深水轴系密封材料是制约深水装置发展水平的关键核心技术。碳化硅(SiC)陶瓷材料因其高模量、高热导率、低密度、耐腐蚀等特点成为新一代深海密封材料。深海环境下巨大的海水压力导致材料的腐蚀和磨损过程与常压相比差异较大, 而关于深海环境下SiC陶瓷材料的腐蚀磨损过程研究尚未有相关报道。本研究通过改变人工海水静压力的方式模拟0~5 km深海环境, 原位分析表征深海环境下SiC陶瓷材料的腐蚀和磨损行为, 探索深海静压力对SiC陶瓷腐蚀和磨损的影响规律。SiC陶瓷材料在0~5 km深海环境中表现出十分优异的耐腐蚀行为, 200 h浸泡后材料表面没有发生明显的腐蚀、氧化或海水盐类侵蚀行为, 也未发生质量损失。随着海水深度增加, SiC与水之间的化学反应减弱, 这进一步增强了其耐腐蚀性能。SiC陶瓷材料经过海水腐蚀后力学性能保持稳定, 在5 km海深腐蚀200 h后弯曲强度仅有不足5%的轻微下降, 而维氏硬度和断裂韧性均保持不变。在海水润滑条件下, SiC陶瓷材料具有十分优异的耐磨损性能, 磨损率为2×10^-8~4×10^-8 mm³/(N·m), 远低于与其配副的氮化硅(Si₃N₄)陶瓷材料(4×10^-5~1×10^-4 mm³/(N·m))。值得一提的是, 随着海水深度增加, SiC陶瓷耐水腐蚀能力增强, 同时水的润滑承载作用增大, 导致SiC陶瓷磨损率随海深增加呈现下降趋势。综上, SiC陶瓷材料在深海密封方面展现出强大的应用潜力。

氮化铝(AlN)陶瓷具有优异的热学和电学性能, 在电子封装和集成电路领域展现出极为广阔的应用前景。然而, AlN粉体易水解生成Al(OH)₃, 并在陶瓷烧结过程中热解生成Al₂O₃, 造成AlN陶瓷氧含量升高和热导率下降, 这严重制约了AlN陶瓷的制备和实际应用。因此, AlN粉体的表面改性对提升其抗水解性能至关重要。本研究使用聚乙二醇(Polyethylene Glycol, PEG)与月桂酸(Lauric Acid, LA)对AlN粉体进行表面改性以提升其抗水解性能, 通过简单的湿法球磨工艺, 使LA包覆在AlN粉体表面。FT-IR和XPS分析证实, LA羧基(-COOH)与AlN表面羟基氧化层发生类酯化反应, 形成化学键合的酯基。TEM表征结果显示, 酯化改性后的AlN粉体表面形成了厚度为12.2~16.1 nm的包覆层。将改性后的AlN粉体置于40 ℃水中72 h以上, 悬浮液pH维持在9以下, 物相结构和微观形貌均未发生变化。该包覆层化学性质稳定且具有低水溶性, 水分子难以扩散穿透包覆层引发水解反应。随着LA添加量增加, AlN粉体抗水解性能显著提升。本研究为提升AlN粉体抗水解性能及制备高性能AlN陶瓷提供了新途径。

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。

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·m^1/2。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。

Hf_xTa_1-xC具有高熔化温度、高硬度、高强度, 以及导电、导热性好等优异性能, 是2000 ℃以上热防护领域极有潜力的候选材料, 但其力学性质与熔化温度随组分变化规律尚不清晰。本研究基于特殊准随机结构(SQS)方法和第一性原理计算, 从共价键强度、价电子浓度(VEC)的微观角度系统地探讨了Hf_xTa_1-xC系固溶体力学性质随组分的变化机理。力学性质计算结果表明: 5种组分(HfC、Hf_0.75Ta_0.25C、Hf_0.5Ta_0.5C、Hf_0.25Ta_0.75C与TaC)中, Hf_0.25Ta_0.75C固溶体具有最高的弹性模量和剪切模量, 这主要归因于: (1)该组分具有最高的共价键强度; (2)来自C的p轨道和来自Hf或Ta的d轨道之间的特殊键合在VEC=8.75(Hf_0.25Ta_0.75C)附近被完全填充, 它们强烈抑制形状变化。研究还使用基于从头算分子动力学(AIMD)的分子动力学Z方法计算了Hf_xTa_1-xC系固溶体的熔化曲线。结果显示Hf_xTa_1-xC系固溶体熔化温度反常增加的现象的确存在, 且在Hf_0.5Ta_0.5C处熔化温度最高(4270 K), 这主要归因于构型熵与共价键强度的协同作用。本研究结果为高熔化温度及高力学性能Hf_xTa_1-xC系固溶体组分的实验选择及其耐高温涂层应用等提供了理论指导, 也为其他过渡金属碳化物研究提供了参考。

二维过渡金属碳/氮化物(MXenes)以其优异的力学和电学性能, 在多个领域展示出巨大的应用前景。近年来, 高性能MXenes纳米复合材料(包括一维纤维、二维薄膜和三维块体)的研究取得了显著进展, 但其力学性能仍远低于MXenes纳米材料的本征力学性能, 这主要归因于MXenes纳米复合材料中存在的孔隙缺陷、MXenes纳米片取向度低以及界面相互作用弱等关键科学问题。针对上述问题, 本文首先讨论了MXenes纳米材料的本征力学性能, 总结讨论了不同类型高性能MXenes纳米复合材料的发展历程, 并介绍了高性能MXenes纳米复合材料的最新研究进展, 包括如何消除孔隙缺陷、提高MXenes纳米片的取向度以及增强界面相互作用。同时, 介绍了高性能MXenes纳米复合材料在电热、热伪装、电磁屏蔽、传感以及储能等领域的应用。最后, 梳理了高性能MXenes纳米复合材料存在的挑战, 并展望了未来的发展方向。

功率半导体器件高电压、大电流、高功率密度的发展趋势, 对器件中陶瓷基板的散热能力和可靠性提出了更高的要求, 兼具高热导率和优异力学性能的氮化硅陶瓷作为功率半导体器件的首选散热基板材料受到了广泛关注。目前氮化硅陶瓷热导率的实验值与理论值存在较大差距, 高温、长时间保温的制备条件不仅会使晶粒过分长大，削弱其力学性能, 而且会造成成本高企, 限制了其规模化应用。晶格氧缺陷是影响氮化硅陶瓷热导率的主要因素, 通过筛选非氧化物烧结助剂降低体系中的氧含量, 调节液相的组成和性质并构建“富氮-缺氧”的液相, 调控液相中的溶解析出过程, 促进氮化硅陶瓷晶格氧的移除及双峰形貌的充分发育, 从而实现氮化硅陶瓷热导率-力学性能的协同优化是目前研究的热点。本文基于元素分类综述了当前国内外开发的非氧化物烧结助剂体系, 着重从液相调节和微观形貌调控的角度介绍了非氧化物烧结助剂改善氮化硅陶瓷热导率的作用机理, 分析了晶粒发育、形貌演变规律和晶格氧移除机制, 并展望了高导热氮化硅陶瓷的未来发展前景。