双硅酸镱环境障涂层的高温水氧腐蚀机理研究

陶瓷基复合材料构件在航空发动机燃气环境中面临严重的水氧腐蚀退化问题,在构件表面采用环境障涂层进行热防护是提高陶瓷基复合材料部件的高温性能、延长其使用寿命的有效措施。环境障涂层的高温稳定性对部件的结构完整性具有重要影响。为了探明环境障涂层在高温下的水氧腐蚀失效行为和机理,针对大气等离子喷涂(APS)Yb₂Si₂O₇/莫来石/硅体系的环境障涂层系统,开展了其在1 350℃、90%(体积分数)H₂O-10%O₂水/氧蒸汽环境中的静态高温水氧腐蚀试验,采用XRD、SEM、EDS等材料表征分析手段,研究涂层在高温静态水氧腐蚀环境中的失效行为,获得EBCs涂层微观结构及物相在腐蚀过程中的演变规律,揭示EBCs涂层的失效机理。结果表明：表面的Yb₂Si₂O₇与环境中的氧化剂(主要为水)反应生成挥发性物质Si(OH)₄,导致Yb₂Si₂O₇被...     

富铝CMAS对稀土硅酸盐环境障涂层的腐蚀行为与机制研究

稀土硅酸盐环境障涂层(EBCs)有望应用于新一代高推重比航空发动机热端部件,但是服役条件下的熔盐腐蚀成为限制其应用的瓶颈。CMAS组分和稀土硅酸盐的晶体结构等因素对其腐蚀行为产生显著影响。本工作以不同晶型的稀土硅酸盐涂层材料为研究对象,采用大气等离子喷涂技术制备X1-Gd₂SiO₅、X²-RE₂SiO₅(RE=Y,Er)涂层,并研究其在富Al₂O₃的CMAS熔盐环境(1400℃)的腐蚀行为与机制。结果表明,X²-RE₂SiO₅(RE=Y,Er)涂层耐蚀性能优于X1-Gd₂SiO₅涂层,这与涂层材料的物相组成和晶体结构的稳定性等因素有关。经CMAS腐蚀25 h后,X1-Gd₂SiO₅涂层表面仅生成磷灰石相;X²-RE₂SiO₅     

等离子喷涂-物理气相沉积Si/莫来石/Yb2SiO5环境障涂层

采用等离子喷涂-物理气相沉积技术(PS-PVD)在SiC/SiC复合材料表面依次制备了Si(底层)、3Al₂O₃-2SiO₂ (中间层)、Yb₂SiO₅(面层)环境障涂层(EBC)。利用扫描电子显微镜(SEM)观察分析EBC涂层表面与界面的微观形貌, X射线衍射仪对喷涂过程中易非晶化的莫来石涂层进行物相分析, 研究了喷涂粉末与高温等离子体的相互作用并探讨了EBC涂层的沉积机制。结果表明：通过PS-PVD技术可制备出低孔隙率、高致密界面的EBC涂层。通过观察EBC涂层表面, Si涂层表面无裂纹, 而莫来石和Yb₂SiO₅涂层表面均发现有微裂纹, 其中莫来石涂层表面的裂纹尺度大于Yb₂SiO₅涂层。三层结构的致密EBC涂层以液相沉积为主, 同时伴随有气、固沉积。在Yb₂SiO₅涂层沉积过程中, 液相沉积导致涂层为致密的层状结构, 蒸发后气相在等离子焰流中及基体表面发生均匀形核和非均匀形核导致涂层中出现大量的纳米晶粒, 而微熔粒子和溅射粒子则形成涂层中亚微米、微米晶粒。     

Tunable strength of SiCf/β-Yb2Si2O7 interface for different requirements in SiCf/SiC CMC:Inspiration from model composite investigation

Model composites consisting of Si C fiber embedded inβ-Yb₂Si₂O₇ matrix were processed by Spark Plasma Sintering method and the feasibility of tunable Si Cf/Yb₂Si₂O₇ interface in Si C-based CMCs were estimated.Weak and strengthened Si Cf/Yb₂Si₂O₇ interfaces were achieved by adjusting sintering temperatures.The indentation crack test and fiber push out experiments clearly demonstrated the different debonding mechanisms in the samples.Weak interfaces sintered at 1200 and 1250℃exhibited crack deflection at interface in indentation test.Their low debond energy at the interface,which were comparable to those of Py C or BN,satisfied the well-recognized interfacial debond and crack deflection criteria for CMCs.The interface was strengthened by atomic bonding in model composite sintered at 1450℃,leading to crack penetrating into Si C fiber and high debond energy.The strong interface may be promising in Si Cf/Si C CMC to withstand higher combustion temperature,because Yb₂Si₂O₇ will provide plastic deformation capacity,which would serve as weak interphase for crack deflection and energy dissipation.Therefore,it is possible to design the capability of Si C_f/RE₂Si₂O₇ interface for different requirements by adjusting interfacial strength or debond energy to reach optimal mechanical fuse mechanism in SiC_f/SiC CMC.     

Er2SiO5纳米粉体的并流共沉淀法合成

以Er₂O₃和正硅酸乙酯(TEOS)为原料,采用并流共沉淀法合成了纳米Er₂SiO₅粉体。研究了前驱体Si/Er摩尔比、煅烧温度以及反应体系pH值对Er₂SiO₅物相组成和显微结构的影响,并探讨了Er₂SiO₅粉体的合成机理。结果表明：前驱体Er/Si摩尔比为20∶12,煅烧温度为1300℃时,Er₂SiO₅粉体由X2-Er₂SiO₅纯相组成,具有近球形形貌特征。低Er/Si摩尔比可降低Er₂SiO₅的结晶温度并促进X2-Er₂SiO₅的生成,反应体系pH值的升高则对■结构的生成具有一定的促进作用。Er₂SiO₅前驱体是以■网络结构形式存在的,煅烧过程中通过分解和结构重组逐步生成Er_2<...     

层状硅酸钇改性SiCf/SiC复合材料湿氧化行为研究

研究了层状硅酸钇的引入对SiC_f/SiC复合材料湿氧化行为的影响。首先通过硝酸钇乙醇溶液浸渍热解法向碳化硅纤维引入Y₂O₃, 再采用化学气相渗透法沉积SiC。层状Y₂Si₂O₇主要通过Y₂O₃与沉积过程中的SiC反应转化而成。研究发现, Y₂Si₂O₇在1400 ℃湿氧环境条件下发生富集, 在氧化层表面形成保护层。氧化80 h后, 单层和多层Y₂Si₂O₇改性的SiC_f/SiC复合材料强度保留率分别达到60.38%和71.93%, 而没有改性的SiC_f/SiC复合材料强度保留率仅为50.11%。结果表明: 层状Y₂Si₂O₇的引入可显著提升SiC_f/SiC复合材料在湿氧环境的抗氧化性能。     

以YbH2-MgO体系为烧结助剂制备高热导率高强度氮化硅陶瓷

以YbH₂-MgO体系为烧结助剂, 采用两步法烧结制备了高热导率高强度氮化硅陶瓷, 研究了YbH₂-MgO对氮化硅致密化行为、相组成、微观形貌、热导率和抗弯强度的影响。在预烧结阶段, YbH₂在还原SiO₂的同时原位生成了Yb₂O₃, 进而形成“缺氧-富氮”液相。该液相不仅有利于晶粒的生长, 更有利于阻碍晶格氧的生成, 相较于Yb₂O₃-MgO助剂体系, β-Si₃N₄晶粒尺寸更大, 晶格缺陷更少, 低热导晶间相更少, 在1900 ℃保温24 h后, 热导率最优可达131.15 W·m^-1·K^-1, 较Yb₂O₃-MgO体系提升13.7%。用YbH₂代替Yb₂O₃, 在低温条件下烧结制备得到的氮化硅抗弯强度有所改善, 在1800 ℃保温4 h的抗弯强度可达(1008±35) MPa; 但在高温烧结时强度略有下降, 这与微观结构的变化密切相关。研究表明, YbH₂-MgO体系是制备高热导率高强度氮化硅陶瓷的有效烧结助剂。     

超重力熔铸Y2O3-Al2O3-SiO2玻璃的晶化行为研究

研究了以超重力熔铸方法制备的Y₂O₃-Al₂O₃-SiO₂玻璃的晶化行为, 并结合相图分析了热处理条件对晶化过程的影响规律。实验结果表明, Y₂O₃-Al₂O₃-SiO₂玻璃的晶化行为与热处理温度和SiO₂含量密切相关。当热处理温度为1050℃时, 晶化后样品的相组成沿超重力场方向呈现出梯度分布, 自上而下分别为Al₆Si₂O₁₃玻璃陶瓷、纯玻璃相、χ-Al₂O₃玻璃陶瓷。当退火温度为1100℃时, 析出晶相主要为Y₃Al₅O₁₂及Y₂Si₂O₇; 退火温度为1200℃时主要析出Y₃Al₅O₁₂。因此, 以超重力熔铸法制备YAS玻璃结合后续热处理的工艺, 提供了一种快速制备YAS基微晶玻璃的新方法。     

MoNbTaTiW难熔高熵合金表面硅化物涂层的制备与抗氧化机理

解决难熔高熵合金在高温下的抗氧化问题是其应用于工程的前提,在难熔金属表面制备抗氧化涂层是提高其抗氧化性能的有效途径。采用料浆熔烧法在MoNbTaTiW难熔高熵合金表面制备复杂硅化物抗氧化涂层（Si-20Cr-20Fe）,利用扫描电镜（SEM）、能谱仪（EDS）和X射线衍射（XRD）等研究原始硅化物涂层及其在1 300℃氧化后的显微结构、物相和成分,探讨Si, Fe, Cr在涂层中的扩散规律和涂层的抗氧化机理。结果显示：熔烧后的原始硅化物涂层由金属与硅反应生成的二硅化物、5/3硅化物和三元硅化物Cr₄Nb₂Si₅组成,硅化物涂层与基体之间形成了良好的扩散反应界面。1 300℃氧化后,Si, Fe, Cr 3种元素向基体扩散,扩散反应界面向基体方向移动,涂层厚度增加,扩散反应界面的结构与成分与原始复杂硅化物涂层的无显著差别。氧化后涂层表面形成了由CrNbO₄,SiO₂,WO₃和Fe₂SiO₄组成的无裂纹致密氧化物层,...     

多元稀土氧化物掺杂二氧化锆基陶瓷材料的热物理性能

稀土氧化物(RE)掺杂氧化钇稳定二氧化锆(YSZ)是提高传统YSZ热障涂层隔热性能和高温稳定性的有效途径之一。在1500 ℃高温固相反应烧结24 h制得Gd₂O₃和Yb₂O₃多元稀土氧化物掺杂的YSZ(含3.5%Y₂O₃(摩尔分数))(GY-YSZ)陶瓷材料。采用XRD研究了GY-YSZ 陶瓷材料的晶体结构和物相组成; 采用激光脉冲法研究了Gd₂O₃和Yb₂O₃掺杂对GY-YSZ 陶瓷材料的热物理性能的影响规律。研究发现, 掺杂2.0%~3.0%Gd₂O₃和Yb₂O₃(摩尔分数)后GY-YSZ的热导率为0.90~1.15 W·(m·K)-1, 比YSZ降低30%以上, 显示了良好的隔热性能。稀土氧化物掺杂对YSZ陶瓷材料热物理性能的影响机制为: 掺杂Gd₂O₃和Yb₂O₃导致YSZ中单斜相(M)、 四方相(T)和立方相(C)含量发生变化, 同时YSZ晶格发生畸变。      

电解液组分对TiCP/Ti6Al4V复合材料微弧氧化膜耐蚀性及耐磨性影响

采用微弧氧化技术在 TiC_P/Ti6Al4V 复合材料表面制备陶瓷膜。在NaAlO₂和NaH₂PO₂两种溶液体系中通过添加不同添加剂 NaOH、C₁₀H₁₂CaNa₂N₂O₈·4H₂O和Na₂SiO₃, 研究电解液组分对陶瓷膜组织、耐蚀性和耐磨性的影响。结果表明: 在NaH₂PO₂电解液体系中生成的膜层由金红石型和锐钛矿型TiO₂相组成, 而在NaAlO₂体系中除了生成TiO₂外, 还生成了Al₂TiO₅和γ-Al₂O₃。添加NaOH可以加快微弧氧化反应速率, 添加NaAlO₂和Na₂SiO₃有利于提高膜层的硬度, NaH₂PO₂溶液体系中形成的膜层厚度是NaAlO₂溶液体系的2~3倍。 在NaAlO₂和NaH₂PO₂电解液体系中生成的膜层, 其耐腐蚀性能排序均为: Na₂SiO₃>C₁₀H₁₂CaNa₂N₂O₈·4H₂O>NaOH。在NaAlO₂电解液体系中生成的膜层的耐磨性能排序为: Na₂SiO₃>NaOH>C₁₀H₁₂CaNa₂N₂O₈·4H₂O, 而在NaH₂PO₂电解液体系中生成的膜层的耐磨性能排序为: Na₂SiO₃>C₁₀H₁₂CaNa₂N₂O₈·4H₂O>NaOH。TiC_P/Ti6Al4V复合材料经过微弧氧化处理后, 耐磨性和耐蚀性均优于基体, 在NaH₂PO₂+Na₂SiO₃电解液中生成的微弧氧化膜的耐蚀性最好, 耐磨性也较好, 其腐蚀电流密度较钛基复合材料基体降低约2个数量级, 因此综合性能最好。     

Spectra and laser properties of Er, Yb:phosphate glasses

The effects of Al₂O₃, Yb₂O₃, Er₂O₃ and OH on spectral properties of P₂O₅·Na₂O·SrO·Al₂O₃·Yb₂O₃·Er₂O₃ erbium phosphate glass were studied. 5, 8, 13 mol% Al₂O₃, 4, 5, 6, 7 and 8 mol% Yb₂O₃ and 0.05, 0.2, 0.4 mol% Er₂O₃ were used. It was found Al₂O₃ improves fluorescent lifetime of Er³⁺ ions, but the integrated absorption cross-section of Er³⁺ ions decreases with the increase of Al₂O₃ concentration. Evaluating from energy transfer efficiency of Yb³⁺ to Er³⁺ and spectral parameters of Yb³⁺ and Er³⁺, lower Al₂O₃ content, 6 mol% Yb₂O₃ and 0.2–0.4 mol% Er₂O₃ are preferred for LD pumped microchip laser application. OH groups in glass greatly affect fluorescent intensity and lifetime of Er³⁺, Yb³⁺:phosphate glass. The OH absorption coefficient at 3000 cm⁻¹ should be <1 cm⁻¹ for laser applications. Pumped with a 2 W, 974 nm InGaAs laser diode, CW laser centered at 1530 nm with slope efficiency of 10.6% and maximum output of 43 mW was achieved in our 2 mm thick Er³⁺, Yb³⁺:phosphate glass at room temperature.     

微晶玻璃焊料在连接过程中的晶化行为研究

采用一种添加Li₂O和Fe₂O₃的CaO-Al₂O₃-SiO₂基微晶玻璃连接氧化铝陶瓷。通过采用热分析(DTA)、扫描电镜(SEM)和X射线衍射分析(XRD)等方法, 研究了微晶玻璃焊料在连接过程中的晶化行为及其对接头力学性能的影响。结果表明, 在传统的晶化处理过程中, 此玻璃中能够析出锂辉石(LiAlSi₂O₆)、硅灰石(CaSiO₃)、钙铁镏石(Ca₃Fe₂Si₃O₁₂)和钙长石(CaAl₂Si₂O₈)四种晶体。然而, 当采用此玻璃连接氧化铝陶瓷时, 微晶玻璃的晶化过程与连接工艺密切相关。由于缺少足够的形核驱动力, 采用焊后直接冷却的连接工艺只能获得完全玻璃态的接头中间层。通过在降温过程中引入形核-晶化的热处理工艺, 促进了玻璃中间层的晶化, 并且能够通过改变晶化温度来调整中间层的相组成。另外, 晶化相的种类对接头力学性能有重要影响。当中间层中只形成钙长石时, 接头强度达到247.5 MPa; 而当中间层中有锂辉石或钙铁镏石析出时, 接头强度仅为10~135 MPa。     

膨胀石墨/五水硫代硫酸钠相变储能复合材料热性能

五水硫代硫酸钠（Na₂S₂O₃·5H₂O）相变储能材料具有较高的相变潜热、储能密度等,但Na₂S₂O₃·5H₂O存在过冷和相分离,性能较不稳定。添加成核剂K₂SO₄、CaSO₄·2H₂O、Na₄P₂O₇·10H₂O和强化传热材料膨胀石墨（EG）进行改性,制备得到性能稳定的EG/Na₂S₂O₃·5H₂O相变储能复合材料。测试结果显示:K₂SO₄对Na₂S₂O₃·5H₂O的成核性较差,CaSO₄·2H₂O、Na₄P₂O₇·10H₂O均有较好的成核作用,可明显降低Na₂S₂O₃·5H₂O过冷度,但CaSO₄·2H₂O体系不稳定,添加3.0%质量分数的Na₄P₂O₇·10H₂O可使Na₂S₂O₃·5H₂O过冷度降低至1℃以内,0.5%~2.0%质量分数的EG可使其过冷度降低至2℃左右,7.0%质量分数的EG可完全消除体系的相分离。复合相变材料的较优组成为7.0%的EG、3.0%的Na₄P₂O₇·10H₂O和90.0%的Na₂S₂O₃·5H₂O。此时,EG/Na₄P₂O₇·10H₂O/Na₂S₂O₃·5H₂O复合材料相变潜热为192.5 kJ·kg-1,相变时无液态泄露,无相分离,储热时间比纯物质缩短22.3%,放热较快。      

碳化与氯盐腐蚀作用下钢筋锈蚀物的微结构特征

通过XPS与XRD方法研究了碳化与氯盐腐蚀作用下砂浆内钢筋锈蚀物的组成和微结构特征,阐明了砂浆内钢筋的腐蚀机制。研究结果表明：从氯盐、碳化到氯盐与碳化复合作用,钢筋锈蚀物中Fe的峰值逐渐增强,Fe的氧化物含量增多,钢筋锈蚀越来越严重;在钢筋腐蚀过程中,钢筋表面的FeO和Fe₃O₄等较致密的钝化膜结构会转化为Fe³⁺,且Fe³⁺与水泥的水化产物Ca₂SiO₄形成Fe³⁺-Ca₂SiO₄复盐,随着钢筋腐蚀程度的加剧,Fe³⁺-Ca₂SiO₄复盐含量逐渐减少,而Fe³⁺转化为以Fe₂O₃为主的其他锈蚀物。     

基于Na3Zr2Si2PO12固体电解质的非平衡态SO2传感器

基于Na₃Zr₂Si₂PO₁₂(NASICON)固体电解质, 分别以Na₂SO₄-BaSO₄混合盐和NaRe(SO₄)₂复盐为敏感电极材料制备了片式SO₂非平衡态气体传感器。结果表明, 该类型传感器的输出电动势与SO₂气体浓度的对数呈良好的线性关系, 在低温260℃具有最佳性能, 灵敏度分别达到了160 mV/decade和136 mV/decade。传感器在不同浓度的SO₂气体中的交流阻抗谱测试结果显示, 气体在敏感电极的三相界面处电化学反应的活性随着气体浓度的增大而增强, 结合敏感电极结构, 对该类敏感电极的机理进行了分析。由于NASICON具有良好的低温钠离子导电性, 可以大幅降低传感器的工作温度; 由于Na₂SO₄-BaSO₄混合盐和NaRe(SO₄)₂敏感材料具有更好的化学稳定性, 制备的传感器具有良好的可重复性和稳定性。基于非平衡态设计的传感器, 具有结构简单和成本低的优点。以上特性为该传感器在SO₂气体在环境监测方面的应用提供了可能。     

Hf-Si-La-O-N体系中HfN的形成及相关系

本研究探讨了一步法制备HfN复合硅酸镧盐陶瓷材料的可行性和配方设计问题,并对HfO2-Si3N4-La2O3三元系统反应合成HfN进行了实验验证.因为在HfO2-Si3N4-La2O3三元系统的反应过程中涉及到硅酸镧盐Si3N4-SiO2-La2O3系统,所以将其延伸为HfO2-Si3N4-La2O3-SiO2-HfN...     

空气浴条件下三水醋酸钠相变材料的储热性能实验

三水醋酸钠（CH₃COONa3H₂O）作为一种无机相变储能材料,具有潜热值高、导热性能好等优点,但是其在凝固过程中过冷度大制约了CH₃COONa3H₂O的应用。为了调节CH₃COONa3H₂O在空气浴条件下的过冷度,本文选用Na₂HPO₄12H₂O、Na₂CO₃10H₂O、Na₄P₂O₇10H₂O、Na₃PO₄12H₂O、Na₂SiO₃9H₂O、Na₂S₂O₃9H₂O和Na₂B₄O₇10H₂O这7种无机水合盐材料作为成核剂,采用步冷曲线法在高低温试验箱中进行过冷度调节实验和热循环实验。结果表明：在空气浴条件下,质量分数为96% CH₃COONa3H₂O+2% Na₂HPO₄12H₂O+2%羧甲基纤维素的复合相变材料过冷度最小,为5.6℃;将复合相变材料进行25、50和75次热循环后,其相变点温度几乎维持不变,过冷度随循环次数增加而逐渐增大,相变潜热值随循环次数的增加逐渐减小。本研究丰富了CH₃COONa3H₂O相变材料的过冷度调节方案,为其工程化应用提供了参考。     

Si3N4-ZrO2-La2O3系统反应合成ZrN及相图构建

本工作研究了Si₃N₄-ZrO₂-La₂O₃三元系统的相关系, 采用X射线衍射仪分析了物相组成。结果表明, 在1500 ℃/1 h/N₂气氛条件下固相反应, 生成了ZrN和La_4.67Si₃O₁₃、La₅Si₃NO₁₂、La₄Si₂N₂O₇、LaSiNO₂、La₂Zr₂O₇等镧盐化合物的共存相。由于生成的氮化锆和硅酸镧等化合物不在Si₃N₄-ZrO₂-La₂O₃三元系统内, 需引入SiO₂测定SiO₂-La₂O₃-ZrO₂三元分系统相图, 进而扩大成Si₃N₄-ZrO₂-La₂O₃-SiO₂-ZrN五元系统, 本工作绘制并提出了此五元系统相图, 且提出了1570 ℃时SiO₂-La₂O₃-ZrO₂三元分系统实验相图。此外, 验证了La₂O₃在Si₃N₄-ZrO₂-La₂O₃三元系统反应中促进Si₃N₄-ZrO₂取代反应生成ZrN的作用。