一种新的β-锂霞石增强铜基复合材料热性能

采用热压烧结工艺成功制备了一种新的β-锂霞石增强铜基复合材料.利用扫描电镜和透射电镜对复合材料的微观组织进行了分析,并对不同体积分数复合材料的致密性,热膨胀性能和热传导性能进行了测试.结果表明:β-锂霞石颗粒在铜基体中分布均匀,界面清晰,不发生界面反应;体积分数对复合材料致密性、热膨胀系数和热导率有明显影响,当β-锂霞石颗粒体积分数超过40%时,复合材料的致密性有明显下降,热膨胀系数在(9～15.4)×10-6/K,同时热导率在50～170W/m·K.     

低膨胀β-锂霞石基复合材料的研究现状与进展

热膨胀系数是材料的重要参数之一,自然界中,绝大多数物质都具有较高的热膨胀系数,热胀冷缩的情况较为严重,因此,这类物质通常具有较差的抗热冲击性,不能在温度变化巨大的环境下使用。如不均匀的温度分布和大的温度变化会引起航空航天器件结构破坏和电子设备的几何热变形,从而造成信号失真。然而自然界中,也存在少数具有负热膨胀系数的物质。这类材料的体积会随着温度的升高而减小。利用热膨胀系数的加和性,可将具有低热膨胀系数或负热膨胀系数的材料与高热膨胀系数的材料复合,得到热膨胀系数可调的复合材料,可显著提高其抗热震性。负热膨胀材料分为各向同性负热膨胀材料和各向异性负热膨胀材料。各向同性负热膨胀材料主要是ZrV_(2-x)P_xO_7和ZrW_2O_8系列,各向异性负热膨胀材料主要包括β-锂霞石、钙钛矿系列、A_2M_3O_(12)系列、M(CN)_2(M=Zn,Cd)系列、氧化物、沸石系列和金属有机框架结构材料(MOFs)等。其中,β-锂霞石因其具有较大的负热膨胀系数(α=-6.1×10~(-6)K~(-1))、较低的密度(2.67g/cm~3)、良好的抗热震性、介电性能及红外辐射,常被用作调节复合材料热膨胀系数的材料。β-锂霞石可与其他材料复合,制备出具有负热膨胀或接近"零膨胀"的复合材料,极大地提高材料的抗热震性和尺寸稳定性,进而提高材料的使用寿命。因此,β-锂霞石常被用来制备一些低膨胀陶瓷、微晶玻璃、金属基等复合材料,用于电气设备、电子元件、导弹天线罩涂层材料、激光陀螺仪和天文望远镜等领域。同时,由于β-锂霞石的各向异性热膨胀特性,复合材料中存在较多的残余应力从而使其机械强度下降。为了解决这个问题,可在复合材料中继续引入机械强度较高的纤维或晶须来提高其机械强度,形成三相复合的低膨胀、高机械强度的复合材料。这将进一步拓展此复合材料在惯性导弹、光纤陀螺等航空航天中的应用。本文主要综述了β-锂霞石在金属、玻璃以及陶瓷低膨胀两相或三相复合材料领域的研究现状及进展,概述了这几类低膨胀系数复合材料的制备工艺、热学性能、力学性能及应用领域,对β-锂霞石基复合材料未来的发展趋势及应用前景进行了展望。     

β-锂霞石复合材料的分类与合成方法

锂霞石是一种硅酸铝锂矿物,多呈圆滑的团块状或星点状嵌布于锂辉石晶体内或晶间空隙及裂缝中。大约在972℃时,天然的α-锂霞石转变为β-锂霞石。β-锂霞石因其结构特点在较宽的温度范围具有负的膨胀系数。而热膨胀系数具有加和性,因此,利用β-锂霞石材料的负膨胀性与其他材料复合,研制具有低膨胀或"零膨胀"的复合材料受到高度重视,并进行了大量研究。本文重点介绍了β-锂霞石复合材料的分类,并对其合成方法进行阐述,最后对其应用进行了展望。     

β-锂霞石负膨胀微晶玻璃的制备技术及结构特征

研究了β锂霞石微晶玻璃的制备技术、结构特征及其负膨胀特征。首先采用玻璃结晶法制备β锂霞石负膨胀微晶玻璃材料,然后通过XRD、SEM等测试手段,表征了β锂霞石微晶玻璃材料的结构特征。并讨论β锂霞石负膨胀微晶玻璃的膨胀系数及其与晶相组成和晶化温度及时间的依从关系,使其负膨胀系数在一定范围内连续可调。研究并制备出热膨胀系数可达到为-1.037×10-5/℃的β锂霞石微晶玻璃。     

CaO-B_2O_3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-B_2O_3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LiAlO_2,使样品的热膨胀系数提高至3.46×10~(–6)/K。     

锂铝硅微晶玻璃结构与性能热稳定性研究

以TiO₂、ZrO₂为形核剂制备了透明低膨胀锂铝硅系微晶玻璃, 通过测定其等温转变动力学曲线,讨论锂铝硅玻璃析晶及相变与热处理温度和时间的关系, 并采用DTA、XRD和SEM等方法研究锂铝硅微晶玻璃结构和性能的热稳定性. 结果表明, 以β-石英固溶体为主晶相的透明微晶玻璃能在750~900℃较宽的温度范围和较长的时间内保持主晶相和结构的稳定, 850℃保温5h仍具有较高的透光率和极低的热膨胀系数, 性能具有很好的高温稳定性. 材料结构和性能的稳定性均源自钛锆复合形核剂较高的形核效率.     

铝基复合材料性能的研究现状

铝基复合材料具有很高的比强度、比模量和较低的热膨胀系数，兼具结构材料和功能材料的特点。综述了铝基复合材料的性能特点、腐蚀与控制情况及影响其性能的主要因素，并对目前的研究和应用现状做了归纳和评述。     

β-锂霞石/莫来石纤维/玻璃低膨胀复合材料制备

为了研制新型轻质、低膨胀系数的复合材料,以玻璃为基质材料,根据复合材料混合法则,将β-锂霞石、多晶莫来石纤维和玻璃粉按一定比例球磨混合后,经冷等静压压制后,采用高温真空烧结的方法,制备了含锂霞石和莫来石纤维的玻璃基复合材料。通过对其表观形貌、显微结构、维氏硬度、膨胀系数进行测试,重点研究了纤维含量、纤维长径比、烧结温度对复合材料性能致密度、机械性能、膨胀系数的影响。结果表明,当纤维含量为18%(质量分数)时,材料的维氏硬度最高;当纤维含量为10%(质量分数),长径比为31,800℃真空烧结5 h后,复合材料在在150～400℃范围内的平均线膨胀系数为1.67×10~(-6)/K(2×10~(-6)/K),是一种潜在的轻质、低膨胀复合材料。     

尖晶石/玻璃复合材料的制备和性能研究

采用电子陶瓷工艺制备了一系列玻璃/尖晶石陶瓷复合材料,结果表明:复合材料的介电常数、热膨胀系数和显微硬度随着尖晶石含量的增加而增加,而且材料中硼酸铝的生成对复合材料的介电和热膨胀性能有一定影响。所制备的复合材料具有低的介电常数(5.5~6.5)、低的热膨胀系数(5.3×10-6~5.5×10-6℃-1)和低的烧结温度(≤1000℃),有望用于先进的微电子封装基板材料。     

莫来石溶胶的制备及对钛酸铝粉体的包裹

以硝酸铝和正硅酸乙酯为主要原料制备稳定莫来石溶胶, 用浸渍包膜的工艺方法对钛酸铝(Al₂TiO₅, AT) 粉体进行包裹, 研究了溶胶性能及含量对钛酸铝粉体包裹效果及性能改善的影响。结果表明: 溶胶的浓度为0.18~0.30mol/L、 黏度在56~93mPa · s之间、 pH=3.0、 包膜厚为0.15~0.20μm时, 可得到包裹效果良好的莫来石-钛酸铝粉体, 制备出性能优良的莫来石-钛酸铝复合材料。复合材料的抗折强度为36~50MPa, 为钛酸铝材料强度的10~15倍, 复合材料的热膨胀系数为1.89~2.25×10-6/℃(室温至1000℃), 复合材料中的钛酸铝在1100℃/300h的热处理未发生分解。应用TG-DSC、 XRD、 SEM、 EPMA等对包膜前后莫来石粉体和复合材料粉体的热学行为、 形貌和成分进行研究, 探讨了性能与结构之间的关系。