Co²⁺摩尔比、原料浓度和煅烧温度对产物相组成及微观形态的影响规律, 探讨了物相形成机制, 同时用该方法结合SPS制备了不同Na离子浓度的Na_xCoO₂多晶样品, 并对其热电性能进行了表征。结果表明, PAAS/Co²⁺摩尔比对产物相组成产生了显著影响, 随着PAAS/Co²⁺摩尔比的增加, 样品的相组成由Co₃O₄相向单相γ-Na_xCoO₂转变, 合适的PAAS/Co²⁺摩尔比为0.8~1.1。而反应原料浓度对产物相组成的影响存在一个临界值(0.025 mol/L), 大于临界值抑制单相形成, 小于临界值促进单相形成。煅烧温度的升高有助于γ-Na_xCoO₂单相的形成, 800℃煅烧得到γ-Na_xCoO₂单相, 晶粒形态呈片状, 平均厚度约200 nm, 片状方向的尺寸在1~4 μm之间。随着Na含量的增加, 样品的Seebeck系数增大, 电导率增加, 热导率降低, 最终导致ZT值大幅增加。     

稀土氧化物对SPS烧结AlN陶瓷电性能的影响

以AlN粉末为原料, 添加稀土氧化物(Sm₂O₃、Y₂O₃), 在氮气气氛下, 采用SPS烧结方法制备AlN陶瓷, 研究稀土氧化物的掺杂对AlN烧结试样相组成、微观结构和电性能的影响。实验表明: Sm₂O₃、Y₂O₃与Al₂O₃反应生成的液相稀土金属铝酸盐会提高AlN陶瓷致密度, 且在晶界处形成导电通路降低了AlN陶瓷电阻率。随着Sm₂O₃掺杂量的增加, 晶界相逐渐由Sm₄Al₂O₉过渡到SmAlO₃, 且Sm₄Al₂O₉对电阻率贡献最大。其中, 3wt% Sm₂O₃掺杂AlN陶瓷电阻率最低, 为      

碳热还原氮化法结合泡沫前驱体制备超细氮化铝粉体

本研究使用改良的碳热还原氮化法合成超细氮化铝粉体。以γ氧化铝和蔗糖作为铝源和碳源, 先预处理制备成多孔泡沫, 再通过碳热还原氮化法合成氮化铝粉体。反应过程和产物通过X射线衍射分析、SEM和TEM确定。X射线衍射分析表明整个反应过程不存在氧化铝的相转变。高分辨透射电子显微镜显示γ-Al₂O₃颗粒被无定型碳包裹, 从而抑制了γ-Al₂O₃到α-Al₂O₃的相转变。泡沫的多孔结构促进了氮气的扩散和反应副产物的释放, 使得最低反应温度降低至1450 ℃。SEM结果表明得到的氮化铝颗粒粒径大约为50 nm。本研究合成的氮化铝粉体可用于制备高热导氮化铝陶瓷。     

焙烧温度对Cu-Mn/γ-Al2O3催化剂催化氧化甲苯性能的影响

采用浸渍法合成了Cu-Mn/γ-Al₂O₃催化剂, 通过XRD、BET、H₂-TPR和XPS等方法对经不同温度(300~600℃)焙烧的催化剂进行表征, 采用固定床管式反应装置考察了焙烧温度对催化剂催化氧化甲苯的影响, 并讨论活性组分、表面Cu⁺/(Cu⁺+Cu²⁺)和Mn⁴⁺/(Mn⁴⁺+Mn³⁺)摩尔比值与催化剂活性的关系。结果发现, 550℃焙烧温度的催化剂活性最好, 氧化能力最强, 其转化率为95%时对应的反应温度T₉₅(286 ℃)最低, CO₂的选择性达100%。在550℃焙烧时生成的Cu_1.4Mn_1.6O₄新相以及催化剂表面中相对含量更高的Cu⁺和Mn⁴⁺是催化剂具有高活性的主要原因。     

超稀溶液体系中高性能MFI型沸石膜的制备及表征

以廉价管状大孔α-Al₂O₃作为载体, 采用二次生长法, 在超稀溶液体系(H₂O/SiO₂=1000)中成功制备了高性能MFI型沸石膜, 分别考察晶种尺寸和H₂O/SiO₂对沸石膜的形貌及渗透蒸发性能的影响。结果表明, 尺寸为0.4 μm晶种制备的晶种层具有更大的晶核密度, 能够增加载体表面的成核位点, 因此对沸石膜的生长具有更强的诱导作用。超稀溶液体系中低浓度的模板剂和硅源环境能够控制沸石晶体的生长速率, 从而降低沸石膜厚度, 同时可以抑制晶间缺陷的形成。将制备的沸石膜用于60℃渗透蒸发分离5wt%乙醇/水混合物, 分离因子α_(乙醇/水)和渗透通量分别为47和4.09 kg/(m²·h)。采用超稀的合成液配方和廉价大孔载体, 既可以降低沸石膜制备的原料成本, 又可以提高沸石膜的渗透通量, 显示出MFI型沸石膜在脱除水中低浓度有机物潜在的工业化应用前景。     

保温时间对β-Sialon结合镁铝尖晶石-碳材料的影响及其氧化动力学

以电熔尖晶石、Si粉和鳞片石墨为主要原料, 木质磺酸钙溶液(1.25 g/mL)为成型结合剂, 在氮气气氛下1450℃分别保温1、2、3和4 h原位生成β-Sialon结合MgAl₂O₄-C材料, 研究了保温时间对材料的物相组成、β-Sialon的显微结构及常规物理性能的影响, 并对该复合材料进行氧化动力学研究。结果表明: 当保温时间从1 h增加到4 h, 试样的物相变化规律基本相同, Si单质相消失, 完全转化为SiC、Si₃N₄和β-Sialon(Si₃Al₃O₃N₅)。当保温时间为3 h时, 生成的β-Sialon(Si₃Al₃O₃N₅)为完整圆柱状晶粒, 尺寸分布均匀, 交错成网络结构。随着保温时间的增加, 试样内部产生较多的SiO气体, 导致试样的显气孔率增加, 体积密度下降, 耐压强度和抗折强度先增加后下降, 当保温时间为3 h时, 耐压强度和抗折强度达到最大。氧化动力学研究表明, 氧化过程随着时间的推移分为化学反应控制阶段、化学反应和扩散共同控制阶段及扩散控制三个阶段。     

Synthesis of new ceramics from powder mixtures using thermal plasma processing

The synthesis of thermoelectric materials (β″-alumina) for the alkali metal thermoelectric converter (AMTEC) has been studied using a newly designed plasma jet reactor. Under not only atmospheric pressure but also low pressure, thin films of β″-alumina are successfully synthesized for the first time from powder mixtures of -Al₂O₃, Na₂CO₃ and MgO. The powder-mixing ratio, jet power and substrate position strongly affect the synthesis of β″-alumina, which is found to be correlated with jet temperature. Synthesis of ferrite particles is also discussed. Under both atmospheric and lower pressures, ferrite particles are successfully synthesized from powder mixtures of Fe₂O₃, ZnO, NiO and CuO. In the high temperature region of the plasma jet, ferrite particles with high purity can be synthesized.