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先进陶瓷前沿热点新动向


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高熵陶瓷:现状、挑战与展望

高熵陶瓷(HEC)是无机化合物的固溶体,其具有一个或多个维科夫位置,由等或接近等原子比的多个主元素共享。尽管在婴儿阶段,这个新的材料家族的出现为材料设计和性能剪裁带来了新的机会。与金属不同,陶瓷晶体结构和电子结构的多样性为通过能带结构工程和声子工程进行性能调控提供了巨大的空间。除了高熵合金已经发现的强化、硬化和低热导率外,还具有巨大的介电常数、超离子电导率、严重的各向异性热膨胀系数、强电磁波吸收等新特性,已经在HEC中被发现。针对这一新兴领域的快速发展,HuiminXIANG等对高熵陶瓷的结构特征、稳定性和性能预测的理论方法、制备方法、新性能以及应用前景等方面进行了综述。加工,表征和性能预测的挑战也被强调。最后,给出了新材料探索、新工艺、基本理解、深入表征和数据库评估的未来方向。
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有机硅聚合物陶瓷的研究进展

聚合物衍生陶瓷(PDCs)技术在先进陶瓷的制备中显示出巨大的优势。有机硅聚合物有利于成型过程,通过对有机硅聚合物进行改性或添加填料,可以制备出成分可控的不同硅基陶瓷。值得注意的是,硅酸盐陶瓷也可以由有机硅聚合物通过引入活性填料来制造,所述活性填料可以在热解期间与所产生的二氧化硅反应。有机硅聚合物基陶瓷材料具有许多独特的性能,引起了各个领域的广泛关注。ShengyangFU等综述了典型的有机硅聚合物及其制备硅基陶瓷的方法,重点介绍了三维(3D)打印成型技术在有机硅聚合物陶瓷制备中的应用,为制备复杂结构的硅基陶瓷提供了可能。重点介绍了近年来以有机硅聚合物为原料制备典型的非氧化物和硅酸盐陶瓷的研究进展及其在生物医学领域的应用。

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织构结构陶瓷的制备及其各向异性研究进展

陶瓷材料通常由随机取向的晶粒和晶间相组成,其性能是沿着各方向的统计平均值,表现出与均匀微观结构相对应的各向同性。在陶瓷制备过程中,人们采用了一些方法来实现晶粒的定向排列和择优生长,从而获得具有各向异性的织构陶瓷。织构显微结构给予陶瓷在特定方向上的特殊性能,可以有效地拓展其应用领域。在ZhuoZHANG等的综述中,典型的织构化技术适用于陶瓷材料,如热加工,磁取向,和模板晶粒生长(TGG)。介绍了几种典型的织构结构陶瓷,包括α-Al2O3及相关珍珠层仿生陶瓷、Si3N4SiAlONh-BNMB2基超高温陶瓷、MAX相及其各向异性性能。

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用于热障应用的高熵缺陷萤石结构稀土氧化物和钽酸盐

稀土钽酸盐和铌酸盐(RE3TaO7和RE3NbO7)由于其超低的热导率和比氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)更好的热稳定性而被认为是下一代燃气涡轮发动机中有希望的候选热障涂层(TBC)材料。然而,低的维氏硬度和韧性是RE3TaO7和RE3NbO7的主要缺点,限制了它们作为TBC材料的应用。为了提高材料的硬度,设计并合成了高熵(Y1/3Yb1/3Er1/3)3TaO7、(Y1/3Yb1/3Er1/3)3NbO7和(Sm1/6Eu1/6Y1/6Yb1/6Lu1/6Er1/6)3(Nb1/2Ta1/2)O7。这些高熵陶瓷具有较高的维氏硬度(10.9-12.0GPa)、接近于单主成分RE3TaO7和RE3NbO7的热膨胀系数(室温下为7.9×10-6~10.8×10-6℃-1)、良好的相稳定性以及与热生长Al2O3良好的化学相容性,有望作为热障涂层的候选材料。




羟基磷灰石生物陶瓷支架的增材制造:分散,数字光处理,烧结,机械性能和生物相容性

采用基于数字光处理(DLP)的增材制造技术制备羟基磷灰石(HA)生物陶瓷支架。讨论了HA生物陶瓷支架的分散、DLP制备、烧结、力学性能和生物相容性等关键技术。ChengweiFENG等首先研究了分散剂用量、固相含量和烧结温度对粉体性能的影响。最佳分散剂用量为2wt%,固相含量为50vol%,烧结温度为1250℃。研究了HA生物陶瓷支架的力学性能和生物相容性。DLP制备的多孔HA生物陶瓷支架具有优异的力学性能和降解性能。从这项研究中,DLP技术显示了良好的潜力,制造HA生物陶瓷支架。




 原位生成游离碳对聚合物SiC陶瓷电磁吸收性能的影响

为了提高聚合物基SiC陶瓷的介电性能,ZhaojuYU等采用烯丙基聚碳硅烷(AHPCS)与二乙烯基苯(DVB)反应制备富碳SiC,制备了一种新型的单源前驱体。1600℃退火后,SiC陶瓷的游离碳含量由6.62wt%提高到44.67wt%。在900-1600℃退火后,所制备的富碳SiC陶瓷发生了由非晶向晶化的相分离,超细SiC纳米晶和乱层碳网络分散在非晶SiC(O)基体中。通过增加自由碳的结构有序度和含量,可以显著提高富碳SiC陶瓷的介电性能和电磁波吸收性能。在1600℃时,掺石蜡陶瓷在15.2GHz处的最小反射系数(RCmin)为-56.8dB,厚度为1.51mm,有效带宽为4.43GHz,具有良好的电磁波吸收性能。富碳SiC陶瓷具有优异的化学稳定性、高温、抗氧化和耐腐蚀性,被认为是恶劣环境的电磁波吸收剂。

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YAG:Ce,Mn红色透明陶瓷在温白光LED中的应用

JunrongLING等采用固相反应-真空烧结法制备了YAG:Ce,Mn系列透明陶瓷。系统研究了不同Mn2+-Si4+掺杂量对薄膜结构、透过率和发光性能的影响。这些透明陶瓷的平均晶粒尺寸为10-16μm,晶界干净,在800nm处的透射率高达83.4%。在460nm激发下,在533、590和745nm处出现三个明显的发射峰,分别归属于Ce3+的5d→4f和Mn2+的4T1→6A1跃迁。因此,Mn2+-Si4+对可以通过补偿宽的橙红色和红色光谱分量来有效地调制发射光谱,以产生高质量的暖白色光。优化后的YAG:Ce,Mn透明陶瓷与蓝光LED芯片封装后,相关色温(CCT)低至3723K,发光效率(LE)高至96.54lm/W,有望应用于白色发光二极管(WLED)产业。





(Mg1/3Sb2/34+掺杂对Ce2Zr3(MoO49陶瓷结构和微波介电性能的影响

XuZHOU等采用传统固相法制备了Ce2[Zr1-x(Mg1/3Sb2/3)x]3(MoO4)9(0.02≤x≤0.10)陶瓷。在700~850℃的烧结温度范围内,X射线衍射分析表明,样品为单相,空间群为R3¯c。利用扫描电子显微镜(SEM)对样品的微观结构进行了观察。通过执行Rietveld细化方法,对这些样品的晶体结构细化进行了详细的研究。通过远红外反射光谱计算和探索的本征性质。利用Phillips-vanVechten-Levine(P-V-L)理论计算并分析了化学键参数与微波介电性能的关系。在725℃烧结6h,得到了介电性能优异的Ce2[Zr0.94(Mg1/3Sb2/3)0.06]3(MoO4)9陶瓷(εr=10.37,Q×f=71,748GHz,τf=-13.6ppm/℃,εr为介电常数,Q×f为品质因数,τf为谐振频率温度系数)。

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反应放电等离子烧结高熵硅化物

金属硅化物作为一大类材料,由于其优异的高温抗氧化性和导电导热性,在高温抗氧化涂层、集成电路电极薄膜等功能材料方面得到了广泛的研究。在这些硅化物中,最为人所知的可能是二硅化钼(MoSi2),它已被广泛用作空气中高达1800℃的电阻加热元件,并在工业规模上生产了数十年。通过合金化,MoSi2基复合材料成为很有前途的高温结构件。YuanQIN等采用反应放电等离子体烧结技术,在1300℃烧结15min,成功制备出具有密排六方结构的高熵硅化物((Ti0.2Zr0.2Nb0.2Mo0.2W0.2)Si2)。还测量了所获得的(Ti0.2Zr0.2Nb0.2Mo0.2W0.2)Si2的杨氏模量、泊松比和维氏硬度。





银纳米粒子分散BaTiO3复合薄膜光催化活性的增强:电荷转移的作用

表面等离子体共振(SPR)效应可以增强光吸收和光催化活性,但分散的贵金属纳米颗粒(NPs)与半导体基体之间的电荷转移(CT)机制一直被忽略。SuweiZHANG等通过X射线光电子能谱和光致发光谱,对Ag纳米粒子分散的BaTiO3(Ag/BTO)复合薄膜在紫外光下和可见光下Ag纳米粒子对BTO的捕获作用提供了直接而有力的证据。由于AgNPs到BTO的光吸收和有效的CT,Ag25/BTO薄膜在可见光照射下而不是在UV-Vis光照射下表现出最佳的光催化活性。该工作提供了一个有益的见解,设计高效的等离子体光催化剂,通过考虑金属和半导体之间的CT增强光催化活性的协同作用。





新型Al2O3基聚空心微球(PHM)陶瓷的相演变与性能

Jia-MinWU等以Si3N4和Al2O3为造孔剂制备了新型Al2O3基聚合物空心微球(PHM)陶瓷。研究了Si3N4和Al2O3两种不同含量的PHM对Al2O3基PHM陶瓷性能的影响。通过调整Al2O3基PHM的含量,获得了性能增强的Al2O3基PHM陶瓷。X射线衍射(XRD)结果表明,随着Al2O3含量从10%增加到100%,Al2O3基PHM陶瓷的主相由β-SiAlON(z值从2.9增加到4)向Al2O3转变。不同的相组成导致Al2O3基PHM陶瓷的性能不同。随着Al2O3含量的增加,多孔氧化铝基PHM陶瓷的气孔率逐渐减小,收缩率、弯曲强度和断裂韧性先减小后增大。以不同种类的陶瓷PHMs为造孔剂,通过优化PHMs的配比,可以制备出各种新型、高性能的多孔陶瓷。

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用于热障涂层材料的低热导率高熵热解物

FeiLI等采用传统的固相反应法成功制备了稀土锆酸盐高熵辉石型结构。使用六种稀土氧化物(La2O3、Nd2O3、Sm2O3、Eu2O3、Gd2O3和Y2O3)和ZrO2作为原料粉末。将等摩尔比的六种稀土氧化物中的五种与ZrO2混合,在不同温度下烧结,研究反应过程。结果表明,在1000℃加热后,形成了高熵的高温超导体(5RE1/5)2Zr2O7。(5RE1/5)2Zr2O7具有高的抗烧结性和优异的热稳定性。在300-1200℃温度范围内,(5RE1/5)2Zr2O7高熵陶瓷的热导率均小于1W·m-1·K-1。(5RE1/5)2Zr2O7是一种很有潜力的热障涂层材料。





高坚韧7YSZ片晶的热喷涂外延生长与开裂

热喷涂涂层本质上是层状材料,含有大量的层状孔隙。因此,有必要对影响涂层性能的层状孔隙的形成机理进行研究。LinCHEN等在研究中阐述了层状孔的形成机制,氧化钇稳定的氧化锆(ZrO2-7重量%的Y2O3,7YSZ)的飞溅,具有高的断裂韧性和四方相稳定性。有趣的是,异常的外延生长发生在所有的沉积温度,尽管非常高的冷却速率,这清楚地表明化学键合和完整的接触在溅射冷却前的溅射/基板界面。然而,尽管7YSZ的断裂韧性高,但在所有沉积温度下都发生了横向开裂,这表明片层孔是由于在急冷过程中的大应力引起的横向开裂/开裂。此外,进行断裂力学分析,它被发现,应力产生的约束效应的收缩的飞溅由局部加热基板的值约为1.97GPa。这清楚地表明,应力确实足够大,以在片状冷却期间驱动横向开裂/剥落形成层状孔。所有这些都有助于理解层状结合的基本特征,并进一步定制涂层的结构和性能。

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热障涂层局部剥落损伤的综合评价

热障涂层(TBC)由于其对基底金属部件的热障作用而使热截面部件能够在高温下工作。然而,在长时间的热暴露或热循环后,陶瓷顶涂层中可能发生局部溅射。为了全面了解面漆对整体热段零件的损伤情况,Wei-WeiZHANG等研究了喷涂层直径和倾斜角度对基体和面漆温度分布的影响。结果表明,涂层直径和倾斜角度对涂层和基体的温度分布都有显著影响。在衬底的情况下,最大温度增量位于空间中心。同时,表面(深度)最大温升随孔径的增大而增大,与倾角无关。而在表面涂层的情况下,最大温度增量出现在喷涂区域的尖角处,且表面(深度)最大温度增量随喷涂直径和倾角的增大而增大。基于局部剥落对涂层和基体温度分布的影响,可以评价剥落区对热障涂层热性能的损伤效应。





锂离子电池钛基纳米复合负极材料的研究进展

高能量密度负极材料的研究是下一代锂离子电池电化学储能装置广泛应用的关键。钛基化合物作为负极材料具有优异的高倍率容量和循环稳定性,且安全性优于石墨。然而,钛基材料仍然存在容量低的问题,这在很大程度上限制了其商业化应用。ShitongWANG等概述了钛基阳极材料在LIBs的最新发展,并特别强调的是通过合理设计的混合纳米复合材料与转换/合金型阳极的容量提高。这一综述有望为设计新型钛基储能和转换材料提供指导。


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二维碳化物MXene的二氧化碳吸附

BingxinWANG等在氟化钠(NaF)和盐酸(HCl)溶液中剥离MAX相(Ti3AlC2和V2AlC)粉末制备二维碳化物MXex(Ti3C2Tx和V2CTx)。所制备的Ti3C2Tx的比表面积(SSA)为21m2/g,并且V2CTx的比表面积(SSA)为9m2/g。在用二甲亚砜插层之后,Ti3C2Tx的SSA增加到66m2/g;V2CTx的SSA增加到19m2/g。在室温(298K)0-4MPa下考察了它们对CO2的吸附性能。插层Ti3C2Tx的吸附容量为5.79mmol/g,接近许多常见吸附剂的容量。当SSA为496m2/g时,Ti3C2Tx的理论容量达到44.2mmol/g。此外,由于高填充密度,MXene具有非常高的体积吸收能力。本文测得插层Ti3C2Tx的比容量为502V·v-1。该值已经高于大多数已知吸附剂的体积容量。这些结果表明,MXene具有作为新型CO2捕集材料的一些优势。





A2B2O7系透明陶瓷的研究进展

A2B2O7系统化合物通常呈现三相结构,其结构特征主要取决于rA和rB的离子半径比(rA/rB),在热障涂层、发光粉末、快离子导体、光催化剂和高活性放射性核素固定基质等领域具有潜在的应用价值。自2005年以来,La2Hf2O7被制备成透明陶瓷,而A2B2O7透明陶瓷的新应用引起了人们的广泛关注。ZhengjuanWANG等综述了A2B2O7系透明陶瓷的研究进展。综述了A2B2O7透明陶瓷的结构特征、粉体合成方法和烧结工艺。然后系统地介绍了目前报道较多的A2Hf2O7、A2Zr2O7、A2Ti2O7系透明陶瓷。讨论了发光材料的潜在应用领域和未来发展趋势,重点介绍了发光材料、光学元件和其他发光材料。
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SiC基材料(整体SiC和SiCf/SiC复合材料)连接的最新进展:连接工艺、连接强度和界面行为

碳化硅(SiC)材料具有密度低、抗热震性好、耐高温氧化、耐辐射等优异的综合力学性能和物理性能,已被广泛应用于航天、航空、军工、核电等领域。SiC基材料(整体SiC和SiCf/SiC复合材料)的连接可以在一定程度上解决因其固有脆性大、冲击韧性低而导致的加工性能差、大型复杂形状构件难以制造的问题。GuiwuLIU等从SiC基材料、陶瓷连接和接头强度表征等方面介绍了SiC基材料的连接方法,并将其分为无中间层、金属中间层、玻璃陶瓷中间层和有机中间层4类。特别是,连接过程(涉及连接技术和参数条件),接头强度,界面微观结构,和/或反应产物突出的界面行为的理解和支持面向应用的连接技术的发展。

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声      明:文章内容来源于李龙土教授主编的《先进陶瓷(英文)》仅作分享,不代表本号立场,如有侵权,请联系小编删除,谢谢!