γ-Na_xCoO_2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_xCoO_2粉体的化学合成方法——聚丙烯酸钠(PAAS)凝胶法。主要研究了PAAS/Co~(2+)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_xCoO_2多晶样品,并对其热电性能进行了表征。结果表明,PAAS/Co~(2+)摩尔比对产物相组成产生了显著影响,随着PAAS/Co~(2+)摩尔比的增加,样品的相组成由Co_3O_4相向单相γ-Na_xCoO_2转变,合适的PAAS/Co~(2+)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_xCoO_2单相的形成,800℃煅烧得到γ-Na_xCoO_2单相,晶粒形态呈片状,平均厚度约200 nm,片状方向的尺寸在1~4μm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。     

Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ-Ce0.9Gd0.1O2-δ中低温固体氧化物燃料电池复相阴极的研究

采用溶胶-凝胶法制备Ba_0.5Sr_0.5Co_0.8Fe_0.2O_3-δ(BSCF)粉体后, 使用Ce_0.9Gd_0.1O_2-δ(GDC)溶胶包裹BSCF粉的方法制备疏松多孔的BSCF-xGDC(x=30wt%, 40wt%, 50wt%)复相阴极。通过X射线衍射仪、场发射扫描电镜和透射电镜对复相阴极的物相组成、单电池断面形貌及GDC对BSCF颗粒的包裹形貌进行表征。利用阻抗谱测试研究了复相阴极材料的电化学性能, 讨论了掺入GDC量对阴极性能的影响。结果表明：通过GDC溶胶包裹BSCF粉体的制备方法改善了阴极的电化学性能, 在同一温度下, BSCF-40GDC阴极的极化电阻最小, 在650℃时阴极极化阻抗约为0.397 Ω•cm²; 以BSCF-40GDC为阴极制备的单电池, 以H₂+3%H₂O为燃料气、空气为氧化气体, 650℃下电池的最大功率密度为0.514 W/cm², 欧姆电阻为0.257 Ω•cm², 两极极化电阻为0.0588 Ω•cm²。     

CaO-B2O3玻璃助烧的零膨胀系数β-锂霞石陶瓷的制备及性能研究

采用固相反应法制备CaO-B₂O₃玻璃（简称“CB”玻璃）助烧的零膨胀系数β-锂霞石陶瓷。通过差示扫描量热(DSC)、X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)手段分别对CB玻璃的热学特性和助烧后的β-锂霞石陶瓷样品的物相与显微形貌进行表征。结果表明, CB玻璃具有良好的助烧效果, 可以显著降低β-锂霞石陶瓷的烧结温度(从1300℃降至1150℃), 并大幅提高陶瓷的相对密度(从93.3%提高到97.4%)。加入CB玻璃助烧剂, β-锂霞石陶瓷致密性显著提高, 内部无微裂纹存在。加入4wt%和6wt% CB玻璃的β-锂霞石陶瓷在室温~200℃范围内具有零膨胀系数, 分别为0.02×10^-6/K和0.4×10^-6/K。然而, 加入8wt% CB玻璃的β-锂霞石陶瓷样品中产生了具有高正膨胀系数的新物相LiAlO₂, 使样品的热膨胀系数提高至3.46×10^-6/K。     

Te与In共掺杂对Cu2SnSe3热电性能的影响

Cu₂SnSe₃基化合物作为一种绿色环保的新型热电材料, 近年受到了研究者的广泛关注。然而, 本征Cu₂SnSe₃基化合物载流子浓度低、电性能较差。为优化Cu₂SnSe₃化合物的电热输运性能, 本研究采用熔融、退火结合放电等离子烧结技术制备了一系列Cu₂SnSe_3-xTe_x (x=0~0.2)和Cu₂Sn_1-yIn_ySe_2.9Te_0.1 (y=0.005~0.03)样品, 研究了Te固溶和In掺杂对材料电热输运性能的影响。Te在Cu₂SnSe_3-xTe_x (x=0~0.2)化合物中的固溶度为0.10, Te固溶显著增加了材料的载流子有效质量, 从本征Cu₂SnSe₃样品的0.2m_e增加到Cu₂SnSe_2.9Te_0.1样品的0.45m_e, 显著提高了材料的功率因子, Cu₂SnSe_2.99Te_0.01样品在300 K下获得最大功率因子为1.37 μW·cm^-1·K^-2。为了进一步提高材料的电传输性能, 本研究以Cu₂SnSe_2.9Te_0.1为基体并选取In在Sn位掺杂。In掺杂将Cu₂SnSe₃基化合物的载流子浓度从5.96×10¹⁸ cm^-3 (Cu₂SnSe_2.9Te_0.1)显著提高到2.06×10²⁰ cm^-3 (Cu₂Sn_0.975In_0.025Se_2.9Te_0.1)。调控载流子浓度促进了材料多价带参与电传输, 材料的电导率和载流子有效质量显著增加, 功率因子得到大幅度提升, 在473 K下Cu₂Sn_0.995In_0.005Se_2.9Te_0.1化合物获得最大功率因子为5.69 μW·cm^-1·K^-2。由于电输运行性能显著提升和晶格热导率降低, Cu₂Sn_0.985In_0.025Se_2.9Te_0.1样品在773 K下获得最大ZT为0.4, 较本征Cu₂SnSe₃样品提高了4倍。     

Sc3+和Ru4+联合取代BZN基陶瓷结构与介电性能的研究

采用传统的固相反应法制备致密的Bi_1.4Sc_0.1ZnNb_1.5-xRu_xO₇陶瓷样品, 研究Sc³⁺, Ru⁴⁺共同替代对Bi₂O₃-ZnO-Nb₂O₅陶瓷的相结构、晶体化学特性和介电性能的影响。结果表明: 当掺杂量x≤0.055 mol时, 样品保持单一的立方焦绿石结构。当掺杂量x=0.055 mol时, X射线衍射峰强度变弱, 峰形变宽。随着掺杂量的增加(0≤x≤0.04 mol), 陶瓷样品的晶格常数a和A位离子与第7个氧O′平均键长R_(A-O')逐渐减小, 结晶化学参数键价和AV(O')[A₄]增大, AV(O)[A₂B₂]减小, 48f(O)偏移量ξ增加。室温下样品的介电常数随着掺杂量的增加而减小, 介电损耗逐渐增加, 介电松弛特征减弱。低温下样品呈现明显的弛豫现象, 峰值温度T_m随着掺杂量的增加向高温方向移动。利用修正的Curie-Weiss(C-W)公式对样品ε_r-T曲线进行最小二乘法拟合, 得出样品的弛豫度γ由R0样品的1.57减小到R40样品的1.33。     

基于Pr0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ对称固体氧化物燃料电池的性能优化研究

采用柠檬酸-硝酸盐自蔓延燃烧法分别合成了Pr_0.6Sr_0.4Co_0.2Fe_0.8O_3-δ(PSCF)和Gd_0.2Ce_0.8O_2-δ(GDC)粉体, 高温固相法合成La_0.9Sr_0.1Ga_0.8Mg_0.2O_3-δ(LSGM)电解质粉体。以LSGM为电解质, PSCF同时作为阴极和阳极, GDC作为功能层材料, 构建了对称固体氧化物燃料电池PSCF│GDC│LSGM│GDC│PSCF。利用X射线衍射法研究材料的成相以及相互间的化学稳定性, 交流阻抗法记录界面极化行为, 用扫描电子显微镜观察电池的断面微结构, 用自组装的测试系统评价电池输出性能。结果表明, 合成的PSCF粉体呈立方钙钛矿结构, 具有良好的氧化-还原可逆性。使用GDC功能层明显改善了氢气环境下PSCF与LSGM材料间的化学相容性以及电池的输出性能, 800℃时, 电极│电解质界面极化电阻从6.892 Ω·cm²下降到0.314 Ω·cm²; 以加湿H₂(含体积分数3%的水蒸气)为燃料气, 空气为氧化气时, 单电池输出功率密度由269 mW/cm²增大至463 mW/cm²。研究结果显示, PSCF是对称固体氧化物燃料电池良好的候选电极材料, GDC功能层对改善电池长期稳定性能具有潜在的应用价值。     

n型SnS热电材料的制备与性能研究

SnS由低毒、廉价、高丰度的元素组成, 在热电研究领域受到广泛关注。采用机械合金化(MA)结合放电等离子烧结(SPS)工艺制备了n型SnS_1-xCl_x(x=0, 0.02, 0.03, 0.04, 0.05, 0.06)多晶块体热电样品, 并研究了Cl^-掺杂量对SnS物相、微观结构以及电热输运性能的影响。结果表明: Cl^-的引入会提高电子浓度, 使SnS由本征p型转变为n型半导体。随着Cl^-掺杂量的增加, n型SnS半导体室温下的霍尔载流子浓度从6.31×10¹⁴ cm^-3 (x=0.03)增加到7.27×10¹⁵cm^-3 (x=0.06)。x=0.05样品在823 K取得最大的电导率为408 S·m^-1, 同时具有较高的泽贝克系数为-553 μV•K^-1, 使其获得最大功率因子为1.2 μW·cm^-1·K^-2。Cl^-的掺入会引入点缺陷, 散射声子, 使晶格热导率κ_lat由0.67 W·m^-1·K^-1(x=0)降至0.5 W·m^-1·K^-1 (x=0.02)。x=0.04样品在823 K获得了最大ZT为0.17, 相比于x=0样品(ZT~0.1)提高了70%。     

Fe2W型铁氧体BaFe2-x2+CoxFe163+O27(x=0.0~0.8)的微观结构和磁性

用固相法制备Fe₂W型铁氧体BaFe_2-x²⁺Co_xFe₁₆³⁺O₂₇(x=0.0~0.8),采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、红外光谱仪(FT-IR)和振动样品磁强计(PPMS-VSM)等手段分析其物相组成、结构和磁性并使用Reitveld拟合分析晶体结构,研究了Co²⁺部分取代Fe²⁺的Fe₂W型铁氧体的微观结构和磁性。结果表明：所有样品都是纯相铁氧体BaFe_2-x²⁺Co_xFe₁₆³⁺O₂₇。样品具有W铁氧体结构,晶粒呈良好的六角形结构且分布均匀。用 Co取代能明显提高Fe₂W型铁氧体300 K的饱和磁化强度(M_s)。     

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。     

掺铋钇铁石榴石磁光陶瓷的热压烧结及其性能研究

钇铁石榴石(Y₃Fe₅O₁₂, YIG)材料因其优异的磁性能和磁光性能在微波通信、激光技术和光纤通讯等领域具有重要应用。离子掺杂是提高YIG材料磁光性能的有效途径之一, 本研究选择离子半径适配的Bi³⁺掺杂改性YIG陶瓷以提高材料的磁光性能。本工作采用固相法热压烧结制备Bi_xY_3-xFe₅O₁₂ (x=0、0.3、0.6、0.9)陶瓷, 并研究Bi³⁺掺杂对YIG陶瓷材料相结构、微观形貌、红外透过性、磁性能以及磁光性能的影响。结果表明: 陶瓷样品均呈石榴石立方相结构; 显微结构致密, Bi³⁺掺杂后晶粒尺寸不同程度增大; 样品红外透过率良好, 随Bi³⁺掺杂量增大而降低; 陶瓷样品的法拉第旋转角随Bi³⁺掺杂量增加呈线性变化, Bi³⁺掺杂量每增加1% (原子分数), 在波长1064 nm和1550 nm处变化量分别约为-49.0 (°)/cm和-30.2 (°)/cm。Bi_0.6Y_2.4Fe₅O₁₂陶瓷样品在1064 nm和1550 nm波长下法拉第旋转角分别达到-703.3 (°)/cm和-461.5 (°)/cm, 绝对值远高于未掺杂YIG陶瓷的277.6 (°)/cm和172.0 (°)/cm。由此可见, 掺杂适量Bi³⁺可以显著增强YIG陶瓷材料的磁光性能。     

ZnO掺杂对Ca0.25(Li0.43Sm0.57)0.75TiO3陶瓷烧结性能和微波介电性能的影响

采用溶胶-凝胶法制备Ca_0.25(Li_0.43Sm_0.57)_0.75TiO₃(CLST)微波介质陶瓷纳米粉体, 研究了ZnO掺杂量和烧结温度对CLST+ xmol% ZnO陶瓷烧结性能和微波介电性能的影响。XRD分析结果表明: 随着ZnO掺杂量x的增加, 陶瓷的晶体结构从正交相变为伪立方相, 并在x≥1.5的样品中出现了杂相。CLST+ xmol% ZnO陶瓷的致密化烧结温度随x的增加而降低, x=1.0的样品的致密化烧结温度比x=0的降低了200 ℃。介电常数ε_r和频率品质因数Qf 随x增加和烧结温度的升高具有最优值, 频率温度系数则单调降低。x=1.0的样品在1100 ℃烧结时具有优异的综合性能: ρ = 4.85 g/cm³, ε_r =102.8, Qf = 5424 GHz, τ_f = -8.2×10^-6/℃。表明ZnO掺杂的CLST陶瓷是一种很有发展潜力的微波介质陶瓷。     

CdGeAs2晶体的热膨胀行为研究

采用WinTA 100热膨胀仪研究了四方黄铜矿CdGeAs₂晶体在320~620 K温度范围内的热膨胀行为, 探索了CdGeAs₂晶体热膨胀各向异性的物理机制。测定晶体a轴和c轴方向的热膨胀系数α_a和α_c发现, α_a>>α_c>0, 表现出强烈的各向异性热膨胀特性。利用最小二乘法, 拟合出CdGeAs₂晶体的晶格常数(a, c)与温度(T)的函数关系式, 与文献报道值吻合。分别计算出不同温度下的四方畸变因子δ=2-c/a, Cd-As 键长(l_Cd-As)和 Ge-As 键长(l_Ge-As)以及相应的热膨胀系数α_Cd-As和α_Ge-As。结果表明, a、c、δ、l_Cd-As、l_Ge-As和α_Cd-As均随着温度的升高而增大, c/a和α_Ge-As则随着温度的升高而减小。当T=360 K时,α_Cd-As是α_Ge-As的6.36倍, 是造成CdGeAs₂晶体强烈热膨胀各向异性的主要原因。     

电纺制备多孔Ni1-xZnxFe2O4超细纤维的结构与磁性能

采用静电纺丝技术结合后期的热处理制备了具有多孔结构的Ni_1-xZn_xFe₂O₄(x=0~0.8)超细纤维. 利用X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、场发射扫描电镜(FESEM)、低温N₂吸附-脱附和振动样品磁强计(VSM)对纤维样品的晶体结构、微观形貌、孔特征和室温磁性能进行了研究. 结果表明, 550℃焙烧2?h得到的多孔Ni_1-xZn_xFe₂O₄超细纤维均为单相尖晶石结构, 平均粒径约为25~30?nm, 纤维直径主要分布在200~500?nm之间, 且具有较大的长径比; 所制备的Ni_0.5Zn_0.5Fe₂O₄多孔纤维的孔结构主要以狭缝状介孔为主, 其平均孔径约为11?nm; 随着Zn含量x由0增加0.8, Ni_1-xZn_xFe₂O₄纤维的晶格常数a线性增大, A位的红外特征振动频率单调递减, 矫顽力由13.8?kA/m逐步减小到2.3?kA/m, 比饱和磁化强度先增大后减小, 在x=0.4时达到最大值66.8?A·m²/kg. 与相近尺寸的Ni-Zn铁氧体纳米粒子相比, Ni-Zn铁氧体超细纤维由于其形状各向异性而表现出更高的矫顽力.     

Interaction between plasticity and damage in the behaviour of [+φ, −φ]n fibre reinforced composite pipes in biaxial loading (internal pressure and tension)

In this paper, we propose a new model which describes the behaviour of [+φ, −φ]_n composite laminates. Tests were performed on glass-epoxy pipes subjected to biaxial tensile and internal pressure loading. Experiments showed that [+55, −55]_n pipes exhibit varying types of damaged elastoplastic behaviour depending on the stress ratio σ_zz/σ_θθ (axial stress/hoop stress). A plastic model is based on the definition of a yield criterion and an associated flow rule. Damaging occurs when transverse microcracks appear in the layer. A micromechanical model defines the anisotropy of the damage. Interaction between plasticity and damage was of major importance in the definition of damage kinetics. This effect was observed on proportional loadings as well as on sequential tests: a preliminary loading in pure internal pressure (σ_zz=0) induced large plastic phenomena which blocked crack propagation in additional internal pressure with closed ends effect (IPCEF) tests (R=σ_zz/σ_θθ=1/2), even though IPCEF caused considerable damage on an unloaded specimen.     

Ba1-xMgxAl2Si2O8晶体结构与微波介电性能的研究

采用固相烧结法, 按化学计量比Ba_1-xMg_xAl₂Si₂O₈(x=0, 0.05, 0.1, 0.15, 0.3, 0.5)制备样品, 考察不同MgO含量对BaO-Al₂O₃-SiO₂系介电材料晶体结构及微波介电性能的影响。结果表明, MgO可以降低烧结温度, 促进六方相转变为单斜相, 当添加量x≥0.15时, 相转变可以达到100%。当x≤0.15时, 适量的MgO可以有效地促进单斜钡长石晶粒的长大。在0.05≤x≤0.1范围内, 随着MgO含量的增加, 单斜钡长石衍射峰增强, 晶粒尺寸增大, 密度、介电常数与τ_f均随MgO含量的增加而增大。在x=0.1, 烧结温度为1400℃时, 可获得综合性能相对较好的单斜钡长石, 其介电性能ε_r=6.44, Q×f=16461 GHz, τ_f= -30.6×10^-6 K^-1。     

合成具有高效光催化活性的片状β-Bi2O3的一种新方法

采用萃取-反萃-热分解法以辉铋矿的盐酸浸出液为原料制备了层片状的β-Bi₂O₃。所制备的样品分别用X衍射仪及透射电镜对其物相及形貌进行表征, 以罗丹明B为污染物研究了其光催化活性。结果表明: 所制备的β-Bi₂O₃是一种层状的纳米片, 具有较低的禁带宽度。在实验条件下, 对罗丹明B进行4 h的降解, 降解率达到99.23%, 样品的重复降解实验还表现出良好的循环稳定性。     

热处理对Mg-Al-Si-Ti-B系微晶玻璃析晶及介电性能的影响

采用差热分析仪(DSC), X射线衍射仪(XRD)及扫描电子显微镜(SEM)等测试手段, 研究了不同烧结制度下19MgO-23Al₂O₃-53SiO₂-4TiO₂-2.5B₂O₃(wt%, M-A-S-T-B)系微晶玻璃样品的析晶过程、相成分与含量及微观形貌, 并分析了核化与晶化时间对材料微波介电性能的影响关系。结果表明, 根据玻璃受控析晶机制, 当热处理制度为850℃/2 h+950℃/2 h时, 斜顽辉石(MgSiO₃)相得以较好的析出, 且伴随有α-堇青石(Mg₂Al₄Si₅O₁₈)、镁铝硅酸盐(xMgO-yAl₂O₃-zSiO₂)和方石英(α-SiO₂)相的析出。随着核化时间的延长, M-A-S-T-B体系各晶相种类及析出量变化不明显; 而随着晶化时间的延长(20 h), 材料的晶化程度提高, 品质因数(Q×f)得以提升, 颗粒状晶粒析出趋于显著; 但当晶化时间进一步延长至30 h时, 样品致密度降低, 介电损耗略有增大。在热处理制度为850℃/2 h+950℃/20 h下, 样品获得的微波介电性能较优: ε_r=3.85、τ_f ≈-5.37×10^-6/℃和Q×f ≈12740 GHz(f₀=13.973 GHz)。     

高Q值(1-x)(Sr0.2Nd0.208Ca0.488)TiO3-xNd(Ti0.5Mg0.5)O3微波陶瓷的微结构及介电性能研究

采用固相法制备了(1-x)(Sr_0.2Nd_0.208Ca_0.488)TiO₃-xNd(Ti_0.5Mg_0.5)O₃(0.3≤x≤0.4, SNCT-NTMx)系微波介质陶瓷材料, 并研究了该体系的相组成、显微结构、烧结性能和微波介电性能之间的关系。结果表明: 在x = 0.3~0.35范围内, SNCT-NTMx陶瓷形成了正交钙钛矿固溶体, 并伴随有少量未知第二相; 当x增至0.4时, 第二相含量有所增加。介电性能研究结果显示: 随着x的增加, 体系介电常数(ε_r)减小, 但品质因子(Q×f)得到改善; 此外, 体系谐振频率温度系数(τ_f)随NTM含量的增加逐渐向负值方向移动。当x = 0.35, 陶瓷样品在1520℃烧结4 h 得到的微波介电性能较优: ε_r=50.1, Q×f =44910 GHz, τ_f= -1.7×10^-6/℃。     

电流密度对MgO-ZnO陶瓷薄膜结构和热控性能的影响

在Zn(H₂PO₄)₂电解液中, 利用微弧氧化技术在AZ31镁合金表面原位生长MgO-ZnO热控陶瓷薄膜, 研究了电流密度对薄膜结构组成、结合强度和热控性能的影响, 以及紫外辐照作用下薄膜太阳吸收率的变化规律。结果表明：薄膜主要由MgO、ZnO和非晶态物质组成, 随着电流密度增大, 微孔数量逐渐减少而粗糙度逐步增大, 其厚度、结合强度和发射率先增大后减小, 而太阳吸收率则先减小后增大。电流密度9 A/dm²时所得薄膜的结合强度达到最大12.6 MPa, 且热控性能最佳, 其发射率为0.872, 太阳吸收率为0.363; 且随着紫外辐照时间延长, 此薄膜太阳吸收率先升高而后趋于平缓。研究结果为制备良好结合强度和抗紫外辐照能力的低吸收高发射热控薄膜提供技术 支持。