Al2O3基陶瓷材料增韧的研究进展

Al_2O_3基陶瓷材料具有高的化学稳定性,有较好的应用前景,但其脆性限制了它的推广应用,对氧化铝陶瓷进行增韧是解决其脆性问题的一条重要途径。简要介绍了目前氧化铝陶瓷的增韧方法和增韧机理,综述了氧化铝陶瓷增韧的研究现状,分析了氧化铝陶瓷增韧研究中存在的主要问题,展望了氧化铝陶瓷增韧的发展方向,提出了原位生长及复合增韧是高性能Al_2O_3基陶瓷材料的研究重点。     

机械化学合成Ni2Al3/Al2O3去合金化制备Raney-Ni/Al2O3复合粉体

以NiO粉和Al粉为原料,采用机械球磨诱发化学反应制备了Ni_2Al_3/Al_2O_3复合粉体。利用X射线衍射仪(XRD)和附带能量色散谱仪(EDS)的扫描电子显微镜(SEM)对复合粉体球磨过程中的固态反应过程、表面形貌进行表征。将Ni_2Al_3/Al_2O_3复合粉体用浓度为20%的NaOH溶液腐蚀2h,可得到纳米晶结构的Ni/Al_2O_3复合粉体。利用XRD和TEM对其物相和结构进行了表征。结果表明,球磨1h后混合粉末仍为NiO粉和Al粉,球磨3h后NiO粉和Al粉在机械力的作用下反应形成Ni_2Al_3和Al_2O_3粉体,机械力诱发的NiO和Al之间的反应属于突发型反应,继续球磨10h后形成Ni_2Al_3/Al_2O_3复合粉体。Ni_2Al_3/Al_2O_3复合粉体在70℃、质量比为20%NaOH溶液中刻蚀2h,可获得Ni/Al_2O_3复合粉体。     

稀土氧化物La2O3/Y2O3增韧补强ZTA陶瓷材料及其耐磨性能研究

针对单一相ZrO_2增韧Al_2O_3(ZTA)陶瓷在提高韧性的同时不能合理兼顾其耐磨性能,利用稀土氧化物能促进复合陶瓷材料热压烧结的工艺特点,将La_2O_3/Y_2O_3添加到ZTA陶瓷材料中,XRD衍射图谱表明:La_2O_3/Y_2O_3的添加可以有效阻碍ZrO_2不稳态晶型相变,促进介稳态t-ZrO_2的形成。当添加量为4%(质量分数)时,烧结后晶粒分布最为均匀,致密程度高,其维氏硬度、抗弯强度、断裂韧性分别比相应未添加稀土氧化物的ZTA材料提高了8%、21%、33%,且La_2O_3与Al_2O_3会发生原位反应生成片状LaAl_(11)O_(18),这种片晶不仅可以阻碍Al_2O_3、ZrO_2颗粒长大,还可通过晶粒拔出等增韧机制提高材料韧性。摩擦磨损试验结果表明:稀土氧化物的添加能提高ZTA陶瓷材料的耐磨性能,添加量为4%时其磨损率最低。     

ZBL低温助烧CaCu3Ti4O12高介电陶瓷的研究

采用固相合成CaCu_3Ti_4O_(12)(CCTO)微波介质陶瓷基体粉体,通过XRD衍射仪、SEM扫描电镜表征掺杂ZnO-B_2O_3-La_2O_3(ZBL)低软化点玻璃助烧剂的(CCTO)陶瓷的物相组成及结构特点,研究ZBL玻璃的掺杂量对CCTO样品烧结性能及微波介电性能的影响。研究表明:添加10%(质量分数)ZBL玻璃的CCTO陶瓷在960℃烧结3h,能够获得较好的介电性能:εr=112,tanδ=0.0027,τf=-2×10-6/℃。     

蓝光发射荧光粉Ba3P4O13∶Eu2+的发光特性及热稳定性

采用固相法在相对较低的温度(~840℃)下合成了一种可被紫外光激发的蓝光发射荧光粉α-Ba_(3-x)P_4O_(13)∶xEu~(2+),详细研究了其物相、发光特性与荧光热稳定性。在360nm紫外光的激发下,样品的发射光谱由峰位处于~439nm的不对称宽带组成。通过激发与发射光谱、荧光寿命测试及结构分析证实该不对称宽峰是由于Eu~(2+)在Ba_3P_4O_(13)中同时占据多个不同的格位所致。此外,Eu~(2+)在α-Ba_3P_4O_(13)中的最佳掺杂浓度约为x=0.06,其荧光猝灭机理为电偶极矩-电偶极矩相互作用。与商用绿色荧光粉(Ba,Sr)_2SiO_4∶Eu~(2+)相比,该荧光粉具有更好的热稳定性。α-Ba_3P_4O_(13)∶Eu~(2+)荧光粉有望在紫外激发的白光LED领域得到应用。     

第一性原理对CaTiO3和CaCu3Ti4O12的对比研究

通过Ca替换CaCu_3Ti_4O_(12)晶胞中的所有Cu,建立了包含TiO6八面体扭转的CaTiO3;通过Cu替换CaTiO32×2×2超胞中3/4的Ca,建立了不包含CuO_4正方形的CaCu_3Ti_4O_(12)。采用Materials Studio软件的CASTEP模块,对比了上述晶体和标准晶体成键状况、能带结构、态密度及介电函数,分析了TiO6八面体扭转和CuO_4正方形的影响,发现了Cu-O键或CuO_4正方形对CaCu_3Ti_4O_(12)光频介电常数的关键性作用。研究结果提供了通过内禀机制优化CaCu_3Ti_4O_(12)材料介电性能的新途径。     

稀土(Ln=Y/Yb)掺杂对Sm2Zr2O7陶瓷材料结构及热导率的影响

利用稀土Ln=Y/Yb对Sm_2Zr_2O_7进行A位取代掺杂,通过固相合成法制得Sm1.8Ln0.2Zr2O7(Ln=Y/Yb)陶瓷材料。分别利用XRD分析材料的晶体结构,SEM观察其显微形貌,激光导热仪测试其热扩散系数并计算得到热导率。结果表明,Sm1.8Ln0.2Zr2O7(Ln=Y/Yb)陶瓷材料为立方烧绿石结构,晶粒分布均匀,Yb~(3+)/Y~(3+)的掺杂降低了陶瓷材料的热扩散系数和热导率,其中Yb的作用更为明显。     

热轧工艺对20%B4C/Al复合材料显微组织及缺陷的影响

采用热等静压烧结与热轧相结合的方法制备了20%B_4C/Al(质量分数,下同)复合材料,采用排水法及SEM、EDS等手段研究了热轧工艺(道次变形量、总变形量)对复合材料缺陷及显微组织的影响。研究结果表明,热等静压制备的B_4C/Al复合材料坯体密度可达2.66g/cm3(相对密度100%),B_4C颗粒分布均匀且与Al界面处结合紧密;B_4C/Al复合材料轧制道次变形量应控制在10%以内,进一步增加道次变形量复合材料内出现宏观裂纹。复合材料经热轧后,B_4C颗粒仍分布较为均匀,且与Al基体结合紧密,复合材料内部未观察到明显的显微缺陷。     

Au/Fe3O4磁性纳米粒子的合成及表征

报道了一种合成具有巯基官能团修饰的Au/Fe_3O_4磁性纳米粒子的新方法。采用共沉淀法制备Fe_3O_4磁性纳米颗粒,并在此基础上用聚(烯丙胺)溶液还原HAuCl4,制得Au/Fe_3O_4磁性核壳纳米颗粒,再用3-巯基-1-丙磺酸钠修饰Au/Fe_3O_4磁性纳米粒子,最后得到具有巯基官能团稳定的Au/Fe_3O_4磁性纳米粒子。通过扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、振动样品磁强计(VSM)分别对产物的微观结构及磁性特征进行表征。     

纳米-Al2O3/SiO2加入量对MgO-Al2O3-SiO2复相陶瓷烧结机理的影响

为了探究纳米-Al₂O₃/SiO₂加入量对MgO-Al₂O₃-SiO₂复相陶瓷烧结行为的作用机理。以微米级MgO、纳米级Al₂O₃和SiO₂为主要原料制备陶瓷基复合材料。通过XRD和 SEM等检测手段对烧后试样的物相组成和微观结构进行测试与表征,重点研究Al₂O₃/SiO₂的加入对复相陶瓷物相组成、微观结构及烧结性能的影响。结果表明:随着Al₂O₃/SiO₂加入量的增大,试样烧后相对密度和烧后线变化率呈先增大后减小再增大的趋势,加入15%Al₂O₃/SiO₂(质量分数)的试样经1 500 ℃烧结后,其相对密度可以达到94%。引入的Al₂O₃/SiO₂与基体中的MgO生成镁铝尖晶石与镁橄榄石相,原位反应伴随的体积膨胀,抵消部分烧结过程中的体积收缩。Al₂O₃/SiO₂加入量为75%(质量分数)的试样经1 400 ℃烧结后,基体中有大量堇青石相生成,随着煅烧温度提高到1 500 ℃,堇青石分解所产生的高温液相促进了试样的烧结收缩。     

溶胶-凝胶法制备Bi0.975La0.025Fe0.975Ni0.025O3铁电薄膜的结构及物理性能

采用溶胶-凝胶法在Pt/Ti/SiO_2/Si(111)衬底上制备了Bi_(0.975)La_(0.025)Fe_(0.975)Ni_(0.025)O_3(BLFNO)铁电薄膜。利用X射线衍射(XRD)、原子力显微镜(AFM)及其压电模式(PFM)对薄膜的晶体结构、表面形貌以及铁电畴结构进行了研究。研究发现,BLFNO为结晶良好的钙钛矿结构多晶薄膜,且薄膜表面颗粒生长均匀。PFM测试图显示铁电薄膜在自发极化下的铁电畴结构清晰,铁电电容器具有良好的铁电性能。应用铁电测试仪对Pt/BLFNO/Pt电容器进行测量,得到了饱和性良好的电滞回线。在828kV/cm的外加电场下,Pt/BLFNO/Pt电容器的剩余极化强度为74.3μC/cm~2,表明La、Ni的共掺杂没有明显抑制铁电电容器的剩余极化强度,铁电电容器具有良好的铁电性能。漏电流研究结果表明,La、Ni元素的共掺杂有效降低了薄膜的漏电流密度,在277.8kV/cm外加电场下漏电流密度在10-4 A/cm2量级,明显小于纯BFO薄膜的漏电流密度。正半支漏电流曲线满足SCLC导电机制,对于负半支曲线,当电场强度大于22.2kV/cm时,同样遵循SCLC导电机制;但是,当电场强度小于22.2kV/cm时,曲线斜率约为4.8,表明参与导电贡献的电子数较多,归因于极浅陷阱俘获的电子在外加电场作用下参与了导电行为。室温下磁滞回线测试结果表明BLFNO薄膜具有反铁磁性质。     

热处理对Bi2O3-B2O3-SiO2凝胶玻璃粉体结构与性能的影响

采用溶胶-凝胶法制备了一种Bi₂O₃-B₂O₃-SiO₂系玻璃粉体,在200 ℃、400 ℃、600 ℃和800 ℃温度下分别对凝胶玻璃粉体进行热处理,借助SEM、TEM、XRD、FT-IR、Raman、XPS、DSC、热膨胀仪及“纽扣”烧结实验分别测定了经不同温度热处理后玻璃粉体的结构与性能,分析了其结构变化对玻璃粉体转变温度T_g和烧结特性的影响。结果显示,在实验温度范围内,随热处理温度升高,Bi³⁺逐渐进入玻璃网络中,[BiO₆]八面体和[BiO₃]三角体、[BO₄]四面体和[BO₃]三角体分别与[SiO₄]四面体以顶角相连的方式构建玻璃网络结构。O1s和Bi4f的电子结合能逐渐增大,B1s的电子结合能减小,玻璃网络结构稳定性增强,导致玻璃转变温度T_g及玻璃膨胀软化点温度T_d升高、 润湿性降低且热膨胀系数略有降低。经600 ℃热处理后,玻璃粉体具有较优的烧结性能,T_g、T_d分别约为485 ℃及542 ℃,热膨胀系数α约为7.067×10-6/℃。     

Sn0.94Sc0.06P2O7的合成及其中温电性能研究

采用固相法合成了Sn0.94Sc0.06P2O7。XRD测试结果表明Sn0.94Sc0.06P2O7表现为单一立方SnP2O7相结构。采用电化学工作站对样品的中温电性能(50~250℃)进行了研究。结果表明,样品在湿润H2气氛中200℃下,电导率达到最大值(2.8×10-2 S·cm-1)。以样品为固体电解质组装氢-空气燃料电池,性能测试表明,在150℃时,其最大输出功率密度为25.02mW·cm-2(厚度:1.7mm),表明Sn0.94Sc0.06P2O7是一种潜在的中温燃料电池的电解质材料。     

TiO2光催化剂的研究与应用进展

为了解决日益严重的环境污染问题和能源问题,越来越多的研究者将精力投入到ZnO、CdS、TiO_2和BiVO_4等半导体材料的研究中。其中,TiO_2以优异的氧化能力、较强的化学稳定性、较低的价格以及无毒性吸引了广泛的目光。针对近年来TiO_2的光催化性能研究及其改性方法的研究进展,以及应用热点进行了综述,并对如何进一步提升其性能进行了展望。     

La2O3、Nd2O3、Y2O3对高岭石高温相变动力学的影响

利用综合热分析技术、X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)和扫描电镜(SEM)研究了La_2O_3、Nd_2O_3、Y_2O_3对高岭石高温条件下转变成莫来石过程的作用,并采用Kissinger方程、Ozawa方程以及JMA修正方程(Ⅰ)和(Ⅱ)分析了La_2O_3、Nd_2O_3、Y_2O_3对高岭石高温相变动力学的影响。结果表明:3种稀土氧化物的掺入对高岭石的相变动力学参数产生了影响,相变活化能和频率因子与未掺入稀土氧化物的高岭石相比有所降低,析晶方式则未发生变化,均属于体积晶化。对比掺入3种稀土氧化物的高岭石相变活化能和频率因子可以看出,Y_2O_3对于高岭石高温条件下相变的促进作用最为明显,相变活化能最低。稀土氧化物对于高岭石高温相变产物影响不大,主晶相为莫来石相,次晶相为方石英相,但稀土氧化物的掺入使得方石英相的结晶度明显提高。     

MgO/Al2O3比对MgO-Al2O3-SiO2系统玻璃分相与析晶的影响

采用高温熔融法制备了具有不同MgO/Al₂O₃比的堇青石微晶玻璃。采用差热分析仪(DTA)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)等测试技术研究了MgO/Al₂O₃比对该系统玻璃分相和析晶的影响。结果表明:当SiO₂含量不变时,随着MgO/Al₂O₃比的减小,分相形貌由连通的蠕虫状逐渐变为孤立的球形结构,且分相粒子尺寸逐渐减小,从200~300 nm减小至30~50 nm。当MgO/Al₂O₃比从3降到1,析晶峰温度由997 ℃升至1 105 ℃,析晶的难度逐渐提高。当MgO/Al₂O₃比为3时,MgO-Al₂O₃-SiO₂系统玻璃经950 ℃热处理后即产生大量分相,经1 050 ℃热处理后在分相液滴中析出大量堇青石晶体,且堇青石优先在富Mg相中析出。提高MgO/Al₂O₃比有利于MgO-Al₂O₃-SiO₂系统玻璃在分相中析晶,反之,则会降低系统的分相和析晶能力。     

微波和真空烧结制备La2O3掺杂Al2O3透明陶瓷

通过共沉淀法制备La2O3掺杂Al_2O_3纳米粉,粉体经压制后分别采用微波和真空烧结制备Al_2O_3透明陶瓷。结果表明:Al_2O_3粉末颗粒大小均匀,近似球形,为40~60nm;两种烧结方式制备的试样XRD图中均为α-Al_2O_3,未检测到其它相。La2O3掺杂量为1%时,随烧结温度升高,两种烧结方法得到的Al_2O_3陶瓷的相对密度和抗弯强度均呈上升趋势,且微波烧结陶瓷的相对密度和抗弯强度明显高于真空烧结。1500℃烧结时,随La2O3掺杂量的增加,Al_2O_3陶瓷的相对密度均先增大后减小,当La2O3掺杂量为1%时,Al_2O_3陶瓷的相对密度和抗弯强度均最大。微波烧结陶瓷的透光率明显高于真空烧结,且其断口晶粒比真空烧结明显细少。