作者单位
摘要
南京理工大学机械工程学院,江苏 南京 210094
熔融生长的Al2O3-ZrO2共晶陶瓷具有优异的高温性能。采用激光粉末床熔融(LPBF)直接制备Al2O3-ZrO2共晶陶瓷,研究了不同激光功率下的单道形貌特征及块体表面质量、物相组成、微观组织结构的演变规律和力学性能。结果表明,激光功率的提升将增加熔池的长度和单沉积道的宽度。Al2O3-ZrO2共晶陶瓷的表面粗糙度(Ra)和气孔率均随着激光功率的增加先降低后升高。在没有添加Y2O3等稳定剂的条件下,Al2O3-ZrO2共晶陶瓷的物相主要包括α-Al2O3、m-ZrO2和亚稳相t-ZrO2。随着激光功率的增加,m-ZrO2逐渐减少,这是由于LPBF的快速冷却过程抑制了马氏体相变。样件的晶粒尺寸随着激光功率的增加呈增大趋势,晶界密度减小,因此测量的显微硬度和断裂韧性呈现下降的趋势。当激光功率为60 W时,得到硬度为Hv=17.19 GPa和断裂韧性为KIC=6.67 MPa·m1/2的最优力学性能样品。
激光技术 激光粉末床熔融 Al2O3-ZrO2共晶陶瓷 熔池 晶粒尺寸 断裂韧性 
中国激光
2024, 51(10): 1002316
Author Affiliations
Abstract
1 Research Institute of Physics, Southern Federal University, Rostov-on-Don, 344090, Russia
2 Faculty of Physics, Southern Federal University, Rostov-on-Don, 344090, Russia
3 Southern Scientific Center of the Russian Academy of Sciences, Rostov-on-Don, 344006, Russia
The solid solutions of the (1-x)Na0.5Bi0.5TiO3-xNa0.5K0.5NbO3 system were produced by the conventional ceramic technology using mechanical activation of the synthesized product. It was found that in the (1-x)Na0.5Bi0.5TiO3-xNa0.5K0.5NbO3 system at room temperature, a number of morphotropic phase transitions occur: rhombohedral → cubic → tetragonal → monoclinic phases. The introduction of a small amount of Na0.5K0.5NbO3 leads to an increase in the temperature stability of the dielectric properties of ceramics. A change in the relaxor properties of the solid solutions of the (1-x)Na0.5Bi0.5TiO3-xNa0.5K0.5NbO3 system was shown. The increase in energy density and energy efficiency was found at additive 10mol.% of Na0.5K0.5NbO3.
Ceramics lead-free materials mechanical activation dielectric properties energy storage 
Journal of Advanced Dielectrics
2024, 14(1): 2350023
Author Affiliations
Abstract
1 School of Electronic and Information Engineering, Foshan University, Foshan 528000, P. R. China
2 School of Mechatronic Engineering and Automation, Foshan University, Foshan 528000, P. R. China
3 China-Australia Institute for Advanced Materials and Manufacturing, Jiaxing University, Jiaxing 314001, P. R. China
4 School of Materials Science and Hydrogen Energy, Foshan University, Foshan 528000, P. R. China
5 School of Physics and Optoelectronic Engineering, Foshan University, Foshan 528000, P. R. China
Ferroelectric ceramics have the potential to be widely applied in the modern industry and military power systems due to their ultrafast charging/discharging speed and high energy density. Considering the structural design and electrical properties of ferroelectric capacitor, it is still a challenge to find out the optimal energy storage of ferroelectric ceramics during the phase-transition process of amorphous/nanocrystalline and polycrystalline. In this work, a finite element model suitable for the multiphase ceramic system is constructed based on the phase field breakdown theory. The nonlinear coupling relationship of multiple physical fields between multiphase ceramics was taken into account in this model. The basic structures of multiphase ceramics are generated by using the Voronoi diagram construction method. The specified structure of multiphase ceramics in the phase-transition process of amorphous/nanocrystalline and polycrystalline was further obtained through the grain boundary diffusion equation. The simulation results show that the multiphase ceramics have an optimal energy storage in the process of amorphous polycrystalline transformation, and the energy storage density reaches the maximum when the crystallinity is 13.96% and the volume fraction of grain is 2.08%. It provides a research plan and idea for revealing the correlation between microstructure and breakdown characteristics of multiphase ceramics. This simulation model realizes the nonlinear coupling of the multiphase ceramic mesoscopic structure and the phase field breakdown. It provides a reference scheme for the structural design and performance optimization of ferroelectric ceramics.
Ferroelectric ceramics phase transition phase-field model dielectric breakdown energy storage 
Journal of Advanced Dielectrics
2024, 14(1): 2245001
宋艳洁 1,2朱铎 1,2薄勇 1,2,*彭钦军 1,2李江 3
作者单位
摘要
1 中国科学院理化技术研究所 固体激光重点实验室,北京 100190
2 中国科学院理化技术研究所 功能晶体与激光技术重点实验室,北京 100190
3 中国科学院上海硅酸盐研究所,上海 201899
高功率固体激光在先进制造、能源、信息、医疗及**等领域有广泛应用。激光陶瓷材料具有掺杂浓度均匀可控、抗激光热损伤能力强、易于制备大尺寸和复合结构等优点,被认为是高功率固体激光的重要增益材料。报道了本课题组近年来在高功率陶瓷板条激光方面的主要研究进展。采用中国科学院上海硅酸盐所制备的大尺寸Nd:YAG陶瓷板条,实现了平均功率4.35 kW的1064 nm脉冲激光输出,脉冲宽度为160 μs,重复频率为400 Hz。此外,采用中科院上海硅酸盐所制备的大尺寸Yb:YAG陶瓷板条,实现了平均功率9.8 kW的1030 nm脉冲激光输出,脉冲宽度为560 μs,重复频率为160 Hz,光光转换效率为60%。这些研究表明,激光陶瓷材料具备实现高功率、高光束质量与高效率激光的潜力。
激光 高功率 陶瓷 板条 YAG lasers high power ceramics slab YAG 
应用光学
2023, 44(6): 1195
作者单位
摘要
1 1.中国科学院 上海硅酸盐研究所, 上海 200050
2 2.上海理工大学 材料与化学学院, 上海 200093
SiO2-BaO基微晶玻璃以其膨胀系数高、耐高性能优异而成为耐高密封领域研究的热点, 但稀土氧化物对该类封接玻璃改性的影响研究尚不多见。本工作研究不同高阳离子场强(Cation field strength, CFS)的稀土氧化物取代传统碱土氧化物BaO对新型富稀土—SiO2-BaO-Ln2O3(SBLn, Ln=La、Sm、Er、Yb)系列玻璃的网络结构、结晶行为、微观结构和高温性能的影响。随着稀土阳离子场强由2.82(La3+)增大到3.98(Yb3+), SBLn玻璃的玻璃转变温度(Tg)、析晶起始温度(Tx)、析晶峰值温度(Tp)均逐渐增加, 说明高稀土阳离子场强有利于提高SBLn玻璃的热稳定性。四类富稀土SBLn玻璃的结晶相均由BaSiO3和BaSi2O5相组成, 随稀土阳离子场强增大, BaSiO3相减少、BaSi2O5相增多, 稀土元素只存在于玻璃相中, 不参与晶相析出。随着稀土阳离子场强增加, SBLn微晶玻璃的热膨胀系数(Coefficient of thermal expansion, CTE)由12.52×10-6/℃增大到13.13×10-6/℃(30~800 ℃), 但析晶量下降导致软化温度从1313.5 ℃降至1174.1 ℃。总之, 富稀微晶玻璃材料高热膨胀系数大于12×10-6/℃、软化温度均高于1150 ℃, 且在700 ℃高温下的直流电阻率大于106 Ω·cm, 说明富稀土微晶玻璃密封材料具有在固体氧化物燃料电池、氧传感器、铂薄膜热敏电阻器等高温场景下的应用前景。
耐高温密封材料 富稀土微晶玻璃 阳离子场强 高温电阻率 high-temperature resistant sealant rich rare-earth glass-ceramics cation field strength high temperature resistivity 
无机材料学报
2023, 38(10): 1207
康文烁 1,2郭晓杰 1,2邹凯 1,2赵祥永 3[ ... ]梁瑞虹 1,*
作者单位
摘要
1 1.中国科学院 上海硅酸盐研究所, 中国科学院无机功能材料与器件重点实验室, 上海 200050
2 2.中国科学院大学, 北京 100049
3 3.上海师范大学 光电子材料与器件重点实验室, 上海 200234
BiFeO3-BaTiO3(BF-BT)陶瓷兼具高居里温度和优异的压电性能, 在高温压电传感器和驱动器等部件具有广泛的应用前景。BF-BT陶瓷在高温环境下电阻率较低, 易造成器件高温性能恶化甚至失效。因此, 改善BF-BT陶瓷电阻性能是应用推广必须解决的关键问题。作为一种铁酸盐, 其电阻率很难通过掺杂改性等常规方法进行改善。本研究在BF-BT陶瓷体系中发现一种电阻率异常升高的现象, 并证实这与样品中的第二相Bi25FeO40有关。显微结构分析表明, 该第二相具有一种特殊的层状周期性结构, 其中每三排原子构成一个周期, 而缺陷大多集中在其中一层原子当中。本研究采用传统固相法成功地制备出纯相的Bi25FeO40, 将其作为外添加剂加入到0.70BF-0.30BT组分中, 使基体组分在300 ℃的电阻率从1.03 MΩ·cm提高到4.33 MΩ·cm。此外, COMSOL仿真模拟的结果证实, 通过引入该第二相可以将0.67BF-0.33BT组分电阻率提高一个数量级。根据能量过滤效应, 这种特殊的结构具有高能垒, 可以阻碍载流子迁移, 从而提高BF-BT陶瓷电阻率。本工作为改善BF-BT陶瓷电阻率提供了一种切实可行的方法。
电阻率 载流子迁移 BiFeO3-BaTiO3陶瓷 仿真模拟 resistivity carrier migration BiFeO3-BaTiO3 ceramics simulation confirm 
无机材料学报
2023, 38(12): 1420
作者单位
摘要
1 1.北京交通大学 机械与电子控制工程学院, 轨道车辆安全监测与健康管理研究中心, 北京 100044
2 2.北京建筑材料科学研究总院有限公司 固废资源化利用与节能建材国家重点实验室, 北京 100041
为拓展铁尾矿的资源化利用途径, 本研究分别以细颗粒高硅铁尾矿、铁尾矿+石墨粉以及铁尾矿+石墨粉+碳化硅粉为原料, 采用泡沫注凝成形-常压烧结、泡沫注凝成形-反应烧结和模压成形-反应烧结工艺制备了铁尾矿多孔陶瓷和三种以碳化硅为主晶相的多孔陶瓷。通过DSC-TG和XRD分析, 研究了铁尾矿自身的烧结过程以及铁尾矿与石墨之间的碳热还原反应烧结过程, 对比分析了四种多孔陶瓷材料的孔隙率、压缩强度、热导率等性能。结果表明, 以铁尾矿为原料可制备具有较高孔隙率(87.2%)、压缩强度(1.37 MPa)和低热导率(0.036 W/(m·K))的铁尾矿多孔陶瓷, 它是一种高效保温隔热材料; 利用铁尾矿与石墨之间的碳热还原反应可获得碳化硅多孔陶瓷, 其热导率显著提高, 但强度偏低; 而在原料中加入部分碳化硅, 可以明显改善多孔陶瓷的压缩强度, 获得具有高孔隙率(91.6%)、较高压缩强度(1.19 MPa)和热导率(0.31 W/(m·K))的碳化硅多孔陶瓷, 它可作为轻质导热材料或复合相变材料的载体使用; 与泡沫注凝成形工艺相比, 采用模压成形工艺制备的碳化硅多孔陶瓷虽然孔隙率有所降低(79.3%), 但热导率得到显著提升(1.15 W/(m·K)), 同时原料和生产成本大幅降低, 有利于实现产品的工业化生产。
铁尾矿 多孔陶瓷 碳化硅 反应烧结 泡沫注凝成形 iron tailing porous ceramics SiC reactive sintering foam gel-casting 
无机材料学报
2023, 38(10): 1193
李海燕 1,2旷峰华 2吴昊龙 1,2刘小根 1,2[ ... ]万德田 1,2,*
作者单位
摘要
1 1.中国国检测试控股集团股份有限公司, 北京 100024
2 2.绿色建材国家重点实验室, 中国建筑材料科学研究总院, 北京 100024
为研究以高膨胀系数的陶瓷为涂层, 低膨胀系数的陶瓷为基体的预应力陶瓷的高温力学性能, 本工作以氧化锆为涂层, 氧化铝为基体, 制得表层为拉应力的“三明治”结构ZrO2-Al2O3(简称ZcAs)预应力陶瓷。同时选用基体与涂层截面比值相近的Al2O3-ZrO2(简称AcZs)预应力陶瓷、纯ZrO2和纯Al2O3陶瓷为参照样。结合不同温度下的弯曲强度测试结果及维氏压痕结果, 阐明预应力的存在形式及其对裂纹扩展行为的影响, 并研究预应力的温度依赖性。结果表明: ZcAs预应力陶瓷的表层受拉应力, 基体受压应力; 而AcZs预应力陶瓷的表层受压应力, 基体受拉应力。由于拉应力能够促进裂纹扩展, 而压应力能够抑制裂纹扩展, 因此室温下, ZcAs的强度比纯Al2O3陶瓷降低13.2%, 而AcZs的强度比纯ZrO2陶瓷提高25.0%。此外, 无论表层是拉应力还是压应力, 都随着温度升高而降低, 这主要归因于高温导致的预应力松弛。
ZrO2-Al2O3预应力陶瓷 拉应力 弯曲强度 温度依赖性 ZrO2-Al2O3 pre-stressed ceramics tensile stress flexural strength temperature dependence 
无机材料学报
2023, 38(11): 1265
作者单位
摘要
1 1.中国科学院 上海硅酸盐研究所, 高性能陶瓷与超微结构国家重点实验室, 上海 200050
2 2.中国科学院大学 材料科学与光电技术学院, 北京 100049
高致密的大厚度SiC陶瓷在装甲防护领域具有显著优势, 但是制备厚度100 mm以上的块体SiC陶瓷具有极大的挑战性。针对大厚度SiC陶瓷烧结易开裂、不致密等问题, 本工作着重对大厚度SiC素坯的脱脂产物、压力-不完全脱脂分析等开展了研究。采用TG-MS分析了大厚度陶瓷脱脂过程中的酚醛树脂裂解残余, 其中甲醛等小分子裂解物易脱除, 而二甲基苯酚等高分子产物易滞留芯部, 导致大厚度陶瓷的烧结不致密。经脱脂优化, 素坯表层-芯部密度一致, 均在1.81~1.84 g/cm3范围。经2150 ℃烧结后, 得到不开裂、不变形的大厚度SiC陶瓷, 块体陶瓷表层与芯部的密度均达到3.14 g/cm3。大厚度陶瓷表层与芯部微观结构相似, 表层抗弯强度为(433±48) MPa、芯部抗弯强度达到(411±84) MPa。经分析认为, 大厚度陶瓷芯部不完全脱脂是导致开裂和不致密的主要原因。
大厚度 SiC陶瓷 脱脂分析 不完全脱脂 large thickness SiC ceramics degreasing effect analysis insufficient degreasing 
无机材料学报
2023, 38(10): 1163
作者单位
摘要
1 郑州大学材料科学与工程学院河南省高温功能材料重点实验室,郑州 10459
2 中钢集团洛阳耐火材料研究院有限公司先进耐火材料国家重点实验室,河南 洛阳 471039
3 中国中钢集团有限公司,北京 100080
4 昆明理工大学材料科学与工程学院,昆明 650000
新型高温热障涂层材料已成为新一代航空发动机发展的关键材料。本工作通过固相反应法合成了一种单斜结构的高熵稀土钽酸盐材料(Y0.2Gd0.2Dy0.2Ce0.2La0.2)TaO4[(5RE0.2)TaO4],研究了其热、力学性能及抗熔融硅酸盐环境沉积物(CMAS)侵蚀性能。结果表明:(5RE0.2)TaO4具有极低的热导率(1.22 W·m-1·K-1,600 ℃)和较高的热膨胀系数(10.3×10-6 K-1,1 200 ℃),与YSZ材料相比(2.1~2.7 W·m-1·K-1,100~900 ℃)热导率下降了近42%。由于独特的铁弹增韧效应,其断裂韧性达2.8 MPa·m1/2,优于多数新型热障涂层材料。1 350 ℃不同时间及CMAS侵蚀后,(5RE0.2)TaO4反应层厚度和渗透深度均显著小于YSZ材料,是一种极具应用潜力的新型热障涂层材料。
稀土钽酸盐 高熵陶瓷 熔融硅酸盐环境沉积物侵蚀 热障涂层 rare earth tantalate high entropy ceramics molten silicate environmental deposits corrosion r thermal barrier coating 
硅酸盐学报
2023, 51(12): 3133

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