《无机材料学报》2024年10月电子期刊

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航机CMC热端部件用热喷涂涂层的机遇与挑战

陶顺衍, 杨加胜, 邵芳, 吴应辰, 赵华玉, 董绍明, 张翔宇, 熊瑛

随着航空发动机涡轮前燃气入口温度的不断攀升, 陶瓷基复合材料(Ceramic Matrix Composite, CMC)以其轻质、高强、抗氧化、对裂纹不敏感、耐温性能优异等特点, 成为新一代航空发动机高温部件的首选基体材料。但CMC存在抗高温水氧侵蚀性能不足等问题, 发动机CMC热端部件用热喷涂涂层成为亟待解决的技术瓶颈。本文结合国外航空发动机热端部件选材方案的更迭及工程应用实例, 分析了发动机热端部件采用高温合金+气膜冷却+热障涂层方案的技术局限性, 明确了CMC+适量气膜冷却+环境障碍涂层方案的技术优势; 综述了CMC用热与环境障碍涂层(Thermal and Environmental Barrier Coatings, TEBCs)和环境障碍可磨耗封严涂层(Environmental Barrier Coatings-Abradable Sealing Coatings, EBCs-ASCs)的研究进展、应用情况以及近些年国内外学者的研究成果; 辨析了面向更高温燃气来流时热喷涂环境障碍涂层面临的机遇与挑战, 为后续TEBCs的组分和结构设计以及制备明确了方向, 并对今后研究工作的重点进行了展望。

基于硅酸铝纤维的柔性氧敏感元件的制备和性能

赵雅文, 屈发进, 汪岩屹, 王智文, 陈初升

柔性传感器可以适应各种复杂环境和曲面形状, 在生物医学、环境监测和智能可穿戴设备等领域具有广泛的应用前景。本研究旨在研发高稳定性的荧光淬灭型柔性氧敏感元件。采用硅酸铝纤维作为载体, 聚二甲基硅氧烷(Polydimethysiloxane, PDMS)作为基质, 四(五氟苯基)卟啉铂(Platinum(II)-5,10,15,20-tetrakis-(2,3,4,5,6-penta- fluorophenyl)-porphyrin, PtTFPP)荧光分子作为氧探针, 制备了柔性氧敏感元件。该元件的水接触角高达152°, 显示出超疏水性, 这有助于提升其在潮湿气氛和水溶液中的稳定性。元件对气相氧和溶解氧均表现出荧光淬灭效应, 荧光强度与氧含量之间的关系符合Stern-Volmer方程, 其气相Stern-Volmer常数KSV为0.020 h·Pa-1, 水相Stern-Volmer常数KSV为2.94 L·mmol-1。该氧敏感元件具有出色的循环可恢复性和响应性能: 从氮气切换至氧气的响应时间为0.9 s, 从氧气切换至氮气为2.7 s。此外, PtTFPP-PDMS膜具有出色的稳定性, 暴露于100 ℃水蒸气15 h、在pH 1~10的水溶液中浸泡和经历400次的弯曲循环后, 其相对荧光强度和水接触角均无明显变化。以硅酸铝纤维为载体的 PtTFPP-PDMS柔性元件具有优异的荧光氧敏感性和稳定性, 有望用于苛刻条件下气相氧和溶解氧的测定。

高于居里温度极化的硬性PZT压电陶瓷的制备及叠层驱动器性能研究

江强, 施立志, 陈政燃, 周志勇, 梁瑞虹

压电叠层驱动器具有低驱动电压、大位移的特点, 被广泛应用于诸多领域。作为目前压电叠层驱动器中最常使用的材料, 软性锆钛酸铅(PZT)陶瓷较大的介电常数和损耗往往会导致较高的功耗和发热量, 进而影响驱动器的疲劳特性和稳定性。为了制备出低发热量、适用于压电叠层驱动器的压电陶瓷, 本工作选取Mn掺杂(摩尔分数)的Pb(Sb1/2Nb1/2)0.02Zr0.51Ti0.47O3-0.6%MnCO3(PSN-PZT)硬性压电陶瓷作为基体材料, 通过掺入一定含量的Li2CO3烧结助剂来降低陶瓷的烧结温度, 并采用高于居里温度极化工艺进一步提升陶瓷的电学性能。最后采用该材料, 利用流延工艺制备出压电叠层驱动器, 并与相同工艺制备的Pb(Mg1/3Nb2/3)0.25(Ti0.48Zr0.52)0.75O3(PMN-PZT)驱动器进行比较。结果显示,Li2CO3通过引入液相烧结的方式将PSN-PZT陶瓷烧结温度降低至1050 ℃。当Li2CO3含量为0.1%(质量分数)时, 高于居里温度极化的PSN-PZT陶瓷电学性能最优, 其压电系数(d33)和2 kV/mm电场下的单极应变分别为388 pC/N和0.13%。在200 Hz下, PSN-PZT驱动器温升比PMN-PZT驱动器低大约20 ℃, 且经过5×106次循环后应变仅降低6%。这表明Li2CO3低温烧结的PSN-PZT陶瓷不仅具备不错的压电性能, 而且在发热和疲劳特性方面有较大优势, 在大功率、高频等苛刻工况中有潜在的应用前景。

CuO掺杂(Ba,Ca)(Ti,Sn)O₃陶瓷的结构与压电性能

彭萍, 谭礼涛

(Ba,Ca)(Ti,Sn)O3 (BCTS)压电陶瓷具有优异的压电性能, 在压电传感器、换能器领域表现出巨大的应用潜力。其烧结温度非常高(通常在1450 ℃以上), 导致其在实际应用中受到限制。为了降低烧结温度, 本研究以(Ba0.95Ca0.05)(Ti0.90Sn0.10)O3为基体, 选择CuO作为烧结助剂, 通过传统固相烧结法制备BCTS-xCuO压电陶瓷, 系统研究CuO含量对BCTS陶瓷的烧结温度、结构及介电、压电性能的影响规律。研究发现, 加入CuO后, 陶瓷主相为钙钛矿结构, 存在少量杂相, 可能是Ba2TiO4和Ba2Cu3O5.9。CuO掺杂能有效将陶瓷的烧结温度从1480 ℃降低至1360 ℃, 提高压电陶瓷的相对致密度, 增大陶瓷的平均晶粒尺寸。当x=0.03时, 陶瓷获得最高相对致密度(98.7%)和最大平均晶粒尺寸(22.5 μm), 同时获得最优异的电学性能: 压电系数d33=573 pC/N, 机电耦合系数kp=36%, 相对介电常数εr=9467, 介电损耗tanδ=0.021。与其他低温烧结的BaTiO3基陶瓷相比, x=0.03陶瓷组分在低烧结温度下具有更高的d33, 表现出优异的综合性能。本研究结果表明, CuO掺杂可有效降低BCTS陶瓷的烧结温度, 提高压电性能, 为其在压电器件领域的应用提供指导。

BaSrGa₄O₈: Tb³⁺力致发光材料的制备及性能

史瑞, 刘伟, 李林, 李欢, 张志军, 饶光辉, 赵景泰

力致发光材料独特的机械能-光能转换方式使其在应力传感领域具有广泛的应用前景, 并有望成为新一代可视化应变传感材料。目前拓展力致发光材料体系和提高其性能仍然是研究的重点。本研究采用BaSrGa4O8基质(六方晶系, 空间群为P63, 具有非中心对称结构), 通过高温固相反应法合成了系列Tb3+掺杂绿色力致发光荧光粉。材料在不同的力学激励(拉伸、压缩、扭曲)下都可以发出明亮的绿光。用玻璃棒在制备的力致发光弹性体上分别书写B、S、G、O、T、b, 观察到清晰的笔记映射, 通过分析力致发光图像的颜色映射值, 可追溯材料在书写过程中的受力情况, 这是首次在上述基质掺杂体系中观测到的力致发光现象。在254 nm紫外光激发下, BaSr1-xGa4O8: xTb3+荧光粉亦呈现发射波长为543 nm的明亮绿光, 这归因于Tb3+的5D4-7F5跃迁, 具有和力致发光同样的发光中心, 去除紫外照射后样品仍显示出强烈的余辉发光。通过力致发光、光致发光、长余辉发光结合热释光分析, 进一步阐明了三者之间的内在联系。本研究拓宽了高性能力致发光材料体系的范围, 其在可视化应力传感、信息安全防伪等领域展现出潜在的应用前景。

新型磁电催化纳米粒子的活性氮释放与抗菌性能研究

张志民, 葛敏, 林翰, 施剑林

相比于功能单一且易催生细菌耐药性的抗生素等药物, 具有催化活性的无机纳米功能材料凭借自身对感染微环境(弱酸、高H2O2含量)或外部物理刺激(激光、超声)的高响应性和广谱杀菌等优势, 在致病菌感染的治疗中占据愈发重要的地位。然而, 感染微环境酸性微弱且不稳定, 光、声信号功率密度过高会对人体细胞造成伤害, 而诸如交变磁场等非侵入性、高组织穿透性和易于远程控制的信号类型及其介导的磁电催化在抗菌中的应用尚未见报道。本研究将基于磁致伸缩-压电催化效应的交变磁场响应性纳米催化策略应用于抗菌, 并使用含氮基团L-精氨酸(LA)修饰CoFe2O4-BiFeO3磁电纳米颗粒(BCFO)表面, 以实现磁电响应可控释放强杀菌物种活性氮(RNS)。在交变磁场中, BCFO同时产生羟基自由基(·OH)和超氧阴离子(·O2-)两种活性氧(ROS), 前者与LA反应产生一氧化氮(NO), 后者与NO反应生成RNS物种过氧亚硝酸根(ONOO-)。作为高活性的硝化和氧化剂, ONOO-可在生物友好的交变磁场下展现出比ROS更强的抗菌能力。本研究证实BCFO能产生ONOO-, 并发挥更强的杀菌功效。这一研究不仅将磁电纳米催化医学策略用于抗菌, 还通过ROS向RNS转变显著提升了材料的抗菌性能。

基于声动力和类酶活性的铌基涂层: 抗菌及促进细胞增殖与分化

张淑敏, 奚晓雯, 孙磊, 孙平, 王德强, 魏杰

目前感染性骨缺损修复仍然是临床难题。本研究采用微弧氧化结合水热合成方法在纯铌表面原位构建氧化铌/硫化铁异质结涂层MN@FS。结果表明,该异质结不仅具有类酶活性, 而且在超声作用下具有声动力性能。在模拟细菌感染的酸性条件下, 超声可触发异质结声动力, 并增强类氧化酶活性, 产生多种活性氧以协同抗菌/清除细菌生物膜, 其抑菌率和清除率分别为98.57%和91.43%。在模拟生理条件下, 超声可触发异质结, 增强其类抗氧化酶活性, 清除活性氧, 缓解氧化应激, 促进骨髓间充质干细胞(rBMSCs)的增殖与成骨分化。综上, 该涂层材料在感染性骨修复方面具有广阔的应用前景。

基于活性污泥焚灰的类Fenton催化剂的制备及其对亚甲基蓝的降解性能

蔡梦宇, 李杨虹淼, 杨彩云, 周雨婷, 吴昊

载铁沸石因其来源广泛、制备简便及环境毒性低等特点, 被广泛用于催化类Fenton反应产生·OH, 以高效处理有机污染物。然而, 传统载铁沸石的制备成本高且Fe2+再生困难, 限制了其在催化类Fenton反应中的工业化应用。基于此, 本研究以污水处理厂活性污泥焚烧处理后的灰分为原料, 选择性回收其中的硅、铝和铁等元素。制备的Fe2+-方钠石(FSD)可用于类Fenton反应活化过氧乙酸(PAA), 以高效降解水溶液中的亚甲基蓝(MB)。结果表明:FSD可在较宽的pH范围内催化PAA生成·OH、1O2和R-O·等多种活性氧物种, 进而通过羟基化或亚砜化途径催化降解MB。以0.5 mol/L Fe2+制备的FSD用量为0.3 g/L, PAA浓度为0.3 mmol/L时, FSD/PAA体系可在20 min内完全降解40 mg/L MB。此外, FSD中的还原性硫组分可促进Fe2+再生, 维持其催化活性。且FSD/PAA体系可在不同水质和生活污水中高效降解多种污染物, 具有性能优良和适用性广的优点。

Na⁺/g-C₃N₄材料的制备及光催化降解亚甲基蓝机理

李秋实, 殷广明, 吕伟超, 王怀尧, 李婧琳, 杨红光, 关芳芳

制备碱金属掺杂的g-C3N4在g-C3N4半导体光催化材料研究中属于一个重要分支。本研究采用溶液合成、煅烧和溶剂热反应方法制备了Na+掺杂的g-C3N4样品(Na+/g-C3N4), 通过不同检测手段确定了Na+在g-C3N4中的负载位置和光电性能, 考察了样品的形貌、比表面积及孔径随溶剂热反应时间延长的变化规律。结果表明：Na+负载位置和表面生成的C-O-基团增强了g-C3N4材料的物理和化学吸附性能, Na+/g-C3N4对亚甲基蓝(MB)的吸附率最高可达到93.25%; Na+负载位置对g-C3N4的π共轭体系的电子分布产生影响, 进而改变了材料的禁带宽度(Eg)、导(价)带位置和光生载流子分离效率及传输速率; 在可见光降解过程中, 由于MB的自身光敏性和在Na+/g-C3N4样品表面的强吸附性, MB和Na+/g-C3N4样品构建了独特的光敏-光催化降解体系, MB不仅通过光敏自降解, 还在Na+/g-C3N4协同下进行了光催化降解。在pH 6.0条件下, MB和Na+/g-C3N4光催化体系对MB的最高降解率可达96.40%。

聚苯胺改性Ti₃C₂(OH)₂抗氧化性的第一性原理计算研究

周云凯, 刁亚琪, 王明磊, 张宴会, 王利民

TiO₂的微观形貌、颗粒尺寸及比表面积是影响其光催化活性的重要因素, 介观晶体是一类由无机纳米粒子沿着相同的结晶轴方向有序排列的超结构材料, 在光催化领域具有重要的研究价值。本工作分别以六氟钛酸铵和硼酸为钛源和氟离子捕获剂, 以无水乙醇和去离子水的混合溶液为溶剂, 采用简单绿色的方法制备了NH₄TiOF₃介观晶体前驱体, 然后用硼酸溶液酸洗, 使NH₄TiOF₃介观晶体通过拓扑转变形成TiO₂介观晶体。最后采用沸石咪唑骨架材料ZIF-8纳米粒子对TiO₂介观晶体进行修饰, 制备了ZIF-8/TiO₂复合介观晶体材料, 并研究了其光催化降解亚甲基蓝的活性。实验结果表明, ZIF-8纳米粒子能够均匀生长在TiO₂介观晶体表面, 形成比较致密的包覆层。ZIF-8/TiO₂复合介观晶体光催化剂具有较高的比表面积和较窄的禁带宽度, 其光生电子和空穴的分离效率得到一定程度的提高。其中, 样品M-TiZIF-2(加入4 mmol硝酸锌的复合介观晶体)展现出最高的光催化活性, 其一级反应速率是TiO₂介观晶体的42倍, 是ZIF-8单元材料的16倍。总之, 在ZIF-8纳米粒子和TiO₂介观晶体的协同作用下, ZIF-8/TiO₂复合介观晶体材料显示出更优异的光催化性能。

多元素掺杂优化SnTe的热电性能

苏浩健, 周敏, 李来风

热电材料可实现热能和电能的直接相互转换, 在温差发电和半导体制冷领域具有广阔的应用前景。SnTe作为PbTe的无毒同族类似物, 是一种极具潜力的中温区热电材料。本研究采用超重力场辅助燃烧合成(HG-CS)技术, 结合放电等离子体烧结(SPS)制备多元素掺杂的SnTe基热电材料, 系统研究了多元素掺杂对SnTe热电性能的影响规律和作用机制。在SnTe的阳离子位引入等价离子Ge2+和Pb2+, 阴离子位引入S2-和Se2-, 多元素掺杂引起大量晶格畸变点缺陷。同时, 在超重力场下快速凝固带来的塑性变形引入了应力场和大量位错, 从而形成了多级微观结构缺陷, 强烈散射中高频声子, 室温热导率从7.28 W·m-1·K-1 (未掺杂SnTe)大幅下降到2.74 W·m-1·K-1 (Sn0.70Ge0.15Pb0.15Te0.80Se0.10S0.10), 在873 K时, 其最小热导率仅为1.38 W·m-1·K-1。这些微结构缺陷散射声子的同时也散射载流子, 导致载流子迁移率和电导率降低。值得一提的是, 掺杂使SnTe的带隙减小, Seebeck系数提高, 因此掺杂后材料的功率因子仍保持较高值。实验得到Sn0.70Ge0.15Pb0.15Te0.80Se0.10S0.10的最大热电优值(ZT)达到1.02(873 K), 与未掺杂的SnTe相比得到大幅提高。

坩埚底角形状对提拉法生长同成分铌酸锂晶体的影响

郝永鑫, 秦娟, 孙军, 杨金凤, 李清连, 黄贵军, 许京军

铌酸锂晶体集压电、非线性、电光、光折变等效应于一身, 同时其物理化学性质稳定, 在集成光学领域极具应用潜力。然而, 大尺寸铌酸锂晶体生长的热场设计难度大, 其中坩埚形状作为热场设计的重要因素, 对晶体生长的影响显著。坩埚直径和高度受制于装料量和晶体直径等硬性约束, 因此通常通过改变坩埚局部的形状以改善热场。针对坩埚底角形状对大尺寸同成分铌酸锂晶体生长的影响, 本研究使用两种底角形状的坩埚进行了四英寸同成分铌酸锂晶体生长实验。通过数值模拟, 分析了坩埚底角形状对固液界面附近晶体内和熔体内轴向温度梯度的影响, 以及对固液界面下方熔体内温度分布的影响, 进而结合晶体生长结果分析了坩埚底角形状对晶体生长的影响。研究表明: 坩埚底角形状的变化会引起坩埚侧壁上温差的变化和熔体内温度梯度的变化, 并改变熔体自然对流的强弱; 与底部斜角坩埚相比, 使用底部弧角坩埚时, 固液界面附近晶体内和熔体内的轴向温度梯度较大, 固液界面下方熔体内的轴向温度梯度较大, 自然对流更强。这一研究结果有助于解决晶体生长脊展宽和胞状界面生长等问题。

基于DFT的描述符预测生物陶瓷的降解性

陈梦杰, 王倩倩, 吴成铁, 黄健

生物陶瓷以其优异的生物活性和可降解性在骨缺损修复领域受到广泛关注。然而, 如何使生物陶瓷降解速率与新骨生成速率相匹配仍然存在挑战, 因此需要更深入地了解生物陶瓷的降解特性。本研究采用密度泛函理论(DFT)计算并探索硅酸盐生物陶瓷的电子结构。研究结果表明硅酸盐生物陶瓷价带顶电荷密度的最大值(VBMFmax)与其降解性之间存在线性相关性, 随后的降解实验验证了这种相关性。此外, 对磷酸盐生物陶瓷的研究也证实了该描述符可用于预测不同生物陶瓷的降解性。这一发现有助于更好地理解生物陶瓷的降解机制, 并有望加速可控降解生物陶瓷的设计和开发。

SrAl₂Si₂O₈增强BN陶瓷的力学性能及抗热震性能

王博, 蔡德龙, 朱启帅, 李达鑫, 杨治华, 段小明, 李雅楠, 王轩, 贾德昌, 周玉

h-BN陶瓷以其良好的热稳定性和优异的介电性能而成为高超声速飞行器防热透波部件的优异材料, 然而h-BN陶瓷烧结致密化相对困难, 且力学性能较差。SrAl2Si2O8 (SAS)具有较低的熔点和较高的强度, 将其引入到h-BN陶瓷中能够起到促进烧结和补强增韧的作用。本研究以h-BN、SrCO3、Al2O3和SiO2为原料, 采用热压烧结制备了BN-SAS复相陶瓷, 研究了烧结压力对复相陶瓷显微组织结构、力学性能和热学性能的影响规律, 并评价了BN-SAS复相陶瓷的抗热震性能。结果表明,热压烧结制备的BN-SAS复相陶瓷的物相主要为六方氮化硼和六方锶长石。随着烧结压力增大, 复相陶瓷的致密度增加, 力学性能呈现先增大后略有降低的趋势。在20 MPa烧结压力下制备的复相陶瓷的力学性能最优, 其抗弯强度和断裂韧性分别为(138±4) MPa和(1.84±0.05) MPa·m1/2。10 MPa烧结压力下制备的BN-SAS复相陶瓷具有较低的热膨胀系数, 在200~1200 ℃范围内的平均热膨胀系数为 2.96×10-6 K-1。20 MPa烧结压力下制备的复相陶瓷的热导率较高, 室温~1000 ℃时热导率变化范围为12.42~ 28.42 W·m-1·K-1。BN-SAS复相陶瓷表现出良好的抗热震性能, 经600~1400 ℃温差的热震实验后, 其残余抗弯强度先增大后迅速降低。复相陶瓷的残余抗弯强度在热震温差为800 ℃时达到最高, 残余强度保持率为101%。随着热震温差逐渐增大, 陶瓷表面的氧化程度逐步加剧, 热应力引起的裂纹逐渐增多。

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