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。

随着以SiC和GaN为代表的第三代宽禁带半导体的崛起, 电力电子器件向高输出功率和高功率密度的方向快速发展, 对用于功率模块封装的陶瓷基板材料提出更高的性能要求。传统的Al₂O₃和AlN陶瓷由于热导率较低或力学性能较差, 均不能满足新一代功率模块封装的应用需求, 相较之下, 新发展的Si₃N₄陶瓷因兼具高强度和高热导率, 成为最具潜力的绝缘性散热基板材料。近年来, 研究人员通过筛选有效的烧结助剂体系, 并对烧结工艺进行优化, 在制备高强度高热导率Si₃N₄陶瓷方面取得一系列突破性进展。另外, 伴随覆铜Si₃N₄陶瓷基板工程应用的推进, 对其制成的基板的力、热和电学性能的评价也成为研究热点。本文从影响Si₃N₄陶瓷热导率的关键因素出发, 重点对通过烧结助剂的选择和烧结工艺的改进来提高Si₃N₄陶瓷热导率的国内外工作进行综述。此外, 首次系统总结并介绍了Si₃N₄陶瓷基板的介电击穿强度以及覆铜后性能评价研究的最新进展, 最后展望了高热导率Si₃N₄陶瓷基板的未来发展方向。

AlN-SiC复相陶瓷力学性能好、导热性与抗高温氧化性能优异, 作为纤维增强陶瓷基复合材料的基体材料具有良好的应用前景。本研究以Si-Al合金为熔渗介质, 多孔C-Si₃N₄为熔渗预制体, 对低温反应熔渗制备AlN-SiC复相陶瓷及其性能展开研究。研究发现Si-Al合金形态对反应熔渗过程存在着重要的影响: 以Si-Al合金粉末作为熔渗介质时, 反应熔渗过程中在Si-Al/C-Si₃N₄界面处将原位形成一层致密的Al-O阻挡层, 从而严重阻碍Si-Al熔体向C-Si₃N₄预制体内部的渗透, 使反应熔渗过程难以进行；以Si-Al合金锭作为熔渗介质时, Si-Al熔体可以深入渗透到多孔C-Si₃N₄预制体内部, 并通过进一步反应, 原位形成致密的AlN-SiC复相陶瓷。材料性能测试表明, 所得材料的力学和热学性能与其内部残余硅含量关系密切。随着残余硅含量降低, 材料强度明显提升, 而热导率有所下降。含质量分数4%残余硅的AlN-SiC复相陶瓷, 抗弯强度达到320.1 MPa, 热导率达26.3 W·m^-1·K^-1, 材料的强度几乎与传统反应烧结SiC陶瓷相当, 并深入探讨了出现上述现象的本质原因。本研究对低温熔渗工艺制备SiC_f/AlN-SiC复合材料具有重要的指导意义。

为拓展铁尾矿的资源化利用途径, 本研究分别以细颗粒高硅铁尾矿、铁尾矿+石墨粉以及铁尾矿+石墨粉+碳化硅粉为原料, 采用泡沫注凝成形-常压烧结、泡沫注凝成形-反应烧结和模压成形-反应烧结工艺制备了铁尾矿多孔陶瓷和三种以碳化硅为主晶相的多孔陶瓷。通过DSC-TG和XRD分析, 研究了铁尾矿自身的烧结过程以及铁尾矿与石墨之间的碳热还原反应烧结过程, 对比分析了四种多孔陶瓷材料的孔隙率、压缩强度、热导率等性能。结果表明, 以铁尾矿为原料可制备具有较高孔隙率(87.2%)、压缩强度(1.37 MPa)和低热导率(0.036 W/(m·K))的铁尾矿多孔陶瓷, 它是一种高效保温隔热材料; 利用铁尾矿与石墨之间的碳热还原反应可获得碳化硅多孔陶瓷, 其热导率显著提高, 但强度偏低; 而在原料中加入部分碳化硅, 可以明显改善多孔陶瓷的压缩强度, 获得具有高孔隙率(91.6%)、较高压缩强度(1.19 MPa)和热导率(0.31 W/(m·K))的碳化硅多孔陶瓷, 它可作为轻质导热材料或复合相变材料的载体使用; 与泡沫注凝成形工艺相比, 采用模压成形工艺制备的碳化硅多孔陶瓷虽然孔隙率有所降低(79.3%), 但热导率得到显著提升(1.15 W/(m·K)), 同时原料和生产成本大幅降低, 有利于实现产品的工业化生产。

碳化硅陶瓷基复合材料以其高比强度、高比模量、高导热、良好的耐烧蚀性能、高温抗氧化性、抗热震性能等特性, 广泛应用于航空航天、摩擦制动、核聚变等领域, 成为先进的高温结构及功能材料。本文综述了高导热碳化硅陶瓷基复合材料制备及性能等方面的最新研究进展。引入高导热相, 如金刚石粉、中间相沥青基碳纤维等用以增强热输运能力; 优化热解炭炭与碳化硅基体界面用以降低界面热阻; 热处理用以获得结晶度更高、导热性能更好的碳化硅基体; 设计预制体结构用以建立连续导热通路等方法, 提高碳化硅陶瓷基复合材料的热导率。此外, 本文展望了高导热碳化硅陶瓷基复合材料后续研究方向, 即综合考虑影响碳化硅陶瓷基复合材料性能要素, 优化探索高效、低成本的制备工艺; 深入分析高导热碳化硅陶瓷基复合材料导热机理, 灵活运用复合材料结构与性能的构效关系, 以期制备尺寸稳定、具有优异热物理性能的各向同性高导热碳化硅陶瓷基复合材料。