为进一步拓展先进陶瓷材料在直升机结构领域的应用, 本文对国内外直升机结构用先进陶瓷材料进行了审视和回顾, 重点关注直升机能量冲击防护部位、能量转换部件及腐蚀防护区域等特定结构部位用各类先进陶瓷材料, 对比分析国内外先进陶瓷材料在直升机上述特定结构部位的应用差距, 并提出未来发展建议。高速动态冲击能量防护部位应发展反应烧结曲面一体化成型的非透明装甲陶瓷材料和多晶透明装甲陶瓷材料, 低能量冲击防护部位应发展与环氧树脂基基材兼容的金属陶瓷复合涂层, 热能冲击防护部位应发展陶瓷基/树脂基混杂复合材料(Hybrid Ceramic Matrix Composite/Polymer Matrix Composite, HCMC-PMC), 机械能与电能转换部件应发展以高性能微型压电陶瓷薄膜功能器件及柔性混合电子结构复合材料为代表的多功能复合材料, 电磁能与热能转换部件应发展与环氧树脂基复合材料兼容的纤维增强吸波陶瓷基复合材料, 腐蚀防护区域应发展高性能耐磨腐蚀防护用溶胶-凝胶涂层。同时, 应大力构建直升机装备高速动态能量冲击防护机理及防护材料抗弹击性能优化机制, 并发展垂直起降飞行器多功能复合材料数字试验验证技术, 以显著缩短先进陶瓷材料的研发及装机应用周期并降低验证成本。

SiC陶瓷具有高强度和良好的热稳定性, 在航空航天、热端部件等领域有着广泛的应用前景。随着对大尺寸和复杂形状SiC陶瓷需求的日益增长, 3D打印技术在制造周期、成本及可靠性等诸多方面明显优于传统减材、等材制造方法, 越来越受到重视。3D打印方法众多, 各具特点: 立体光刻(Stereolithography, SLA)技术可以实现高精度和优良的表面质量, 但实际操作中往往需要设计支撑结构, 再加上残余应力和低固含量等问题, 极大限制了其发展; 激光选区烧结(Selective laser sintering, SLS)技术具有较强的材料普适性, 适用于高分子、金属和陶瓷等多种材料, 可实现大尺寸快速成形, 且制造成本较低, 但其成形素坯表面质量较低, 需进行后续加工; 熔融沉积(Fused deposition modeling, FDM)技术制备的SiC陶瓷材料可借助反应烧结实现致密化, 但成形素坯存在层间结合强度低、表面有较明显条纹等缺陷, 并且成形速度相对较慢, 不适合构建大型零件, 因此在实际生产中受到限制。本文综述了近五年来3D打印SiC陶瓷的最新研究进展, 讨论了成形素坯的后续高温致密化处理方法及其基本物理性能, 并展望了3D打印SiC陶瓷材料的未来前景。新型3D打印技术及其与多种打印方式的融合将在陶瓷宏微观结构的精细化中发挥重要作用, 或将成为未来的重要发展趋势。

作为神经网络中数量最庞大的组成部分, 新型人工突触器件的研发成为了硬件实现神经形态计算的关键挑战。基于电化学晶体管的三端突触器件能够有效利用电解质层中的离子来调节通道电导, 也被称为电化学离子突触,该器件通过离子在具有氧化还原活性的沟道材料中的电化学掺杂和恢复过程来模拟生物突触特性。在调制沟道材料电导的离子中, 采用质子(H⁺)作为掺杂粒子的电化学离子突触具有能耗更低、运行速度更快和循环寿命更长等优势。本文综述了近年来质子调控型电化学离子突触的研究进展, 归纳了用于质子调控型电化学离子突触沟道层和电解质层的材料体系, 分析了质子调控型电化学离子突触面临的挑战, 并展望了其未来的发展。

高熵碳化物(HEC)陶瓷具有硬度高、抗氧化、耐腐蚀、耐磨以及高导热等优点, 在极端环境下具有巨大应用潜力。但高熵陶瓷往往脆性较大, 限制了其进一步应用。为了对HEC陶瓷进行增韧, 本工作在(Zr, Hf, Nb, Ta, W)C高熵陶瓷前驱体中加入碳化硅(SiC)的前驱体聚碳硅烷(PCS), 利用PCS裂解过程中原位生成的SiC(SiC_i)对HEC陶瓷进行增韧。结果表明, 裂解所得陶瓷中SiC的体积分数为23.38%, SiC相晶粒尺寸小(1.19 μm), 且在高熵陶瓷相中均匀分布。通过研究陶瓷前驱体的裂解过程, 发现PCS裂解产物在温度较低时以无定形的O_x-Si-C_y形式存在, 在1500 ℃以上才开始出现SiC结晶相。以1600 ℃裂解所得(Zr, Hf, Nb, Ta, W)C-SiC_i复相陶瓷粉体为原料, 经热压制备了(Zr, Hf, Nb, Ta, W)C-SiC_i陶瓷块体, 研究了陶瓷块体的力学性能, 并与添加商品化SiC纳米粉体及SiC晶须增韧的复相陶瓷进行对比。研究发现, 与(Zr, Hf, Nb, Ta, W)C陶瓷相比, 所有复相陶瓷块体的弯曲强度和断裂韧性均得到明显提升, 其中采用聚合物前驱体法原位生成SiC的增韧效果最为明显, 所得陶瓷的弯曲强度和断裂韧性分别为(698±9) MPa和(7.9±0.6) MPa·m^1/2, 相比(Zr, Hf, Nb, Ta, W)C陶瓷分别提升了17.71%和41.07%。由于液相聚合物前驱体法制备的复相陶瓷中, SiC的晶粒尺寸最小且分布更加均匀, 在受力时可以消耗更多能量, 阻碍裂纹扩展, 因此陶瓷的断裂韧性得到了大幅提高。

Y₂O₃-MgO纳米复相陶瓷与单相Y₂O₃陶瓷相比具有更高的机械强度、硬度、热导率以及优异的红外波段透光性, 是一种良好的红外窗口材料。然而, 恶劣的热、机械工作环境对红外窗口材料的光学和力学性能提出了更高的要求。本研究以高纯Y₂O₃-MgO纳米复合粉体为原料, 通过在球磨过程中添加硝酸锆水溶液制备了不同ZrO₂掺杂量(Zr⁴⁺离子分别占Y³⁺离子的1%、3%、5%)的Y₂O₃-MgO纳米复合粉体。利用该粉体成型后的坯体在1350 ℃、35 MPa条件下热压烧结30 min制备得到ZrO₂:Y₂O₃-MgO纳米复相陶瓷, 研究了ZrO₂掺杂量对陶瓷物相、微观结构、红外透光率、硬度和抗弯强度的影响。结果表明: ZrO₂掺杂改变了Y₂O₃-MgO纳米复相陶瓷的微观结构并引起了晶格畸变, 从而显著影响陶瓷的光学性能和力学性能。ZrO₂固溶并均匀分布在Y₂O₃晶格中, 对MgO相没有影响。微观结构观察结果显示, ZrO₂掺杂量增大, 抑制了陶瓷致密化, 因此在5%ZrO₂:Y₂O₃-MgO陶瓷中存在明显的孔洞。同时, ZrO₂掺杂可以强化Y₂O₃-MgO纳米复相陶瓷, 这是由于晶格畸变抑制了位错运动。当ZrO₂掺杂量为3%时, 致密的微观结构使其在3~5 μm波段的透过率达到~82%, 硬度和抗弯强度分别达到11.43 GPa和276.67 MPa。

随着我国新型空天飞行器的快速发展, 对热端部件的结构可靠性和宽频微波隐身提出了更高的性能要求。SiBCN系亚稳陶瓷具有良好的耐高温、抗热震、耐烧蚀、抗长时氧化、抗蠕变等特性, 在高温吸波结构领域极具应用潜力, 但是该系亚稳陶瓷较低的介电损耗限制了其电磁波吸收能力。本研究基于湿法纺丝技术制备了具有良好力学和吸波性能的SiBCN-rGO陶瓷纤维。结果表明, 制备的SiBCN-rGO陶瓷纤维具有多孔结构, 且纤维的孔隙率随着氧化还原石墨烯(Reduced Graphene Oxide, rGO)含量的增加而增大; 此外, 高含量rGO和高纤维比表面积促进了非晶基体中SiC的结晶析出。引入rGO显著提高了陶瓷纤维的拉伸性能, 随着rGO质量分数从0提高至4%, 纤维的断裂伸长率从8.05%增加到18.05%, 拉伸强度从1.62 cN/dtex(0.324 GPa)提高到2.32 cN/dtex(0.464 GPa)。rGO含量增加降低了纤维的电阻率, 且纤维的复介电常数实部与虚部均下降, 但损耗角正切值逐渐提高。SiBCN-rGO陶瓷纤维表现出良好的吸波性能, 其中含质量分数6% rGO的陶瓷纤维在9.20 GHz处具有最小反射系数−50.90 dB, 有效吸收带宽达2.3 GHz, 在吸波陶瓷基复合材料方面具有应用前景。

铌酸钾钠(K_0.5Na_0.5NbO₃, KNN)基压电陶瓷由于具有优异的压电系数(Piezoelectric Coefficient, d₃₃)和高居里温度(Curie Temperature, T_C), 被认为是最有潜力取代铅基压电陶瓷的无铅压电陶瓷体系。然而, 相比铅基压电陶瓷体系, KNN基陶瓷体系的d₃₃温度稳定性较差, 影响了其实际应用。针对该问题, 本研究采用常规固相烧结法和织构工程设计制备了具有单一四方相(T相)的(K_0.5Na_0.5)_0.96Li_0.04(Nb_0.95Sb_0.05)O₃-(Bi_0.5Na_0.5)ZrO₃(KNLNS-BNZ)织构压电陶瓷。研究发现: 相比非织构陶瓷, KNLNS-BNZ织构陶瓷不仅具有更优异的压电系数(d₃₃=256 pC∙N^-1)和纵向机电耦合系数(Longitudinal Electromechanical Coupling Coefficient, k₃₃=34%), 而且具有更优良的d₃₃和k₃₃温度稳定性。在温度范围25~250 ℃之间, KNLNS-BNZ织构陶瓷d₃₃和k₃₃的变化率分别为12%和4%。此外, 本工作制备并研究了由KNLNS-BNZ织构陶瓷和环氧树脂组成的1-3型换能器。该1-3型换能器不仅具有大带宽(BW=61.2%)和优良的信号强度(f_c=1 MHz), 而且具有良好的温度稳定性。当测量温度升高到100 ℃时, 其带宽BW和中心频率f_c分别为58.7%和0.94 MHz, 与室温下的测量结果相比其变化率分别为4%和6%。以上结果表明, KNLNS-BNZ无铅压电陶瓷具有良好的压电性能和优异的温度稳定性, 并且基于此制备的1-3型换能器可为新型无铅压电陶瓷的实际应用提供参考。

拥有铁磁性质的纳米碳材料在自旋电子学、生物医学成像、电极和染料吸附等领域具有重大的应用价值。石墨烯衍生物氧化石墨烯(Graphene Oxide, GO)和还原氧化石墨烯(Reduced Graphene Oxide, rGO)拥有卓越的物理化学性质, 呈现出室温铁磁有序结构。为了实现规模化、低成本、性能稳定的全碳膜, 采用热还原结合双维度碳复合策略, 制备了不同含量微米尺度还原氧化石墨烯纤维(rGOFs)的rGO-rGOFs全碳复合膜, 并对全碳膜的铁磁性机理及磁阻效应进行了阐述。研究发现: 引入适量rGOFs可将rGO膜的室温饱和磁化强度从0.0083 A·m²·kg^-1提升至0.0960 A·m²·kg^-1, 铁磁性增强是碳膜的空位缺陷和sp³(C-C)态共同作用导致的。通过电感耦合等离子体质谱仪排除了样品中金属杂质可能对饱和磁化强度的干扰。此外, 在室温、±1 T磁场下, 磁阻(Magnetoresistance, MR)曲线显示样品MR为负值。通过调控材料的表面拓扑形貌和sp³(C-C)/sp²(C=C)比值, 在一定程度上提高了材料的室温饱和磁化强度。这种新型全碳薄膜有望在未来应用于自旋电子器件和生物医学领域。

紫光激发白光发光二极管(Light Emitting Diode, LED)具有色温可调、视觉友好等优点, 已经受到了广泛关注。但是, 适用于紫光(400~420 nm)激发的高性能荧光材料尚未取得大规模应用, 其中荧光材料的耐候性是评判其是否具有商业化应用潜力的重要因素之一。然而, 目前针对荧光材料耐候性的研究却十分缺乏。本研究首先采用固相反应法制备了K₂CaPO₄F:Eu²⁺、K_1.3Al₁₁O_17+δ:Eu²⁺和Ca₂YHf₂Al₃O₁₂:Ce³⁺,Tb³⁺三种LED用紫光激发稀土发光材料。然后开展了荧光粉在高温高湿、水浸泡、LED芯片紫光辐照等条件下的耐候性实验, 研究了其耐候性以及失效机理。最后, 将三种荧光粉与400 nm紫光芯片组合, 制备了白光LED器件。结果表明, 相较于同体系荧光粉, 本研究所制备的荧光粉不仅在发光性能方面有所优化, 而且对材料在不同使用环境下的耐候性表征更为全面。所制备的白光LED器件的显色指数为93.6、色温为5151 K、色坐标为(0.34, 0.36), 展现出优质的白光照明性能, 且白光LED器件的耐候性相对于单一荧光粉有所提升。上述研究表明, 对荧光材料及其对应的LED器件进行耐候性评估是至关重要的。本工作率先开展了紫光激发LED用荧光材料的耐候性研究, 对于推动其应用具有指导和借鉴意义。

碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基(SiC/SiC)复合材料具有低密度、耐高温、高强度等优异性能, 在热端部件结构材料领域具有广泛应用前景。本研究通过溶胶-凝胶法在SiC纤维束内引入Yb₂Si₂O₇抗氧化相, 并结合化学气相沉积(CVD)法沉积SiC基体, 制备了Yb₂Si₂O₇改性SiC/SiC(SiC/SiC-Yb₂Si₂O₇)复合材料, 讨论了Yb₂Si₂O₇对SiC/SiC复合材料微观结构、力学性能及氧化行为的影响。结果表明, SiC/SiC复合材料经过1200和1400 ℃空气氧化50 h后的强度保持率分别为77%和69%, 拉伸断口处观察到纤维基体平齐断裂。溶胶-凝胶法引入的Yb₂Si₂O₇在基体中部分呈层状分布, 层状Yb₂Si₂O₇相有利于材料的增韧, 拉伸断口处出现层间脱黏现象, 扩展了SiC/SiC复合材料能量耗散机制。SiC/SiC-Yb₂Si₂O₇复合材料的室温拉伸强度为484 MPa, 在1200和1400 ℃空气中氧化50 h后的剩余强度分别为425和374 MPa, 强度保持率分别为88%和77%, 仍表现出典型的非脆性断裂特征。SiC/SiC复合材料断口处界面氧含量大于SiC/SiC-Yb₂Si₂O₇复合材料, 说明引入Yb₂Si₂O₇缓解了氧向界面内的扩散, 改善了SiC/SiC-Yb₂Si₂O₇复合材料的抗氧化性能。

金属磷化物因具有比其他阳极材料更高的比容量而作为潜在的钠离子电池(SIBs)阳极材料。然而, 其体积膨胀和导电性差, 导致SIBs的容量衰减快, 循环寿命短。因此, 本研究采用高能球磨法制备GeP₃, 然后进行二次球磨, 通过引入科琴黑(KB), 合成GeP₃/KB复合阳极材料。球磨过程使得GeP₃和KB紧密结合, 形成强有力的化学键, 因此GeP₃/KB阳极表现出优异的储钠性能。GeP₃/KB-600-40样品(第二次球磨速度600 r/min, 球磨时间40 h)在0.05 A·g^-1的电流密度下获得了933.41 mAh·g^-1的高可逆容量; 在2 A·g^-1的高电流密度下循环200次后容量仍保持在314.52 mAh·g^-1, 容量保持率为66.6%。本研究表明, 通过高能球磨法制备的合金-碳复合阳极材料, 可以缓解阳极在循环过程中产生的体积膨胀, 增大SIBs容量和改善循环稳定性。