原位引入BN-SiC燃烧合成Si3N4-BN-SiC复合材料

Si₃N₄-BN-SiC复合材料以其良好的力学性能和抗氧化性能而具有良好的工程应用前景。本研究以Si、Si₃N₄稀释剂、B₄C和Y₂O₃为原料, 采用燃烧合成法成功制备了Si₃N₄-BN-SiC复合材料。通过Si、B₄C和N₂气之间的反应, 在Si₃N₄陶瓷中原位引入BN和SiC, 制备的Si₃N₄-BN-SiC复合材料由长棒状的β-Si₃N₄和空心球形复合材料组成。实验研究了空心球微结构的形成机理, 结果表明, 生成的SiC、BN颗粒及玻璃相覆盖在原料颗粒上, 当原料颗粒反应完全时, 形成空心球形微结构。并进一步研究了B₄C含量对Si₃N₄-BN-SiC复合材料力学性能的影响。原位引入SiC和BN在一定程度上可以提高复合材料的力学性能。当B₄C添加量为质量分数0~20%时, 获得了抗弯强度为28~144 MPa、断裂韧性为0.6~2.3 MPa·m ^1/2, 杨氏模量为17.4~54.5 GPa, 孔隙率为37.7%~51.8%的Si₃N₄-BN-SiC复合材料。     

Si3N4/FePd/Si3N4薄膜的晶体结构和磁性能研究

采用磁控溅射的方法制备了Si₃N₄/FePd/Si₃N₄三层膜, 研究了非磁性材料Si₃N₄作为插入层对磁记录FePd薄膜结构与磁性能的影响。结果表明, 热处理后Si₃N₄分布在FePd纳米颗粒之间, 抑制了FePd晶粒的生长, 与纯FePd薄膜相比, Si₃N₄/FePd/Si₃N₄薄膜的颗粒明显得到细化; 通过添加Si₃N₄层, FePd薄膜的晶体学参数c/a从0.960减小到0.946, 表明Si₃N₄可以有效促进FePd薄膜的有序化进程, 同时提升了矫顽力和剩磁比, 分别提高到249 kA/m、0.86; 随着600℃退火时间的进一步延长, 添加Si₃N₄的薄膜磁性没有迅速下降, 在较宽的热处理时间范围内磁性能保持在比较高的水平, 提高了抗热影响的能力。Si₃N₄作为插入层对FePd薄膜的磁性能具有较大的提升作用, 这对磁记录薄膜的发展具有重要意义。     

Si3N4陶瓷在高温熔盐-水氧环境下的腐蚀行为

熔盐电解是核能领域乏燃料干法后处理的关键技术。高温下熔盐会对盛装乏燃料的坩埚造成严重的腐蚀,因此,研发具有耐高温和抗腐蚀的坩埚材料是发展干法后处理技术的关键。Si₃N₄凭借其优异的高温热学和力学性能,成为干法后处理工艺中坩埚的理想候选材料。然而在实际服役条件下,Si₃N₄面临高温熔盐和水氧的侵蚀,其失效行为尚不明确。因此,本工作选取Si₃N₄为研究对象,在氩气和水氧(5%H₂O-10%O₂-85%Ar)环境中,开展了LiCl-KCl和NaCl-2CsCl熔盐对Si₃N₄的腐蚀行为研究。研究发现,在氩气环境中,Si₃N₄在LiCl-KCl熔盐中出现轻微的晶界腐蚀,而NaCl-2CsCl熔盐对其腐蚀并不明显。在5%H₂O-10%O₂-85%Ar水氧耦合环境中,LiCl-KCl熔盐优先腐蚀...     

BN含量对多孔BN/Si3N4陶瓷结构和性能的影响

以氮化硅(Si₃N₄)为基体, 氮化硼(BN)为添加剂, 叔丁醇为溶剂, 采用凝胶注模成型与无压烧结工艺(温度为1750 ℃、保温时间为1.5 h、流动N₂气氛), 成功制备出具有一定强度和低介电常数的多孔BN/Si₃N₄陶瓷。在浆料中初始固相含量固定为15%体积分数的基础上, 研究了BN含量对多孔Si₃N₄陶瓷材料的气孔率、物相组成及显微结构的影响, 分析了抗弯强度、介电常数与结构之间的关系。结果表明, 通过改变BN含量可制备出气孔率为55.1%~66.2%的多孔Si₃N₄陶瓷; 多孔BN/Si₃N₄复合陶瓷的介电常数随着BN含量的增加而减小, 为3.39~2.25; 抗弯强度随BN含量提高而有所下降, BN质量分数为2.5%时, 抗弯强度最高, 为(74.8±4.25) MPa。     

Si3N4掺杂氮化对Sr3SiO5:Eu2+荧光粉发光性能的影响

采用高温固相法制备Si₃N₄掺杂氮化Sr_2.99SiO_5-6xN_4x:0.01Eu²⁺荧光粉。采用XRD、EDS和SEM测试结果表明: N^3-进入Sr₃SiO₅基质晶格中取代部分O^2-离子, 形成了单一相Sr_2.99SiO_5-6xN_4x:0.01Eu²⁺固溶体。PL&PLE荧光光谱测试结果显示, Sr_2.99SiO_5-6xN_4x:0.01Eu²⁺荧光粉在344nm紫外光的激发下发射出红橙光, 属于Eu²⁺离子典型的 4f⁶5d¹→4f⁷电子跃迁。随着N浓度的增加, Sr_2.99SiO_5-6xN_4x:0.01Eu²⁺荧光粉发射光谱和激发光谱的强度明显增强。热稳定性测试结果表明, Si₃N₄掺杂氮化能够显著提高Sr₃SiO₅:Eu²⁺荧光粉的热稳定性。通过Arrhennius模型拟合结果表明横向穿越过程(crossover)引起的Sr₃SiO₅:Eu²⁺荧光粉氮化前后的温度猝灭。     

可磁分离Fe3O4/g-C3N4复合材料的制备及其性能

为了利用Fe₃O₄的磁响应性及石墨相C₃N₄（g-C₃N₄）优良的光催化活性,首先采用高温热聚合法,以尿素为前驱体制备g-C₃N₄,然后采用水热法合成了可磁分离Fe₃O₄/g-C₃N₄复合材料。利用TEM、XRD、TGA、BET和振动样品磁强计（VSM）等多种测试手段表征分析Fe₃O₄/g-C₃N₄复合材料的形貌、晶型结构、比表面积、成分、饱和磁化强度等。通过模拟太阳光下Fe₃O₄/g-C₃N₄复合材料光催化吸附降解亚甲基蓝（MB）的实验,评价了Fe₃O₄/g-C₃N₄复合材料的吸附性能及光催化性能。结果表明,可磁分离Fe₃O₄/g-C₃N₄复合材料具有较大的比表面积,约为71.89 m²/g;且具有较好的磁性,饱和磁化强度为18.79 emu/g,可实现复合材料的分离回收;光照240 min时,Fe₃O₄/g-C₃N₄复合材料对MB的去除率为56.54%。所制备的Fe₃O₄/g-C₃N₄复合材料具有优良的吸附性能、光催化活性和磁性,并可通过外加磁场进行分离与回收。     

Si3N4对碳/碳复合材料表面SiC涂层耐磨性的影响

为了提高碳/碳复合材料表面SiC涂层的耐磨性,采用包埋法和氮化处理制备SiC/Si₃N₄涂层。通过X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、能谱分析仪（EDS）及摩擦磨损试验,分别评价SiC涂层与SiC/Si₃N₄涂层的表面形貌、物相组成、磨损形貌及摩擦磨损性能,并研究涂层显微组织结构与磨损机理之间的联系。结果表明：SiC/Si₃N₄涂层由Si₃N₄相、SiC相和C相组成,涂层平整且致密;SiC/Si₃N₄涂层的摩擦系数低于0.05且更稳定;SiC涂层高摩擦系数值的主要磨损机制是黏着磨损和磨料磨损;SiC/Si₃N₄涂层中形成了一层较薄的润滑膜,并在摩擦磨损的后续阶段降低摩擦系数。Si₃N₄相的引入可以有效改善SiC涂层的表面结构,使得SiC涂层摩擦系数更小且更稳定,从而提高...     

单晶α-Si3N4纳米线宏量制备研究

本研究提出了一种宏量制备单晶α-Si₃N₄纳米线的方法。以造粒硅粉为原料, 通过在N₂-H₂混合气氛中直接氮化, 得到具有核壳结构的氮化产物(Si₃N₄纳米线@多孔Si₃N₄微米粉体), 氮化产物经过破碎、研磨、分离后即可获得Si₃N₄纳米线。检测结果表明, 制备的Si₃N₄纳米线直径为80~150 nm, 长径比为20~50, 其中纳米线含量>95wt%, α相/β相比为17.6, 收率为3.1%。进一步研究表明, 原料中微量Fe元素在还原气氛下具有催化作用, 纳米线由典型的气-液-固(VLS)生长机制控制。实验中对原料硅粉造粒后再氮化具有三大优点: 数量级地增大了Si₃N₄纳米线生长空间; 纳米线生长分布集中, 有利于后续高效分离; 显著提高了氮化速率。     

Ag-Ag2O/TiO2-g-C3N4纳米复合材料的制备及可见光催化性能

近年来,半导体光催化技术作为一项快速发展的新型环保技术,在降解水体中污染物和可再生清洁能源的生产领域有很大的应用前景。本文以所制备出的20 wt%类石墨烯碳氮化合物(g-C₃N₄)/TiO₂为基质,利用水热法中纳米Ag颗粒部分氧化行为成功合成了Ag修饰异质结型Ag-Ag₂O/TiO₂-g-C₃N₄复合材料。利用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)、紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)、光致荧光光谱(PL)、瞬态光电流响应等分析测试手段对Ag-Ag₂O/TiO₂-g-C₃N₄复合材料的晶体结构、形貌、光学性质等进行表征和分析。以亚甲基蓝溶液为目标降解物,研究了Ag-Ag₂O/TiO₂-g-C₃N₄复合材料的可见光催化性能。结果表明:在纳米Ag颗粒修饰的Ag-Ag₂O/TiO₂-g-C₃N₄复合材料中,Ag部分氧化成Ag₂O;与g-C₃N₄的协同作用使Ag-Ag₂O/TiO₂-g-C₃N₄复合催化剂具有良好的可见光催化活性;可见光照射4 h后,Ag-Ag₂O/TiO₂-g-C₃N₄复合催化剂对亚甲基蓝的降解率接近50%。      

反应烧结法制备高强度多孔氮化硅陶瓷

以硅粉(Si)为起始原料, 氧化钇(Y₂O₃)为烧结助剂, 利用干压成型工艺制备出不同气孔率的多孔硅坯体, 通过反应烧结得到高强度多孔氮化硅(Si₃N₄)陶瓷. 研究了Y₂O₃添加量在不同升温制度下对于氮化率的影响, 以及1500~1750℃后烧结对多孔材料强度的影响. 结果表明: 添加9%Y₂O₃的样品具有较高的氮化率, 主要是Y₂O₃与Si粉表面的SiO₂在较低的温度下反应生成了Y₅Si₃O₁₂N. 在不同的反应条件下可得到气孔率为30%~50%, 强度为160~50MPa的样品. 在1750、 0.5MPaN₂气压下对样品进行后处理, α-Si₃N₄完全转变成柱状β-Si₃N₄, 晶型转变有利于强度提高,气孔率为46%的多孔Si₃N₄其强度可达140MPa.     

用聚碳硅烷为先驱体制备SiC/Si3N4纳米复相陶瓷

采用聚碳硅烷(PCS) 为先驱体, 利用原位生长法制备SiC/Si₃N₄ 纳米复相陶瓷, 其室温弯曲强度和断裂韧性达到了637M Pa 和8. 10M Pa·m1/2 。研究了材料微观结构的形成及断裂机理,指出在微观结构的形成过程中, 控制SiC 纳米微晶的生成和B-Si₃N₄ 柱状晶的生长是关键, 而增韧补强的主要原因在于形成了晶内型结构和长径比大(大于7. 5) 的Si₃N₄ 柱状晶, 从而改变了断裂机理。      

反应烧结制备Si3N4/SiC复相陶瓷及其力学性能研究

以两种不同配比Y₂O₃/Al₂O₃ (A, 2:3; B, 3:1, 总量15 wt%)为烧结助剂, 通过添加不同质量分数的SiC粉体,反应烧结制备了高强度的氮化硅/碳化硅复相陶瓷。并对材料的相组成、相对密度、显微结构和力学性能进行了分析。结果表明: 在1700℃保温2 h情况下, 烧结助剂A 与B对应的样品中α-Si₃N₄相全部转化为β-Si₃N₄; 添加5wt% SiC, 烧结助剂A对应样品的相对密度达到最大值94.8%, 且抗弯强度为521.8 MPa, 相对于不添加SiC样品的抗弯强度(338.7 MPa)提高了约54.1%。SiC能有效改善氮化硅基陶瓷力学性能, 且Si₃N₄/SiC复相陶瓷断裂以沿晶断裂方式为主。     

氮气压力对Si3N4-SiC-TiN陶瓷自蔓延燃烧合成的影响

以TiSi₂为反应原料, SiC 作稀释剂, 利用自蔓延高温合成(SHS) 方法合成Si₃N₄2SiC2TiN 复相陶瓷。计算了氮气压力对毛坯反应物理论转化率的影响, 并在50 、100 和150 MPa 三种氮气压力下进行了燃烧合成。结果表明, 孔隙率为50 vol %的压坯在三种条件下反应都比较完全, 反应物转化率随氮气压力增加而提高。而孔隙率为40 vol %的压坯在较低氮气压力下燃烧反应变得不完全, 产物中残留大片Si 。当压力为150 MPa 时产物中未出现单质Si 。说明氮气压力增大有利于氮气向反应前沿的渗入, 进而提高反应物的转化率。      

旋转超声磨削Si3 N4陶瓷用金刚石磨具磨损行为研究

热压烧结Si₃N₄陶瓷材料常应用于航天飞行器中关键耐高温零部件,但由于高硬度和低断裂韧性,其加工效率和加工表面质量难以满足制造需求。为了提高热压烧结Si₃N₄陶瓷旋转超声磨削加工质量,减小由于金刚石磨具磨损带来的加工误差,开展了磨具磨损行为研究。基于热压烧结Si₃N₄陶瓷旋转超声磨削加工实验,分析了金刚石磨具磨损形式;基于回归分析建立了金刚石磨具磨损量数学模型,揭示了加工参数及磨具参数与金刚石磨具磨损量间映射关系;并研究了磨损形式与磨具磨损量及加工表面粗糙度影响规律。结果表明：磨粒磨耗是旋转超声磨削Si₃N₄陶瓷用金刚石磨具最主要磨损形式,比例超过50%;主轴转速和磨粒粒度对磨具磨损量影响最为显著;且磨损量较小时,加工表面粗糙度值反而增加。以上研究可为提高旋转超声磨削Si₃N₄陶瓷加工精度和加工质量提供指导。     

氮化硅改性聚酰亚胺复合涂层的耐热蚀性能研究

为满足高温条件下高分子复合涂层的应用需求，推进高分子有机复合涂层在高温防护领域的实际应用，选择聚酰亚胺(PI)为树脂基体，通过加入纳米Si₃N₄改性增强其耐热性，研究硅烷偶联剂KH550与不同含量的Si₃N₄对涂层表面状态以及耐热性能的影响。实验结果表明：加入10%(质量分数)Si₃N₄的改性复合涂层的玻璃化转变温度(T_g)达到495℃,高于纯PI涂层的T_g(483℃)。加入KH550后，一方面KH550在Si₃N₄表面引入氨基官能团使其与PI分子链交联，另一方面KH550直接与PI分子相互作用提升涂料的黏度，使Si₃N₄分散性及涂层与基体的结合力均有显著提升。此外，分别制备不同含量Si₃N₄的PI复合涂层并进行比较，发现10%Si₃N₄的...     

柔性YAG-Al2O3纳米纤维膜负载C3N4的水处理性能研究

采用溶胶-凝胶法和静电纺丝技术制备了柔性钇铝石榴石-氧化铝(YAG-Al₂O₃)纳米纤维膜，然后使用尿素包埋法将石墨相氮化碳(g-C₃N₄)引入到纤维膜孔隙中，制备了自支撑光催化降解钇铝石榴石-氧化铝/氮化碳(YAG-Al₂O₃/C₃N₄)复合材料，表征了材料的形貌结构和力学行为，并研究了其在亚甲基蓝污水处理中的可见光催化降解性能。结果表明，YAG-Al₂O₃纳米纤维膜具有优异的柔韧性，YAG-Al₂O₃/C₃N₄复合材料在厚度方向具有良好的弹性，两者均为自支撑材料。100min内复合材料对亚甲基蓝的降解率可达96%以上，循环3次后降解率仍保持在94%左右。催化反应动力学符合Langmuir-Hinshelwood(L-H)模型，说明复合材料具有长期稳定且高效的催化降解效果。     

盐酸活化对石墨相氮化碳(g-C3N4)结构和g-C3N4/S锂硫电池正极复合材料性能的影响

以三聚氰胺为原料制备石墨相氮化碳（g-C₃N₄）,加入盐酸进行水热处理得到酸活化的g-C₃N₄。研究了盐酸活化对g-C₃N₄结构、形貌及锂硫电池g-C₃N₄/S正极复合材料电化学性能的影响。实验结果表明:盐酸活化处理后,g-C₃N₄的层间距变化不显著。随着盐酸浓度增大,g-C₃N₄比表面积先增大后减小,当盐酸浓度为2.5wt%时,比表面积最大为86.1 m2·g-1,与未处理g-C₃N₄的13 m2·g-1相比提高了5~6倍;盐酸活化g-C₃N₄/S正极复合材料的比容量和循环性能也呈现先增大后减小的趋势,当盐酸浓度为2.5wt%时,比容量和循环性能最好,比容量为1 538 mAh·g-1,循环50次后容量保持率为77.8%,电化学性能与比表面积呈强相关性。      

WO3/g-C3N4复合光催化剂制备及其可见光催化性能

将自制层状石墨相氮化碳(g-C₃N₄)和WO₃纳米片均匀混合,经煅烧制备WO₃/g-C₃N₄复合半导体。利用XRD、SEM、TEM、UV-Vis DRS和PL对其进行表征。结果表明,g-C₃N₄呈现类石墨烯状片层结构,WO₃为纳米片状结构,且分散在g-C₃N₄表面;与WO₃复合后,UV-Vis吸收边发生了红移,拓宽了g-C₃N₄对可见光的响应。以罗丹明B(RhB)为模拟污染物,考察WO₃/g-C₃N₄的光催化降解性能。WO₃/g-C₃N₄质量比为1∶5时,表现出最佳的光催化活性,可见光照60 min后,RhB降解率可达到94.9%。光催化剂具有良好的稳定性,重复使用6次后,RhB的降解率依然达到88.9%。光催化机制研究表明,超氧自由基(·O₂?)是光催化降解RhB的主要活性物种。      

MOFs/g-C3N4复合光催化剂的研究进展

金属-有机框架材料(MOFs)和石墨相氮化碳(g-C₃N₄)在产氢、CO₂还原、Cr还原以及有机污染物降解方面表现出优异的光催化性能。将MOFs和g-C₃N₄结合构建二元或三元异质结,可以克服两种材料各自的缺点,进一步提高其材料在可见光或太阳光照射下的光催化性能。重点介绍了几种典型MOFs/g-C₃N₄复合材料的制备方法及其光催化性能,并展望了该研究领域发展前景和面临的挑战。     

WS2/g-C3N4异质结光催化分解水制氢性能及机制

通过溶剂蒸发和二次高温煅烧石墨相碳化氮(g-C₃N₄)纳米片和WS₂纳米片混合物构建WS₂/g-C₃N₄异质结,该异质结保留g-C₃N₄和WS₂主体结构的同时,在界面处形成化学键,确保该异质结的化学稳定性和热稳定性。光催化分解水制氢实验表明,WS₂纳米片含量为3wt%时光催化制氢速率高达68.62 μmol/h,分别是g-C₃N₄纳米片和WS₂纳米片的2.53倍和15.29倍,表明异质结的构建可大幅提升g-C₃N₄的光催化性能,循环实验表明该异质结在5次循环实验后光催化性能没有明显下降,表明该异质结的稳定性较好。光电性能测试表明异质结的构建不仅提高激发电子的转移效率,同时抑制激发电子空穴的复合率,大幅提升激发电子的利用效率,致使光催化分解水制氢速率较g-C₃N₄纳米片和WS₂纳米片大幅提升。