基于变形协调关系及均强度理论, 定量计算了硫化镍相变体积膨胀对玻璃的挤压应力、因硫化镍和玻璃热膨胀系数不匹配导致的内应力及以上两者协同作用下导致的硫化镍颗粒周边的局部集中应力的影响, 分析了硫化镍直径、玻璃局部强度及环境温度对钢化玻璃自爆的影响, 确定了引发钢化玻璃自爆的硫化镍颗粒的临界直径。研究结果表明: 硫化镍颗粒周边的周向集中应力(拉应力)是导致钢化玻璃自爆的根本原因。随着硫化镍直径的增大, 其周向应力也增大, 但不呈线性关系, 当颗粒直径小于0.2 mm时, 其周向应力迅速降低, 而当颗粒直径大于0.5 mm时, 其周向应力增大幅度变缓。随着钢化玻璃表面应力的增大, 引发自爆风险的硫化镍临界直径逐渐减小, 直径小于0.1 mm的硫化镍很难引发钢化玻璃自爆。周向应力与环境温度升高呈线性增长趋势, 且大颗粒尺寸的硫化镍周向应力增长速率更快。

合适的树脂基陶瓷浆料的制备对陶瓷光固化成型技术而言至关重要。本文研究了氧化锆粉体的性质, 包括比表面积、粒度与粒径分布、颗粒形貌等因素对树脂基浆料流变行为的影响。研究发现: 粉体的比表面积是影响浆料粘度的最主要因素。选择低比表面积、形貌接近球形的粉体更容易制备出低粘度的浆料。利用Krieger-Dougherty模型研究了粉体固含量对浆料流变行为的影响。在1550 ℃烧结得到了相对密度为(97.83±0.33)%的氧化锆陶瓷, 未发现明显的晶粒异常长大, 表明基于流变学表征方法对浆料制备参数进行优化后, 采用光固化技术可以制备出复杂结构、高质量的氧化锆陶瓷。

同步提升陶瓷材料强度及损伤容限是陶瓷发展的核心问题。一百多年前预应力技术大幅提高混凝土和玻璃的弯曲强度, 并在世界上广泛应用以来, 预应力增强陶瓷材料的设计就成为一个百年梦想。本文总结了增强陶瓷的国内外研究进展, 并提出了全新的高强度高损伤容限复合陶瓷的预应力设计及模型, 通过优化表面预应力设计, 在陶瓷构件表面能够形成一层高度压缩应力, 从而阻止裂纹扩展, 并抵消外加拉应力, 达到提高陶瓷的强度及损伤容限的目的。这种预应力设计理论和规程可应用到结构陶瓷、建筑陶瓷和日用陶瓷等不同领域, 具有明显的通用性和广泛性, 且简单、经济, 不受构件尺寸和形状的限制, 因此极具应用前景。

硅系气凝胶是目前研究理论最为完善、合成技术最为成熟的气凝胶材料。本工作分别以四乙氧基硅烷(TEOS)、甲基三甲氧基硅烷(MTMS)、MTMS与二甲基二甲氧基硅烷(DMDMS)混合硅源、乙烯基甲基二甲氧基硅烷(VMDMS)为前驱体, 制备了不同种类的硅系气凝胶。所制得的硅系气凝胶具有较高的比表面积, 并呈现出纳米多孔的网络结构。本研究详细探讨了前驱体结构对气凝胶的力学及热学性能的影响。结果表明, 硅系气凝胶的骨架结构交联度越低, 弹性性能越好; 同时, 引入有机碳氢链会进一步提升气凝胶的弹性性能。所制备的硅系气凝胶兼具良好的保温隔热性能, 常温热导率在0.032~0.041 W/(m·K)范围内, 热重损失随着骨架结构内有机组分的增多而增大。这些优良的力学及热学性能使硅系气凝胶在保温隔热、储能等领域均具有广阔的应用前景。

以乙醇和甲烷为前驱体, 采用化学气相渗透工艺制备了三维五向编织C/C复合材料。利用偏光显微技术分析了复合材料的微观结构, 考察了复合材料的静态弯曲性能和疲劳行为, 研究了不同循环加载周期对复合材料弯曲强度和力学行为的影响。结果表明: 采用混合前驱体可成功制备高织构3D C/C复合材料, 材料的平均弯曲强度为379.2 MPa, 其疲劳极限为静态弯曲载荷的80.3%。加载循环应力后, C/C复合材料的弯曲强度在不同周次均有所提升, 循环10 ⁵周后弯曲强度的增幅达16.8%。材料弯曲承载时的“屈服区”随着循环次数的增加出现先增大后减小的变化趋势, 这与材料疲劳过程中纤维与基体、基体与基体的结合状态有关。

以碳纤维无纬布/碳纤维网胎叠层针刺预制体为增强体, 经化学气相渗透(CVI)联合沥青高压碳化(HPIC)工艺制备了热解碳+沥青碳双元基针刺C/C喉衬材料, 利用X射线断层扫描(μ-CT)和扫描电镜(SEM)表征了材料的微观结构, 采用等离子烧蚀试验考察了针刺喉衬材料X-Y纤维铺层面(0°)、Z向针刺面(90°)以及两者间过渡层面(23°、45°和68°)的烧蚀性能。结果表明, 采用CVI+HPIC组合工艺能使针刺材料达到高致密态, 获得了孔隙率仅为4%的C/C材料, 材料内部孔隙呈离散态分布, 其中98%的孔隙为小于20 μm的小孔。烧蚀结果显示, 针刺C/C材料不同区域的烧蚀性能存在差异, 从X-Y层面(0°)到Z向针刺面(90°), 其耐烧蚀性能呈先增强后减弱的趋势, 68°层面耐烧蚀性能最好, 线、质量烧蚀率分别为0.056 mm/s、0.050 g/s。烧蚀面纤维的排布是影响烧蚀性能的关键因素, 68°层面因形成的尖端烧蚀模式占比较高, 表现出最佳的耐烧蚀性能。

采用注浆成型和无压烧结技术制备铝电解测温热电偶NiFe₂O₄陶瓷U型保护套管, 对浆料稳定性、生坯烧结行为和组装热电偶的测温性能进行了研究。结果表明: 添加10wt% NiFe₂O₄纳米粉和5wt%纳米粘结剂能有效提高浆料体系的Zeta电位, pH在10.0~11.0之间时浆料体系的稳定性较好。升温至1100 ℃以上生坯开始大量收缩, 随烧结温度的升高线收缩和线收缩速率逐渐增大, 在1300 ℃时线收缩速率达到最大值; 烧结初期活化能为295.11 kJ·mol ^-1, 受体积扩散和晶界扩散共同控制。测温结果表明组装热电偶在升降温过程中温度响应及时, 具备良好的抗熔盐腐蚀性能和抗热震性能, 满足工业铝电解测温热电偶套管的要求, 具备工业应用前景。

降低热障涂层面层中的低熔点杂质含量, 可提高涂层的高温稳定性和延长服役寿命。SiO₂、Al₂O₃和Fe₂O₃是氧化钇稳定氧化锆(Yttria-Stabilized Zirconia, YSZ)热障涂层中几种常见的低熔点氧化物杂质, 均会对涂层的性能产生一定的影响。本研究采用大气等离子喷涂法, 制备SiO₂、Al₂O₃和Fe₂O₃的含量从小于0.01wt%增加至1.00wt%的YSZ热障涂层。采用扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)研究了上述涂层的微观结构; 采用激光热导仪测试了涂层的热扩散系数和抗热震次数。研究结果表明, 低熔点氧化物杂质对YSZ涂层的导热性、热处理状态的孔隙率具有明显影响, 且更容易引起涂层的热震失效。当杂质氧化物含量在小于0.2wt%范围内变化时, 涂层的性能变化更为显著。