原料预处理对BaTiO3压电陶瓷的物性影响

BaCO₃微粉原料通常由尺寸较大的棒状颗粒所组成, 这些棒状颗粒在一次球磨过程中由于不容易粉碎, 从而对经预烧、二次球磨所得到的BaTiO₃陶瓷微粉的化学组分的均匀性和颗粒度产生影响, 进而影响后序烧结制备的BaTiO₃陶瓷的微观组织结构和压电性能。本研究重点探讨了以BaCO₃和TiO₂为原料、通过固相反应途径制备BaTiO₃陶瓷时, 实施原料预处理对所制备的BaTiO₃压电陶瓷物性的影响。研究发现, 配料前对BaCO₃原料实施球磨预处理可明显地降低棒状颗粒的尺寸, 从而可获得颗粒度细化的BaTiO₃陶瓷微粉, 进而制备致密度更高和晶粒尺寸更小而压电性能更高的BaTiO₃陶瓷材料。研究中对BaCO₃微粉进行不同时间的球磨预处理, 然后制备钛酸钡陶瓷, 考察了其压电性能、介电性质、铁电性能和微观结构等物理性质。利用同样的BaCO₃微粉原料, 未经球磨预处理所制备的BaTiO₃陶瓷的压电系数d₃₃最高值为410 pC/N, 而实施合适的球磨预处理制备的BaTiO₃陶瓷的压电系数d₃₃最高值可达470 pC/N。     

Ba(Ti0.96Sn0.04)O3陶瓷的物性研究

采用传统固相反应法制备了Ba(Ti_0.96Sn_0.04)O₃无铅压电陶瓷, 对其压电性能、介电性能、铁电性能和微观结构等进行了研究。研究发现, 原料以及制备工艺对Ba(Ti_0.96Sn_0.04)O₃陶瓷的压电性质具有较大的影响。与BaTiO₃陶瓷相比, Ba(Ti_0.96Sn_0.04)O₃陶瓷的正交-四方相变温度T_O-T得到了一定的提高, 并且T_O-T附近的热滞只有1.8℃。陶瓷的微观形貌呈现出较为复杂的畴结构, 主要以90°平行带状畴为主, 偶尔有少量不同构型的180°畴。电滞回线呈现为理想的近似矩形饱和形状的曲线, 剩余极化强度P_r为18.9 μC/cm², 矫顽场E_c为 2.5 kV/cm。此外, 非180°畴的翻转是引起陶瓷逆压电常数d₃₃^*的主要因素, 其值可达550 pm/V。     

Ni掺杂黑液木质素基活化木材陶瓷的制备与性能研究

以造纸黑液木质素和NiCl₂·6H₂O为原料、经1200℃高温烧结制备Ni掺杂木材陶瓷, 并用KOH进行活化处理, 得到呈泡沫状的三维网络结构的Ni掺杂活化石墨化木材陶瓷。采用X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(RS)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、比表面积测试仪及电化学工作站等对其性能进行分析与表征。结果表明: Ni既参与构筑木材陶瓷骨架, 又对无定形碳进行催化石墨化。所制备样品的石墨化倾向明显, 有石墨烯片层结构出现, 部分晶格间距接近理想石墨的点阵参数。同时, 活化处理可以有效地形成多层次孔隙结构, 增加微孔与超微孔数量。800℃活化3 h后, 样品中的孔径主要集中在3.60 nm左右, 比表面积从359 m²·g^-1提高到856 m²·g^-1。活化能够改善Ni掺杂木材陶瓷的电化学性能, 在20 mV·s^-1扫描速率下, 其比电容为153.8 F·g^-1, 是未活化样品的2.2倍。     

Sm掺杂增强PZT基弛豫型铁电陶瓷压电性能研究

锆钛酸铅(PZT)基压电陶瓷是一类应用非常广泛的功能材料, 可应用于水声换能器、压电马达、医疗超声换能器以及声表面波滤波器等。通过改性提高PZT基压电陶瓷的压电性能一直是该领域的研究热点。本工作采用传统固相反应法制备了准同型相界(Morphotropic Phase Boundary, MPB)组分的Sm-0.25PMN-0.75PZT压电陶瓷, 并对其微观结构以及宏观性能进行了系统研究。研究结果表明：引入Sm³⁺可以增强压电陶瓷的局域结构异质性, 提升介电响应从而提高压电性能。当Sm³⁺引入过多时, 铁电极化的长程连续性被大面积打断, 压电性能下降。本实验中得到的最优组分压电陶瓷性能为：高压电系数d₃₃~824 pC/N, 高压电电压常数g₃₃~27.1×10^-3 m²/C和相对较高居里温度T_C~178 ℃, 电致应变在室温至150 ℃范围内低于5%, 有较好的温度稳定性, 是极具应用前景的高性能压电材料。     

提高AEO9/醇/烷/水体系反相微乳液陶瓷墨水浓度的研究

鉴于陶瓷墨水在某些性能上存在不足,例如相对连续式喷墨打印机打印成型要求而言粘度较大、电导率偏低、固相含量不够高等问题,通过加入醇和Na₂CO₃等添加剂以及利用双连续结构分别对粘度、电导率等性能加以调整及提高陶瓷墨水的浓度。少量醇的加入(1％～2％)使陶瓷墨水体系粘度降低到11mPa·S左右,根据相图从双连续结构角度出发设计了陶瓷墨水的组成,考察了溶水量的变化,并借以提高陶瓷墨水固相含量,使其达到2.54％。由于双连续结构陶瓷墨水的理化性能(粘度、电导率等)仍不能完全满足要求,加入少量Na₂CO₃进行改性,改性后的陶瓷墨水粘度降至18mPa·s以下,电导率接近100mS/m,稳定性良好,墨水中陶瓷颗粒粒度在10nm以下,但透光率略有降低,显微结构观察表明具有明显的双连续结构特征。     

无铅压电陶瓷纳米粉体的制备及其陶瓷性能研究进展

随着经济的发展和人们环保意识的增强,无铅压电陶瓷的研究和开发越来越引起人们的重视.但此类材料的压电性能相对于铅基压电陶瓷来说还存在较大差距,严重制约着它的实际应用.纳米技术的出现和发展为无铅压电陶瓷性能全面达到或超过铅基压电陶瓷提供了很好的机遇和平台.综述了近年来无铅压电陶瓷纳米粉体的合成方法,比较了纳米粉体和普通原料制备的无铅压电陶瓷的性能,展望了无铅压电陶瓷未来的发展和应用前景.通过调控反应参数,得到不同尺寸和形状的纳米粉体,实现无铅压电陶瓷纳米粉体的尺寸和形状均匀且可控,无铅压电陶瓷的性能必将大幅度地提高.     

制备工艺对(Ba0.85Ca0.15)(Ti0.9Zr0.1)O3无铅压电陶瓷结构与性能的影响

采用液相混合与固相烧结相结合的方法制备了(Ba_0.85Ca_0.15)(Ti_0.9Zr_0.1)O₃ (BCTZ) 无铅压电陶瓷, 系统研究了烧结保温时间对其相结构、介电、压电和铁电性能的影响以及电学性能随温度的变化。研究结果表明: 制备的陶瓷样品具有单一的四方钙钛矿结构。当烧结温度为1540℃时, 随着保温时间的延长, 样品晶粒尺寸变大, 居里温度(T_c)升高, 压电性能提高, 电致伸缩性能下降。当保温时间为24 h时, BCTZ陶瓷综合性能最为优异: T_c ~90℃, tanδ < 0.05, k_p ~ 0.46, d₃₃ ~ 540 pC/N, P_s ~17 μC/cm²。陶瓷电学性能随温度变化测试结果又表明, BCTZ陶瓷的电学性能具有很强的温度依赖性, 随着温度的升高其电学性能逐渐下降。     

低温分相法制备高比表面积微/介孔SiOC陶瓷

以含氢聚硅氧烷(PHMS)、四甲基四乙烯基环四硅氧烷(D₄ ^vi)和铂络合物为原料, 采用热交联合成交联体, 通过水蒸汽辅助热解促进前驱体低温分相及后续HF对SiOC陶瓷侵蚀基础上, 获得高比表面积微/介孔SiOC陶瓷。采用XRD、FT-IR、SEM和BET等测试技术对试样的物相组成、化学键、微观结构、比表面积和孔径分布等进行了表征。实验结果表明, 水蒸气能够促进前驱体低温分相, 使SiOC陶瓷中生成Si-O-Si键、SiO₂纳米畴和SiO₂纳米晶, 这些可以作为造孔剂而被HF侵蚀, 从而提高了SiOC陶瓷的比表面积。在热解温度1300℃条件下, 微/介孔SiOC陶瓷具有最大比表面积1845.5 m²/g, 孔径分布2.0~10 nm。     

三元陶瓷Pb(In1/2Nb1/2)O3-Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-PbTiO3准同型相界附近组分的介电、铁电和压电性能

铅基复合钙钛矿铁电材料广泛应用于机电传感器、致动器和换能器。二元铁电固溶体Pb(Ni_1/3Nb_2/3)O₃- PbTiO₃(PNN-PT)由于其在准同型相界(MPB)区域具有优异的压电、介电性能而备受关注。然而较大的介电损耗和较低的居里温度限制了其在高温高功率器件方面的应用。本研究通过引入Pb(In_1/2Nb_1/2)O₃ (PIN)作为第三组元改善PNN-PT的电学性能, 提高其居里温度; 通过两步法合成了MPB区域的三元铁电陶瓷Pb(In_1/2Nb_1/2)O₃- Pb(Ni_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃ (PIN-PNN-PT), 研究了其结构、介电、铁电和压电性能。制备的所有组分陶瓷具有纯的钙钛矿结构。随着PT含量的增加, 陶瓷结构从三方相转变为四方相。通过XRD分析得到了室温下PIN-PNN-PT体系的MPB相图。体系的居里温度由于PIN的加入得到了很大的提高, 更重要的是PIN的引入降低了PNN-PT体系的介电损耗和电导。MPB处的组分展现出了优异的电学性能, 室温下, 性能最优组分为0.30PIN-0.33PNN-0.37PT: d₃₃=417 pC/N, T_C=200 ℃, ε′= 3206, tanδ=0.033, P_r=33.5 μC/cm², E_C=14.1 kV/cm。引入PNN-PT的PIN第三组元使得体系的居里温度和压电性得到提高的同时降低了的介电损耗和电导率, 因此, PIN-PNN-PT三元铁电陶瓷在高温高功率换能器等方面具备一定的应用潜力。     

添加Bi2WO6对ZnO基压敏陶瓷电学性能的影响

用传统固相反应法研究了添加Bi₂WO₆(x=0%~9%,质量分数)对ZnO基压敏陶瓷的微观结构、压敏性能和介电性能的影响。结果表明：掺入适量的Bi₂WO₆能促进ZnO压敏陶瓷晶粒均匀生长、提高微观结构的均匀性、降低压敏场强和提高非线性系数;同时,Bi₂WO₆的添加可提高ZnO晶粒表面吸附氧的含量,从而提高界面态密度和势垒高度以及ZnO基压敏陶瓷的非线性特性。Bi₂WO₆的添加量为7%的ZnO基压敏陶瓷,其综合性能为：E_{1 mA}=263 V/mm,α=53,J_L=3.50 μA/cm²,φ_b=11.52 eV。     

硼纤维拉伸强度分布特征与其内含缺陷的关系

采用单－Ｗｅｉｂｕｌｌ统计分布函数及缺陷引发断裂的不同机制来描述拉伸强度的分散性及其与纤维特性的内在联系。结果发现具有不同断裂机制的缺陷所引发的拉伸断裂其强度分布分别符合Ｗｅｉｂｕｌｌ分布,并具有各自独特的形态和参数,从而可从统计学角度对纤维所含缺陷及纤维性能进行了分类和描述。     

碳纤维静、动态加载下拉伸力学性能的试验研究

利用岛津试验机和自行研制的旋转盘式击拉伸试验装置,对Ｔ３００和Ｍ４０Ｊ两种碳纤维实施了应变速率范围为０．００１－１３００ｓ＾－１的静、动态拉伸试验,获得了两种材料在不同应变速率下的完整的应力变曲线。     

Tensile properties of natural fibers with variation in cross-sectional area

Natural fiber-reinforced green composites are increasingly being used in various industries. Generally speaking, the cross sections of natural fibers are not circular. Moreover, they show wide variation in their cross-sectional area. Nevertheless, the tensile properties of natural fibers are often evaluated on the assumption of a circular cross-sectional shape. Therefore, we proposed a new method to calculate the natural fiber cross-sectional area by measuring their projection widths to estimate the proper tensile properties. This method was used to investigate the effects of cross-sectional area variation on tensile properties. Additionally, to estimate the proper Weibull parameters of natural fibers apart from the cross-sectional area variation, we proposed a strength distribution function that incorporates cross-sectional area variation, based on a Weibull distribution. Finally, we formulated a strength distribution function of natural fibers that includes the cross-sectional area variation.     

Tensile mechanical behavior of T300 and M40J fiber bundles at different strain rate

Tensile mechanical behavior of T300 fiber bundles and M40J fiber bundles have been studied in the strain rate range from 0.001 1/s to 1300 1/s and complete stress strain curves were obtained. Results show that both ultimate strength and failure strain of two materials are strain rate insensitive, and T300 fiber and M40J fiber can be regarded as strain rate insensitive materials. On basis of the fiber bundles model and the statistic theory of fiber strength, single Weibull distribution model and bimodal Weibull distribution model have been developed to describe mechanical behavior of fiber bundles. And a method for determine the statistic parameters of fibers by tensile tests of fiber bundles is established, too. The simulated stress strain curves from the model are in good agreement with the test data. Simulated results show that the strength of T300 fiber can be described by single Weibull distribution function, and the strength of M40J fiber should be described by bimodal Weibull distribution function.     

剑麻/聚丙烯复合材料的冲击性能及其预测

采用注塑工艺制备剑麻纤维增强聚丙烯复合材料,研究纤维含量、长度及其分布、不同基体树脂和相容剂类型等对复合材料冲击性能的影响。分析单纤维强度的分散性,采用修正的Weibull分布模型估算临界纤维强度,并对复合材料的冲击强度进行预测。结果表明：剑麻/聚丙烯的冲击强度随纤维含量增加而升高,树脂基体的性质对冲击强度具有显著的作用;界面层为刚性层的相容剂MAPP对冲击强度具有负作用,而界面层为柔性层的相容剂PP-g-GMA对冲击强度具有提高作用;同等含量下,使用PP-g-GMA后复合材料的冲击强度比使用MAPP提高21.7%。通过KH550硅烷溶液处理后的纤维与PP-g-GMA反应,在界面处引入更加柔性的界面层,使冲击强度比引入MAPP提高50.7%。将纤维取向因子引入冲击强度模型后,预测值与实测值符合较好。     

The asymptotic stochastic strength of bundles of elements exhibiting general stress–strain laws

The fiber bundle model is widely used in probabilistic modeling of various phenomena across different engineering fields, from network analysis to earthquake statistics. In structural strength analysis, this model is an essential part of extreme value statistics that governs the left tail of the cumulative probability density function of strength. Based on previous nano-mechanical arguments, the cumulative probability distribution function of strength of each fiber constituting the bundle is assumed to exhibit a power-law left tail. Each fiber (or element) of the bundle is supposed to be subjected to the same relative displacement (parallel coupling). The constitutive equations describing various fibers are assumed to be related by a radial affinity while no restrictions are placed on their particular form. It is demonstrated that, even under these most general assumptions, the power-law left tail is preserved in the bundle and the tail exponent of the bundle is the sum of the exponents of the power-law tails of all the fibers. The results have significant implications for the statistical modeling of strength of quasibrittle structures.     

Failure Modeling of SiC/SiC Mini-Composites in Air Oxidizing Environments

An iterative method was presented for simulation of the failure process of SiC/SiC mini-composites with pyrolytic carbon interphase exposed to air oxidizing environments under a constant load at 900 °C. This method was based on the possibility fracture strength of SiC fibers caused by random defects and the fiber stress distribution in mini-composites. The fiber strength probability model and Monte Carlo simulation were combined to generate the fracture strength along SiC fibers at 900 °C. The influence of fiber arrangement on fiber stress distribution was assessed to simplify the geometry model which was used to calculate the fiber stress distribution in the mini-composites. The failure process of the mini-composites was simulated, and the calculated oxidation life of the mini-composites matches the experimental data well with an error of ?9.40%.     

基于图像处理的纤维分布与取向分布对水泥基材料弯曲性能的影响

聚乙烯醇(PVA)纤维增强水泥基材料的弯曲性能与纤维在水泥基体内的分布和取向分布相关。采用抛光断面后涂荧光粉的显微成像法,基于图像处理程序对PVA纤维在水泥基材料中的分布和取向分布进行量化测定,对不同基体结构特征影响纤维分布的机理进行了讨论。结合弯曲试验结果,研究了纤维分布和取向分布对材料弯曲性能的影响。纤维分布测定结果表明,均匀的基体结构特征利于纤维的分布,同时对于材料组分和加工制作过程完全相同的试件,纤维分布系数越大,试件的弯曲强度与韧性越大;纤维取向分布测定结果表明,乱向分布的纤维当其长度方向与抛光断面方向的角度接近90°分布概率越大,试件的弯曲韧性也越大。     

在碳化硅基复合材料中碳纤维的就位强度

在对用断裂镜面法(fracture mirror method)评估纤维就位强度(in-situ strength)的方法进行了评述之后,对此方法进行了修正,即采用纤维束试验确定镜面常数, 将标距长度定义为两倍纤维拔出长度与两倍失效长度之和,采用分级平均统计分析方法确定纤维就位强度的Weibull参数和平均强度。采用修正的断裂镜面法,对聚合物先驱体转化法制备的M40JB纤维增强的碳化硅基复合材料中M40JB纤维的就位强度进行了分析,得到了M40JB纤维的Weibull参数和平均强度,并与未修正的断裂镜面法得到的结果进行了比较。      

界面对纤维增强陶瓷基复合材料拉伸性能的影响

建立了桥联纤维细观力学模型, 研究了界面对纤维增强陶瓷基复合材料拉伸模量及强度的影响。分别引入纤维应力均匀系数和界面脱粘率作为界面完全脱粘和局部脱粘条件下界面性能的表征参数。研究表明, 应力均匀系数及界面脱粘率越大, 材料模量越低, 而断裂时纤维所承担的应力越高。基于混合率给出了拉伸强度表达式, 同时也分析了基体裂纹分布、界面脱粘和纤维拔出对强度的影响。计算结果表明, 本文强度模型给出的预测值与试验值吻合较好。