二氧化硅气凝胶以其低密度、高孔隙率等特性在高温隔热领域显示出广阔的应用前景, 但其脆性和高成本的超临界干燥方式限制了其应用。本研究以乙烯基三甲氧基硅烷(VTMS)和乙烯基甲基二甲氧基硅烷(VMDMS)为前驱体, 通过溶胶凝胶、常压干燥制备了具有高柔性的海绵状有机硅气凝胶, 并研究了前驱体摩尔比对气凝胶微观结构和压缩回弹性能的影响, 以及气凝胶分别在高温有氧和无氧环境中的无机化转变过程。结果表明, 随着前驱体中VTMS/VMDMS比例增加, 气凝胶颗粒变小且堆积更紧密, 其压缩回弹性能也随之降低; 在800 ℃空气氛围中, 气凝胶通过侧基的氧化和主链Si-O-Si的断裂、重排转化为无机SiO2; 在800 ℃ N2氛围中, 气凝胶通过裂解反应转化为无机SiO2和游离碳的混合体, 1000~1400 ℃进一步处理后SiO2和游离碳经碳热还原反应生成SiO4、SiCO3、SiC2O2和SiC3O等无定形的Si-O-C结构和少量β-SiC纳米线; 经1200 ℃碳热还原反应生成的Si-O-C结构具有最优的耐高温氧化性能, 可为制备耐高温氧化Si-O-C气凝胶提供参考。
有机硅气凝胶 柔性 隔热 高温氧化 高温裂解 silicone aerogel flexibility heat insulation high-temperature oxidation pyrolysis
1 北京科技大学材料科学与工程学院，北京 100083
2 葫芦岛市华能工业陶瓷有限公司，辽宁 葫芦岛 125000
3 北京奥利通联科技有限公司，北京 100081
以SiC、硅粉、SiO2等为原料，通过反应烧结制备Si3N4-SiC陶瓷样品，并进行高温氧化，研究了高温氧化前后的结构与力学性能。结果表明：高温氧化前后样品中均存在SiC、α-Si3N4/β-Si3N4主晶相和少量单质Si、Si2N2O、方石英三斜SiO2，高温氧化后单质Si相消失，方石英四方SiO2出现。高温氧化前后β-Si3N4质量分数维持不变，而α-Si3N4质量分数由11.3%下降至6.8%，并伴随Si2N2O和SiO2质量分数的提升，表明α-Si3N4较β-Si3N4更容易氧化分解为Si2N2O和SiO2。高温氧化导致平均抗折强度由(68.55±6.36) MPa下降至(49.80±4.96) MPa，主要与氧化导致α-Si3N4质量分数下降有关。
氮化硅 碳化硅 高温氧化 抗折强度 silicon nitride silicon carbide high-temperature oxidation flexural strength
1 中国科学院兰州化学物理研究所，固体润滑国家重点实验室，兰州 730000
2 中国科学院大学材料科学与光电技术学院，北京 100049
为探究高熵碳化物陶瓷作为耐磨部件在摩擦学领域中的应用前景，以金属碳化物为原料，通过高能球磨和两步热压烧结法制备了一种元素分布均匀、无偏聚和偏析的高熵(TiVTaMoW)C陶瓷。研究了(TiVTaMoW)C与Al2O3、SiC和Si3N4 3种配副材料在室温及800 ℃条件下的摩擦磨损特性。结果表明：室温条件下，(TiVTaMoW)C与3种配副对摩均表现出优异的摩擦学性能，尤其与SiC对摩具有最低的摩擦系数和磨损率，分别可低至(0.38±0.01)和(1.52±0.36)×10-7 mm3/(N·m)。800 ℃条件下，(TiVTaMoW)C表面氧化严重，磨损明显加剧，磨损率上升至10-4 mm3/(N·m)数量级。高温氧化生成的MoO3和V2O5具有较低剪切强度，摩擦过程转移至配副球接触面上形成转移膜，有效保护了配副材料的磨损。综合比较，SiC作为配副在室温和800 ℃条件下均表现出更优异的摩擦相容性。
高熵 碳化物 摩擦磨损 高温氧化 high entropy carbide friction and wear high temperature oxidation
1 中核建中核燃料元件有限公司 宜宾 644000
2 南华大学 机械工程学院 衡阳 421001
2011年的福岛核事故暴露出锆合金包壳抗高温氧化性能的不足。为此，国际核燃料领域提出了耐事故燃料这一概念。Cr涂层锆合金包壳作为耐事故燃料包壳近期可商用的技术途径得到了广泛关注。本文旨在研究Cr涂层Zr-4合金在不同温度下的高温氧化行为，采用多弧离子镀技术制备Cr涂层Zr-4合金样品，并在800?1 200 ℃空气气氛中氧化4 h，采用扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）、能量色散谱仪（Energy Dispersive Spectrometer，EDS）、电子背散射衍射（Electron Backscatter Diffraction，EBSD）和掠射角X射线衍射仪（X-ray diffractometer，XRD）表征Cr涂层Zr-4合金样品在高温氧化前后的微观结构、物相等。氧化温度对Cr涂层Zr-4合金的微观组织结构、物相、Cr-Zr扩散层厚度以及氧化增重的影响分析结果显示：多弧离子镀制备的Cr涂层Zr-4合金样品表面存在大量尺寸不等的滴液，Cr涂层呈柱状晶形态生长，且沿着（110）晶面择优生长。在800?1 100 ℃高温氧化4 h后，样品表面出现不同程度的氧化，但涂层内部依然残留有未被氧化的Cr涂层，样品表面和截面没有出现微观裂纹，Cr-Zr扩散层的厚度随着氧化温度的增加呈线性规律增长，氧化增重增加缓慢。而1 200 ℃高温氧化4 h后，样品表面Cr涂层全部被氧化，表面和截面出现大量宏观裂纹，且Cr-Zr扩散层的厚度和氧化增重急剧增大。因此，采用多弧离子镀制备的Cr涂层Zr-4合金在800?1 100 ℃下表现出良好的抗高温性能，而在1 200 ℃发生了加速氧化现象。
Cr涂层Zr-4合金 多弧离子镀 高温氧化 Cr-Zr扩散 氧化增重 Cr-coated Zr-4 alloy Multi-arc ion plating High temperature oxidation Cr-Zr diffusion Oxidation weight gain
西南交通大学材料科学与工程学院，四川 成都 610031
钛合金在高温环境中表面会发生严重氧化，影响后续的加工与使用，采用激光清洗技术去除氧化层，通过高速摄像设备分析氧化层的去除机理，研究激光清洗、机械打磨以及酸洗工艺对试样表面宏观形貌、微观形貌、化学成分、平整性以及显微硬度的影响。结果表明，氧化层的激光去除机理以烧蚀作用为主，通过选择合适的工艺参数清洗后，试样表面氧化物基本除尽，呈现出银白色金属光泽，相比于原始试样，激光清洗试样表面的氧含量大幅降低，平整性优于机械打磨试样与酸洗试样。此外，受到激光清洗过程中热作用的影响，激光清洗试样表面的显微硬度要显著高于机械打磨试样与酸洗试样。
激光光学 激光清洗 钛合金 高温氧化 清洗机理 清洗方法对比 激光与光电子学进展
2021, 58(21): 2114012
1 天津工业大学物理科学与技术学院, 天津 300387
2 暨南大学先进耐磨蚀及功能材料研究院, 广东 广州 510632
3 北京工业大学激光工程研究院, 北京 100124
为了提高Al2O3/CoNiCrAlY涂层的抗高温氧化能力,采用激光熔覆的方法在K438合金的表面制备Al2O3/CoNiCrAlY涂层,并研究不同的能量密度对其微观结构及材料的高温氧化行为的影响。实验结果表明:在由α-Co、γ-Ni/Cr、Al2O3、Ni3Al以及Ni2Cr3组成的Al2O3/CoNiCrAlY涂层中,Al2O3的加入可以有效细化涂层的显微结构,且涂层经过1100 ℃高温氧化后晶界处形成AlN,涂层表面形成的氧化膜分为内层α-Al2O3氧化物和外层Cr2O3与(Co,Ni)(Al,Cr)2O4的混合氧化物。不同的能量密度下,涂层的高温氧化动力学曲线均符合抛物线规律,当能量密度为64.97 J/mm 3时,涂层的抗高温氧化性能最好。
激光光学 激光熔覆 CoNiCrAlY 高温氧化 α-Al2O3; 能量密度 激光与光电子学进展
2020, 57(17): 171408
1 吉林大学 电子科学与工程学院, 集成光电子学国家重点联合实验室, 吉林 长春 130012
2 宽禁带半导体电力电子器件国家重点实验室, 南京电子器件研究所, 江苏 南京 210016
为获得高质量的β-Ga2O3薄膜, 将c面蓝宝石上生长的GaN薄膜进行高温氧化制成了Ga2O3/GaN/蓝宝石模板, 进而在模板上利用金属有机化学气相沉积(MOCVD)工艺进行了β-Ga2O3薄膜的同质外延。通过X射线衍射仪、原子力显微镜、场发射扫描电子显微镜等方法对样品的晶体结构、表面形貌等性质进行测试与分析。结果表明, 该方法获得的β-Ga2O3薄膜晶体质量受GaN薄膜氧化效果与MOCVD工艺条件等因素影响较大。通过优化实验条件, 得到了质量较高的β-Ga2O3薄膜。与蓝宝石上或GaN薄膜上异质外延得到的β-Ga2O3薄膜相比, 薄膜的晶体质量明显提高。通过对比不同样品的晶体质量、表面形貌和制备过程, 发现该方法成功地将β-Ga2O3薄膜在蓝宝石衬底或GaN/蓝宝石模板上异质外延转化为了Ga2O3/GaN/蓝宝石模板上的同质外延, 有效地减小了β-Ga2O3薄膜和蓝宝石、GaN之间较大的晶格失配和热失配, 有利于提高β-Ga2O3薄膜的晶体质量。
氧化镓 高温氧化 金属有机化学气相沉积 gallium oxide high temperature oxidation metal-organic chemical vapor deposition
1 中车青岛四方机车车辆股份有限公司, 山东 青岛 266111
2 西南交通大学材料科学与工程学院, 四川 成都 610031
利用激光熔覆的方式将Lc-Sr-31(Fe基)合金粉末堆积在高速列车制动盘铸钢材料表面,以获得具有抗高温氧化性能的Fe基合金熔覆层。采用光学显微镜、扫描电子显微镜、能谱分析仪、X射线衍射仪等研究了熔覆层在650 ℃高温下经历不同氧化时间后的氧化膜组织及物相组成,进而得出该涂层体系抗高温氧化腐蚀的机理。结果显示:所制备的Fe基熔覆层与基体材料呈冶金结合状态,且无裂纹、气孔等缺陷;在650 ℃下连续静置100 h后,熔覆层表面形成了致密的Cr2O3和SiO2氧化膜,氧化增重现象不明显;当高温氧化时间延长至200 h后,熔覆层表面出现了较多不连续的FeCr2O4尖晶石氧化物,为基体材料提供持续的抗氧化能力。
激光技术 激光熔覆 Fe基合金 高温氧化 中国激光
2019, 46(12): 1202003
1 吉林大学电子科学与工程学院 集成光电子学国家重点联合实验室， 吉林 长春 130012
2 河北半导体研究所 专用集成电路国家重点实验室， 河北 石家庄 050051
为获得高质量的β-Ga2O3薄膜，对传统的GaN薄膜高温氧化方法进行了优化。我们通过对GaN薄膜分别进行一步或两步高温氧化的方法制备了β-Ga2O3薄膜，并通过X射线衍射、场发射扫描电子显微镜、拉曼光谱等对制备的样品进行了测试、对比与分析。结果表明，950 ℃下GaN薄膜无法完全氧化，而直接1 150 ℃氧化得到的样品并没有明显的晶向。相比之下，通过两步氧化法，GaN薄膜被完全氧化，且得到的β-Ga2O3薄膜具有明显的沿<201>方向的晶向，样品表面显示出明显的纳米线结构。最佳的氧化时间为在950 ℃下氧化3 h之后在1 150 ℃下氧化1 h，此时得到样品的纳米线结构最明显，其纳米线的直径约为30~40 nm。拉曼光谱测试证实了该条件下获得的样品具有较高的晶体质量。通过分析不同样品结构以及形貌特性，我们发现不同温度下的不同氧化模式是导致该结果的主要原因。
氧化镓 宽禁带半导体 高温氧化工艺 gallium oxide wide bandgap simiconductors high temperature oxidation
西北核技术研究所 激光与物质相互作用国家重点实验室, 西安710024
本文研究了强激光辐照下漫反射金膜在近红外波段的反射特性, 建立了漫反射金膜表面反射率在线测试系统, 得到了不同激光参数辐照下膜层表面反射率变化曲线。检测了金膜表面氧化产物的主要成分, 给出了氧化产物的生成机理。根据氧化理论和单层膜反射理论建立了金膜表面反射率变化计算模型, 并基于该模型分析了膜层氧化对激光辐照温升的影响。结果表明: 强激光辐照下漫反射金膜表面生成了一层光学薄膜, 组分为NiO, 生成速率满足对数定律; NiO薄膜对入射激光的吸收是金膜表面反射率下降的主要原因, 而且辐照光强越强膜层氧化越快。
激光 漫反射金膜 高温氧化 扩散 laser diffusing gold film high temperature oxidation NiO film NiO film diffusion
