陶瓷的表面改性技术与应用
陶瓷的表面改性技术与应用
引言:
传统陶瓷是使用普通硅酸盐原料及部分化工原料，按照一定的工艺方法，加工、成形、烧成而得的满足人们日常生活需要的用于内外墙面、地面、厨房及卫生问等主要起装饰作用且功能性应用的陶瓷制品，包括日用陶瓷餐具、内墙砖、外墙砖、地砖、锦砖、玻化砖、瓦及陶管等。这些陶瓷制品是人们日常都会接触到的物体，随着科学的发展和社会文明的进步，人们对其提出了更高的要求，不但要求其具有良好的机械性能，而且要具有绿色保健功能，具有一定的功能性。因此传统陶瓷也逐步向功能化方向发展，这就需要对传统陶瓷进行表面改性处理，在赋予传统陶瓷一定的功能性之外又不会增加太多成本，从而提高其产品附加值。目前改性主要集中在抗菌，防污，耐磨，提高比表面积，致密度等方面，其他如负离子、发光、抗静电等方面也日益引起人们的重视。
正文:
2011-5-4笔者到宜阳县红星陶瓷厂实习，期间我们到成品展示仓库看到了精美的瓷器餐具，茶具。又从原料堆场，加工，成型，烧制，到出品流水线了解了瓷器的制作过程，依托工人熟练的操作，手工操作的过程依然占到成品过程的绝大部分。其中不乏有残品，次品在流程的各个部分出现。普通陶瓷制品主要依靠其表面釉色和艺术图案进行价值提升，制造具有某些方面功能强大的陶瓷制品显得尤为重要，这不仅具有极大的升值空间，而且能够超越其他材料制品的性能。
一、包覆型陶瓷粉体的研究进展
传统工艺中， 用球磨法混合两种或两种以上的粉料， 会造成混合不均， 从而制约了坯体在烧结中的致密化程度， 并在致密化过程中由于收缩率的不同而产生残余应力和裂纹。为了获得致密、 显微结构均匀的陶瓷材料， 人们发现用包覆的方法制备复合陶瓷粉体， 可以控制粉体的团聚状态， 改善其分散特性
[1,2]； 提高弥散相／烧结添加剂的均匀混合程度， 促进烧结]103[-；改变复合陶瓷中异相结合状态， 降低界面残余应力
]12,11[；改性颗粒表面，调整粉料胶体特性]1713,2[-。因此，包覆型陶瓷粉体的研究， 近年来成为
陶瓷材料研究的一个热点。
用常规的方法混合多相粉体， 尤其是加入少量添加剂和纳米级弥散粒子时， 很难将它们与基体混合均匀。但如果将纳米级弥散粒子用基体相包覆或将添加剂包覆于基体粒子表面， 制备出包覆型陶瓷粉体， 则能将它们与基体相均匀混合]9,6,1[。
包覆型陶瓷粉体是陶瓷材料制备中各相均匀混合的最有效方法之一， 它可以达到一个粒子间的混合。因此可以预言， 随着包覆型陶瓷粉体的深入研究，它将会把陶瓷材料的制备科学提高到一个新的水平。
二、离子注入辅助多弧离子镀陶瓷表面改性研究
离子注入技术是20世纪70年代发展起来的重要表面改性技术，它能将所需元素的离子在几十到几百千伏电压下注入材料表面，在零点几微米的表层中增加注入元素的浓度，同时产生辐照损伤，从而改变材料的结构和性能，是陶瓷表面金属化、陶瓷增韧和提高陶瓷材料强度、硬度、耐磨性的有效途
径，是耐磨蚀材料最具发展前途的技术之一]18[。
运用陶瓷表面改性的离子注入辅助多弧离子镀技术对氮化硅陶瓷进行的表面改性研究表明：陶瓷注入一定量钛离子后，注入层结构和性能呈梯度分布，注入层具有很强的导电能力；在该注入层基础上淀积在氮化硅陶瓷工件上注入金属钛，注纳米压痕试验表明，样品纳米硬度和杨氏模量等力学性能呈梯度变化。离子注入层薄膜的导电性能测试表明，离子注入后表面层的导电能力比原陶瓷基体大幅度提高。
利用离子注入辅助多弧离子镀技术对氮化硅陶瓷进行的表面改性初步研究表明：陶瓷注入一定量钛离子后，注入层结构和性能呈梯度分布，注入层具有很强的导电能力；在该注入层基础上淀积多组分硬质薄膜TiAlN，TiCrN和TiZrN，陶瓷基体与薄膜之间具有良好的粘结性能，纳米划痕试验的临界载荷最大可达60mN以上：多组分薄膜具有优异的力学性能，动态载荷下的纳米硬度可达40GPa以上。该技术在陶瓷表面改性方面可望有较好应用前景。
三、溶胶-凝胶法对三氧化二铝陶瓷表面改性的研究
工程陶瓷在加工过程中不可避免地在表面形成各种缺陷，如表面显微裂纹以及近表面产生的变质层等，这些缺陷都会影响工程陶瓷的机械性能和物理性能，因此，对陶瓷表面进行改性是十分必要的。目前，溶胶-凝胶法设备简单，技术易于推广，对环境无污染，在陶瓷表面改性方面发挥了突出的
通过不同试样的抗弯强度和韦布尔模数对比实验表明：热处理和涂层处理提高抗弯强度和韦布尔模数的原因是减小了表面层的裂纹半径长度C。因此可知，类烧结的裂纹钝化和弥合机理、溶胶颗粒烧结弥合裂纹机理是提高抗弯强度和韦布尔模数的重要机制。
四、碳化硅陶瓷预制体的选区激光烧结及真空压力渗铝
碳化硅(SiC)陶瓷颗粒增强铝(镁)基复合材料具有高的比强度、比刚度、导热性好、低密度以及可调配的热膨胀系数等优点而广泛应用在航空、航天及国防工业等领域，受到各国的高度重视]1[。而熔体浸渗法具有工艺简单，性能稳定，成本低及近净成形等特点，是目前制备陶瓷增强金属基复合材料得到实用并广泛商业化的方法]20,19[。
本法采用选区激光烧结(SLS)来制备陶瓷颗粒预制体]21[，硅烷偶联剂KH 一570对SiC陶瓷表面作改性处理，选用了有机环氧树脂与无机NH4H2P04
双粘接剂，进行了双颗粒尺寸的SiC陶瓷粉末的激光烧结成形工艺研究，并对激光烧结制件进行了热脱脂和真空压力浸渗处理。对获得的SiCp／Al复合材料进行了微观组织和相组成的测试分析。
（一）采用KH一570硅烷偶联剂(5％)对SiC陶瓷表面改性处理后，SiC 陶瓷的激光烧结成形性得到很大改善，且粘结剂中无机NH4H2P04的含最控制在8％。
（二）SiC陶瓷成形粉末采用NH4H2P04和环氧树脂双粘结剂，在扫描I’日J距0．1 mm、铺粉层厚0．15 mm及预热温度100℃的烧结条件下，得到了SiC陶瓷成形粉末烧结成形的激光能量密度区域；激光能量密度在0．10-4)．12 J／mm2区烧结成形性好，而在激光能量密度为0．11 J／mm2的烧结件的密度为2．31 g／cm3，抗弯强度达到了0．8l MPa。且烧结件的尺、J‘形状与CAD模型尺寸吻合，激光烧结是制备陶瓷预制体的一种简单有效方法。
（三）激光烧结件在热脱脂后形成的SiP207无机粘结剂使陶瓷预制体的强度有明显提高，其抗弯强度为1．03 MPa。保证了热脱脂和真空浸渗过程中的预制体的强度，且没有其它残留物；经真空压力浸渗后，获得了SiC 陶瓷体积分数为60％的SiCp／Al复合材料。其SiC陶瓷分布均匀，大小颗粒搭配均匀，组织致密，实现r SiCp／A1复合材料的近净成形。
五、钛合金微弧氧化生物陶瓷层的制备研究
钛合金作为人体植入用材料已经得到广泛的应用，微弧氧化表面改性可以改善钛合金生物活性和耐磨性。目前，对钛合金微弧氧化生物陶瓷层的研究逐步开展，多数研究通过采用含有钙磷元素的电解液来微弧氧化处理得到钛合金生物陶瓷层。
由于钛合金的弹性模量大于骨组织，所以容易在植入人体后产生磨粉损或金属离子溶出。本法利用微弧氧化法制备生物活性陶瓷附着与钛合金上，经过体液模拟试验表明：陶瓷层表面的钙磷等元素都有所增加，达到羟基磷灰石钙磷比，有助于诱导羟基磷灰石生成。
小结：
本文介绍了几种对陶瓷表面进行加工的技术。并得到了良好的效果，分别在制备陶瓷微粉包覆，离子注入辅助多弧离子镀陶瓷表面改性，溶胶-凝胶法陶瓷表面改性，激光烧结及真空压力渗铝，生物陶瓷层的制备方面有很大的进展。这些方法在陶瓷的某一个或多个方面提高了陶瓷的性能，使之成为具有专用功能的陶瓷。当今陶瓷最为重要的不足时没有延展性，未来陶瓷的加工和改性技术必将克服这种缺陷成为一大亮点。
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陶瓷化防火耐火高分子材料的现状与发展202011(发稿版)
陶瓷化防火耐火高分子材料的现状与发展 赵源 壹、概述 陶瓷化防火耐火高分子材料，即陶瓷化防火耐火硅橡胶，自2006年在国内面市以来至今，已经历经了15年的发展，从陶瓷化硅橡胶到陶瓷化复合带，陶铠陶瓷化聚烯烃、陶铠陶瓷化三元乙丙橡胶，再到陶铠陶瓷化硅胶泥、陶铠陶瓷化热塑性弹性体、陶铠陶瓷化发泡塑料和橡胶、陶铠陶瓷化膨胀高分子材料、陶铠陶瓷化浇注高分子材料，陶铠陶瓷化云母带、以及陶铠陶瓷化聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、氯化聚乙烯、氯磺化聚乙烯、天然橡胶、异戊橡胶、顺丁橡胶、丁苯橡胶、丁晴橡胶、氯丁橡胶、丁基橡胶、苯基硅橡胶、RTV及其共混合金高分子陶瓷化材料。 以上的陶瓷化防火耐火高分子材料可以通过挤出、模压、压延、注塑、喷涂、涂覆、搪塑流延等加工方式生产不同形状和要求的产品。 陶瓷化防火耐火高分子材料的固化方式可以采用电加热、高压蒸汽、热水、室温等方式。 所以以上不同的陶瓷化防火耐火塑料和橡胶种类，以及各种的加工方法能够满足各种防火耐火产品的要求，这些产品被广泛的应用到军工、舰船、航空航天、新能源、飞机、机场、体育场馆、超高层建筑、医院、高铁、地铁、车站、石油、化工、冶炼等等。 贰、陶瓷化防火耐火高分子材料研究和发展的现状 一、陶瓷化防火耐火高分子材料研究的现状 自2006年陶瓷化硅橡胶发明问世应用于中压耐火电力以来，近几十家单位、院校和研究单位对高分子材料的“陶瓷化”进行了不同的研究发明，以下是2006-2020年间国家知识产权局公布的部分陶瓷化高分子材料专利申请的情况： 2020年专利申请的部分情况 1、江苏亨通电力电缆有限公司刘亚欣、郭卫红、俞国良、刘海峰、管新元等申请公布号：CN110713725A，申请 公布日：2020.01.21[发明公布] 陶瓷化硅橡胶复合绝缘电缆材料； 2、上海腾瑞纳化工科技有限公司申请公布号：CN110862687A，申请公布日：2020.03.06[发明公布] 一种陶瓷化 耐火硅橡胶复合材料的制备方法； 3、武汉理工大学石敏先等申请公布号：CN110922765A，申请公布日：2020.03.27[发明公布]一种柔性耐热可陶瓷 化硅橡胶复合材料及其制备方法 4、宝胜科技创新股份有限公司陈刚等申请公布号：CN111253626A，申请公布日：2020.06.09[发明公布]电缆用耐 高温耐烧蚀陶瓷化矿物填充隔氧料及其制备方法； 5、博硕科技（江西）有限公司申请号：2020101919663，申请日：2020.03.18[发明公布]一种低烟无卤可陶瓷化阻 燃热塑性聚氨酯弹性体复合材料及其制备方法； 6、武汉理工大学石敏先等申请号：2020101799816，申请日：2020.03.16[发明公布] 一种可陶瓷化酚醛树脂及其 制备方法和应用； 7、河北见喜新材料股份有限公司申请号：2020102497620，申请日：2020.04.01[发明公布] 一种低温陶瓷化难燃 功能母粒及其制备方法； 8、佛山市润辉硅橡胶电子科技有限公司申请号：2020102600636，申请日：2020.04.03[发明公布] 一种新型无卤 阻燃陶瓷化电缆硅橡胶复合带及制备方法； 9、衡阳师范学院申请公布号：CN111489853A，申请公布日：2020.08.04[发明公布]一种低成本无水柔性陶瓷化防
材料表面的硅烷化改性
实验64 材料表面的硅烷化改性 一．实验目的 1.利用硅烷偶联剂改性有机或无机材料。 2.制备无机-有机杂化粉体或薄膜材料。 二．实验原理 很多纳米材料都是重要的无机化工产品，是橡胶.塑料.油漆.油墨.造纸.农药及牙膏等行业不可缺少的优良原料。以SiO2纳米颗粒为例，纯粹制备的SiO2颗粒表面上存在着大量的羟基基团，呈极性.亲水性强，众多的颗粒相互联结成链状，链状结构彼此又以氢键相互作用，形成由聚集体组成的立体网状结构，在这种立体网状结构中分子间作用力很强，应用过程中很难均匀分散在有机聚合物中，颗粒的纳米效应很难发挥出来。如何将纳米SiO2均匀分散在高分子材料中，以提高聚合物材料的各项性能是一个重要的研究方向。 硅烷偶联剂发展至今已有一百多种产品，按Y有机官能团的不同，可分为链系基类硅烷偶联剂.氨基硅烷偶联剂.环氧基类硅烷偶联剂.烷基丙烯酰氧基类硅烷偶联剂及双官能基型硅烷偶联剂等。 硅烷偶联剂处理技术原理简单.操作方便，其与材料表面的作用机理一直是研究的重点，目前关于硅烷在材料表面行为的理论有很多假设，主要有化学键理论.物理吸附理论.表面浸润理论.可逆水解平衡理论和酸碱相互作用理论等。 硅烷偶联剂分子含有两种反应性基团，化学结构可以用X3SiRY来表示，其中，X是可进行水解反应并生成硅烃基(Si-OH)的基团，如卤素.氨基.烷氧基和乙酰氧基等，硅醇基团可和无机物（如无机盐类.硅酸盐.金属及金属氧化物等）发生化学反应，生成稳定的化学键，将硅烷与无机材料连接起来。Y是非水解基团，可与有机基团如乙烯基.氨基.巯基.环氧基等起反应，从而提高硅烷与聚合物的粘连性。R是具有饱和键或不饱和键的碳链，将官能团Y 和Si原子连接起来。因此硅烷偶联剂分子被认为是连接无机材料和有机材料的“分子桥”，能将两种性质悬殊的材料牢固地连接在一起，形成无机相/硅烷偶联剂/有机相的结合形态，从而增加了后续有机涂层与基地材料的结合力。 一般来说，硅烷分子中的两个端基团既能分别参与各自的反应，也能同时起反应。通过适当的控制反应条件，可在不改变Y官能团的前提下取代X官能团，或者在保留X官能团的情况下，使Y官能团改性。若在水性介质中对Y官能团改性，那么X基团同时水解。则硅烷的作用过程依照四步反应模型来解释： ①与硅相连的3个Si-X基团水解成Si-OH; ②Si-OH之间缩合反应，脱水生成Si-OH的低聚硅烷； ③低聚物中的Si-OH与基体表面的-OH形成氢键； ④加热固化过程中发生脱水反应，与基材以共价键连接。 界面上硅烷偶联剂只有一个硅与基材表面键合，剩下两个Si-OH可与其他硅烷中的Si-OH 缩合形成Si-O-Si结构。 常用的硅烷偶联剂主要有; (十二烷基三甲氧基硅烷） （乙烯基三乙氧基硅烷）
表面改性技术在陶瓷材料中的应用
表面改性技术在陶瓷材料中的应用 引言: 材料表面处理是材料表面改性和新材料制备的重要手段,材料表面改性是目前材料科学最活跃的领域之一。传统的表面改性技术,方法有渗氮、阳极氧化、化学气相沉积、物理气相沉积、离子束溅射沉积等。随着人们对材料表面重要性认识的提高,在传统的表面改性技术和方法的基础上,研究了许多用于改善材料表面性能的技术,主要包括两个方面:利用激光束或离子束的高能量在短时间内加热和熔化表面区域,从而形成一些异常的亚稳表面;离子注入或离子束混合技术把原子直接引进表面层中。陶瓷材料多具有离子键和共价键结构,键能高,原子间结合力强,表面自由能低,原子间距小,堆积致密,无自由电子运动。这些特性赋予了陶瓷材料高熔点、高硬度、高刚度、高化学稳定性、高绝缘绝热性能、热导率低、热膨胀系数小、摩擦系数小、无延展性等鲜明的特性。但陶瓷材料同样具有一些致命的弱点,如:塑性变形差,抗热震和抗疲劳性能差,对应力集中和裂纹敏感、质脆以及在高温环境中其强度、抗氧化性能等明显降低等。 正文: 一、陶瓷材料表面改性技术的应用 1.不同添加剂对陶瓷材料性能的影响。 由于陶瓷材料的耐高温特性经常被应用到高温环境中,特别是高温结构 陶瓷,其高温抗氧化性受到人们的关注。Si 3N 4 是一种强共价结合陶瓷,具有高 硬度、高强度、耐磨和耐腐蚀性好的性能。但是没有添加剂的Si 3N 4 几乎不 能烧结,陶瓷材料的高温强度强烈地受材料组成和显微结构的影响,而材料的显微结构特别是晶界相组成是受添加剂影响的,晶界相的组成对高温力学性能的影响极其敏感。对致密氮化硅而言,坯体中的物质传递对材料的氧化起着决定性作用,一般认为,在测试条件下,具有抛物线规律的氮化硅材料,其决定氧化的主要因素取决于晶界的添加剂离子和杂质离子的扩散速率,不同的添加剂对氮化硅陶瓷的氧化行为影响有所不同[1,2,3]。 2．离子注入技术。 离子注入就是用离子化粒子,经过加速和分离的高能量离子束作用于材料表面,使之产生一定厚度的注入层而改变其表面特性。可根据需要选择要注入的元素,并根据工艺条件控制注入元素的浓度分布和注入深度,形成所需要的过饱和固溶体、亚稳相和各种平衡相,以及一般冶金方法无法得到的合金相或金属间化合物,可直接获得马氏体硬化表面,得到所需要的表面结构和性能由于形成的改性表面不受热力学条件的限制(相平衡、固溶度),所以具有独特的优点。离子注入表面处理技术有:金属蒸汽真空弧离子源离子注入,等离子源注入等。在相同的条件下,重离子比轻离子有更强烈的辐射硬化,因此其对抗弯强度的增加更显著;由于单晶的表面缺陷少所以增加效果 更好]7,6[。
白炭黑的表面改性技术
万方数据
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白炭黑的表面改性技术 作者：于欣伟， 陈姚， YU Xin-wei， CHEN Yao 作者单位：广州大学,生物与化学工程学院,广东,广州,510405 刊名： 广州大学学报（自然科学版） 英文刊名：JOURNAL OF GUANGZHOU UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE EDITION) 年，卷(期)：2002,1(6) 被引用次数：27次 参考文献(25条) 1.左美样;乔健纳米二氧化硅在涂料中的分散及改性作用 2001 2.姚琳白炭黑在轮胎中的应用及其前景 2001 3.毛云忠白炭黑在有机硅中的应用情况 2001 4.查看详情 1975 5.全国无机盐信息总站国内白炭黑技术进展 2000(01) 6.戴志成;刘洪章;李添松硅化合物的生产与应用 1994 7.查看详情 1990 8.查看详情 1986 9.查看详情 2001 10.吴胜利气相法白炭黑工业现状与展望 1999(25) 11.李炳炎白炭黑生产应用现状和趋势[期刊论文]-无机盐工业 2000(06) 12.刘恒权;孙时知;于欣伟由稻壳发电剩余物--稻壳灰生产白炭黑研究[期刊论文]-无机盐工业 2000(05) 13.宁延生我国沉淀二氧化硅生产技术 1999(02) 14.王惠玲;宁延生新型疏水二氧化硅的制备[期刊论文]-无机盐工业 2002(02) 15.查看详情 1976 16.查看详情 1964 17.全国无机盐信息总站气相法白炭黑表面改性综述 2000(01) 18.王作龄硅橡胶配合技术[期刊论文]-世界橡胶工业 2002(02) 19.韩立敏国内合成二氧化硅的开发动向及特点 1996(01) 20.查看详情 1999 21.查看详情 1990 22.查看详情 1973 23.查看详情 1985 24.查看详情 1988 25.查看详情 1982 引证文献(27条) 1.沈益顺.张红波.吴绍钿高纯石墨制备的研究进展[期刊论文]-炭素 2010(2) 2.徐伟.崔益顺.陈利秀白炭黑湿法改性研究[期刊论文]-无机盐工业 2010(12) 3.李建芳硅烷偶联剂对超细沉淀法白炭黑表面改性的研究[期刊论文]-江西化工 2010(2) 4.王光芳.于波.孙德.李然气相法纳米白炭黑的表面疏水改性[期刊论文]-橡胶工业 2010(11)
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材料改性与表面工程 镁合金被誉为“21世纪最具发展潜力和前途的绿色工程材料”。他是金属结构材料中最轻的一种，镁合金从早期被应用于航空航天工业到目前在汽车材料、光学仪器、电子电信、军工工业等方面的应用有了很大发展。但是镁合金的耐蚀性耐磨性硬度及耐高温性能较差，在某种程度上又制约了镁合金材料的广泛应用。采用冷喷涂技术在镁合金表面喷涂覆盖上一层致密的保护膜，是解决镁合金腐蚀和磨损问题，提高镁合金铸件使用寿命，拓宽镁合金应用范围的关键之一。 1．冷喷涂原理和特点 超音速冷喷涂（简称冷喷涂）是近年发展起来的一种新型涂层制备工艺，常以金属材料（如钛、镍、钨、钴、铜、合金等）[1-5]为喷涂材料进行金属表面改性和功能涂层的制备。 冷喷涂技术[6]就是将经过一定低温预热的高压（1.5～3.5MPa）气体（N2、He 或压缩气体）分两路，一路通过送粉器，携带经预热（100～600℃）的粉末粒子（1～50 m）从轴向送入高速气流中；另一路通过加热器使气体膨胀，提高气流速度（300～1200 m／s），最后两路气流进入喷枪，在其中形成气─固双相流，在完全固态下撞击基体，通过较大的塑性变形而沉积于基体表面形成涂层。在喷涂过程中，喷枪距离为5～30 mm。 冷喷涂实现低温状态下的金属涂层沉积，具有如下主要优点：其一，喷涂粉末在加工过程中工作温度低，几乎无氧化现象，涂层表面组织均匀；其二，涂层密度大、结合强度高；其三，涂层材料适用广泛，可制备硬度大、耐磨性高、强度高的涂层；其四，可以加工具有特殊物理化学性质的涂层；其五，组织稳定；其六，涂层表面具有残余的压应力，使耐疲劳性增加；其七，喷涂粉末可以回收再利用。 2.国内外用冷喷涂技术在镁合金基体上喷涂铝合金涂层的研究现状 Yongshan Tao[7]等人用冷喷涂的方法在AZ91D镁合金表面沉积一层纯铝涂层，发现涂层中存在微米尺寸的裂纹和孔洞，涂层颗粒边界处中形成了新的界面和亚晶相；在质量分数为3.5%的中性NaCl溶液中浸渍后发现涂层的抗点蚀性能比具有相似纯度的铝块好。在浸渍过程中，由于在涂层中存在着相互独立的微米级或纳米级的孔洞而发生了传质现象。在浸渍十天之后，由于涂层致密细颗粒的结构，它仍然可以为AZ91D 镁合金基体提供良好的耐蚀性保护。 他们还在铝粉中加入α-Al2O3作为增强颗粒，发现涂层和纯铝涂层相比有较小的气孔率，由于α-Al2O3在基体上的渗透和侵蚀，涂层和基体之间的结合力也增强；α-Al2O3在铝基体上的捣固和增强作用涂层具
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居里点Tc:顺电相→铁电相的转变温度 T>Tc 顺电相 T
陶瓷化硼酸锌和三氧化二锑的应用对比分析
陶瓷化硼酸锌和三氧化二锑的应用对比分析 一、氧化锑简介 氧化锑是最重要的无机阻燃剂之一，单独使用的时候阻燃作用很小，但是与卤系阻燃剂并用时可以大大提高阻燃剂的效能，因此它是机会所有卤素阻燃剂中不可缺少的协效剂。尽快近年来阻燃剂无卤化呼声很高，但是由于一时找不到理想的替代品，卤素阻燃剂仍将占据阻燃剂领域主导地位相当长时间，因此氧化锑仍有一定发展空间，目前国外对其进行进行改性和包裹处理，美国、英国、瑞士等国相继开发出氧化锑阻燃母粒，广泛应用于各种塑料、合成纤维、纺织品等领域。但是由于氧化锑有毒性，因此国外替代研究一直在进行，目前能部分替代氧化锑的阻燃剂有硼酸锌、硫化锌、锡酸锌、锆化合物和钼化合物。其中国外开发出一些含锡的无机化合物，对溴和氯阻燃剂具有良好的协同作用，其阻燃剂效率与氧化锑相当，可以完全取代氧化锑在各个领用中的应用，而且毒性很低。 二、陶瓷化硼酸锌简介 硼酸锌是一种硼基阻燃剂，其化学成分为xZnOyB2O3zH2O，常根据所带结晶水的不同分为有水和无水两种，其常用等级具有以下结构：2ZnO 3B2O3 zH2 3.5H2O（Estone ZB）。硼酸锌可作为高效阻燃协效剂广泛应用于聚氯乙烯、聚烯烃、弹性体、聚酰胺、环氧树脂。可以取代三氧化二锑在某些体系中使用时表现更佳。 在含卤素系统中，Estone ZB-03与氧化锑结合使用，而在无卤系统，通常与氢氧化铝、氢氧化镁配合使用。在某些特定的应用中，硼酸锌也可以单独使用。 硼酸锌是通过：①在燃烧过程中生成卤化锌或氧化锌促进成炭剂形成； ②随着一部分B2O3的释放会形成一种稳定的成炭剂，在氢氧化镁和氢氧化铝的阻燃 体系中能促进成炭并形成陶瓷化。 三、两者应用对比 1.提高氧指数
材料表面改性与涂层技术
材料表面改性技术与涂层技术 课程测试作业 姓名:刘志勇 学号:103111002
第一部分各种表面工程技术原理、特点及应用比较 常见的表面工程技术主要有离子注入、激光表面处理、高温扩散渗入、化学转化处理、电镀、物理气相沉积、化学气相沉积、热浸镀、热喷涂、喷焊等。下面我主要就以上表面工程技术进行分开论述，并对其加以比较。 一、离子注入 真空中的一束离子束高速射向另一块固体材料时，离子束会把固体材料的原子或分子撞出固体材料表面，这个现象叫做溅射；而当离子束射到固体材料时，从固体材料表面弹了回来，或者穿出固体材料而去，这些现象叫做散射；另外有一种现象是，离子束射到固体材料以后，受到固体材料的抵抗而速度慢慢减低下来，并最终停留在固体材料中，这一现象就叫做离子注入。 离子注入技术又是近30年来在国际上蓬勃发展和广泛应用的一种材料表面改性高新技术。其基本原理是：用能量为100keV量级的离子束入射到材料中去，离子束与材料中的原子或分子将发生一系列物理的和化学的相互作用，入射离子逐渐损失能量，最后停留在材料中，并引起材料表面成分、结构和性能发生变化，从而优化材料表面性能，或获得某些新的优异性能。此项高新技术由于其独特而突出的优点，已经在半导体材料掺杂，金属、陶瓷、高分子聚合物等的表面改性上获得了极为广泛的应用，取得了巨大的经济效益和社会效益。 二、激光表面处理技术 激光表面处理技术是融合了现代物理学、化学、计算机、材料科学、先进制造技术等多学科技术的高新技术，包括激光表面改性技术、激光表面修复技术、激光熔覆技术、激光产品化技术等，能使低等级材料实现高性能表层改性，达到零件低成本与工作表面高性能的最佳组合，为解决整体强化和其它表面强化手段难以克服的矛盾带来了可能性，对重要构件材质与性能的选择匹配、设计、制造产生重要的有利影响，甚至可能导致设计
中国白炭黑生产现状及规划建议..
中国白炭黑生产现状和规划建议 杜孟成李剑波 （国家橡胶助剂工程技术研究中心山东·阳谷252300）摘要：就国内白炭黑发展现状及改善其应用性能做了介绍，对白炭黑行业存在的问题进行了分析并对今后的发展提出了建议。 关键词：白炭黑绿色轮胎表面改性纳米技术 1、序言 白炭黑是一种填充补强材料，添加白炭黑制成的轮胎具有良好的抓地力、耐磨性和抗湿滑性能，滚动阻力较一般轮胎减少30％，节省燃油4～6％，有很好的操纵安全性和经济性，被称为“绿色轮胎”或“生态轮胎”。近年来，受能源紧缺、环保政策以及炭黑应用领域的限制，高能耗、高物耗及高污染的炭黑正呈现逐渐被白炭黑所取代的趋势，白炭黑及其制品越来越受到人们的青睐和竞相研究开发。 虽然白炭黑作为弹性体的补强填料具有优秀的性能，但存在如下问题：①多段混炼、耗能大；②粘度随着胶料储存时间延长而增加，导致加工更加困难；③焦烧时间短，加工性能差。另外，新型炭黑及炭黑改性技术的研究开发对白炭黑发展形成了潜在的竞争。因此，开发高品质白炭黑及改善其应用性能的研究工作具有十分重要的社会和经济意义。 2、国内白炭黑的发展现状 白炭黑按其制备方法可分为物理法和化学法。用物理法制备的白炭黑产品档次不高，而橡胶行业所需的白炭黑填充剂通
常是采用化学法生产的，本文仅介绍其化学法生产工艺。化学法可分为干法热解法和湿法，湿法按其生成特征又可分为沉淀法和凝胶法。目前，国内外白炭黑的主流生产工艺是气相法和酸法沉淀法两种。 2.1气相法白炭黑发展现状 2.1.1制备原理 该法工艺原理是采用四氯化硅或甲基三氯化硅等硅的卤化物在氢氧焰中水解，产生的二氧化硅分子凝集成颗粒。这些颗粒互相碰撞，熔结成一体，形成三维、有分支的键状聚集体。一旦这些聚集体温度低于二氧化硅熔点，则进一步碰撞，引起键的机械缠绕，生成附聚物。 2.1.2产品特点及应用范围 气相法生产的白炭黑粒子凝聚少，原生粒子为7～20nm，呈无定形态。表面有残留的硅羟基及硅氧基，有较强的极性，二氧化硅的含量＞ 99.8%，比表面积＞300 cm2/g，是纯度高、粒径小的高品质产品，主要用于室温硫化硅橡胶(RTV)、热硫化硅橡胶(HTV)领域和高档橡塑制品。 2.1.3工艺特点及存在的问题 气相法白炭黑的生产工艺比较简单，但生产过程中具体操作控制比较困难，特别是生产高牌号产品（高比表面积的产品），最难控制的是系统的气相平衡和气固相平衡。合成炉的散热、高效分离器操作控制及氯化氢解吸等是气相法工艺存在的技术难点。在表面改性方面，国际性大公司都是采用在线连续化干
新型陶瓷材料的应用与发展
新型陶瓷材料的应用与 发展 Company Document number：WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998
新型陶瓷材料的应用与发展摘要：本文首先简单介绍了传统陶瓷材料向现代新型陶瓷材料转变的过程，新型陶瓷材料克服了传统陶瓷本身内部的缺陷，故使其性能大大提高，扩大了应用领域。然后论述了新型陶瓷材料分为结构陶瓷和功能陶瓷，以及它们耐高温、生物相容性能、电磁性、质量轻等特性及各自的应用领域，重点讨论了新型陶瓷材料在航空航天、军事、生物工程、电子工业等的应用，最后简单说明了新型陶瓷材料的近况和发展趋势。 关键字：新型陶瓷材料应用发展 引言：在当今科技高度发展的工业社会,每一项工业化的成就都与材料科学、材料的制造及实际使用有着密不可分的关联,它使得某些新的科学设想、构思及生产过程得以实现。离开了材料科学与材料工业,世界上的许多科学创造和发明都是难以实现或达到的。陶瓷材料是继金属材料,非金属高分子材料之后人们所关注的无机非金属材料中最重要的一种，因为它同时兼有金属和高分子材料两者的共同优点,此外在不断的改性过程中,已使它的易碎裂的性能有了很大的改善。因此,它的应用领域和各类产品都有一个十分明显的提高。 1.传统陶瓷材料到新型陶瓷材料的演变 陶瓷一词(Ceramics) 来源于古希腊Keramos 一词,意为地球之神。传统的陶瓷材料含意很广泛,它主要指铝、硅的氮化物,碳化物,玻璃及硅酸盐类。虽然传统陶瓷具有一定的耐化学腐蚀特性和较高的电阻率、熔点高,可耐高温,硬度高,耐磨损,化学稳定性高,不腐蚀等优点。但它也存在着塑料变形能力差,易发生脆性破坏和不易加工成型等缺点,这些原因大大地限制了在工业的应用范围，特别是在机械工业上的应用。而在电器上的应用也主要局限在高压电瓷瓶及其绝缘体部件等少数几个方面。 为此人们开展对传统的陶瓷材料进行改性研究和有关材料的人工合成开发,现代合成技术已经能够通过物理蒸发溅射(Vapor processing) 溶液法(Aqueous precipitation) 溶胶—凝胶技术(Solgel-technology) 及其它先进技术改造传统陶瓷或人工合成极少缺陷的陶瓷材料,其中较为重要的有Si3N4 ,A12O3 等。合成的陶瓷材料与传统陶瓷材料相比，它的性能大大提高,与其它材料相比,在同样强度下这些材料具有良好的化学、热、机械及摩擦学(tribology)特性。它质轻,可以耐高温,硬度高,抗压强度有时超过金属及合金,具有较强的抗磨性和化学隋性、电及热的绝缘性都相当好,特别是由于采用纯净材料,消除了缺陷( eliminate-defects) , 它的易脆性( brittleness) 得到了极大的改善,因此其应用,特在现代机械业的应用日益广泛。目前巳有大量的新型陶瓷材料被用于工业高温抗磨器件、机械基础元器件,除此之外,电子及电信行业,生物医疗器件乃至于陶瓷记忆材料,超导陶瓷等应用都与新型陶瓷材料的研制与开发有关。 2.新型陶瓷材料特性与分类 新型陶瓷材料按照人们目前的习惯可分为两大类，即结构陶瓷（Structural ceramics）（或工程陶 瓷）和功能陶瓷（ Functional ceramics），将具有机械功能、热功能和部分化学功能的陶瓷列为结构陶瓷， 而将具有电、光、磁、化学和生物体特性，且具有相互转换功能的陶瓷列为功能陶瓷。随着科学技术的发展， 各种超为基数和符合技术的运用，材料性能和功能相互交叉渗透，确切分类已经逐渐模糊和淡化。根据现代科 学技术发展的需要，通过对材料结构性能的设计，新型陶瓷材料的各种特性得到了充分的体现。 3.新型陶瓷的应用与发展 新型陶瓷是新型无机非金属材料, 也称先进陶瓷、高性能陶瓷、高技术陶瓷、精细陶瓷, 为什么能得到高 速发展, 归纳起来有四方面原因：①具有优良的物理力学性能、高强、高硬、耐磨、耐腐蚀、耐高温、抗热震 而且在热、光、声、电、磁、化学、生物等方面具有卓越的功能, 某些性能远远超过现代优质合金和高分子材料, 因而登上新材料革命的主角地位, 满足现代科学技术和经济建设的需要。②其原料取于矿土或经合成而得, 蕴藏量十分丰富。③产品附加值相当高, 而且未来市场仍将持续扩展。④应用十分广泛, 几乎可以渗透到各 行各业。 应用领域 功能陶瓷主要在绝缘、电磁、介电以经济光学等方面得到广泛应用；结构陶瓷除了耐低膨胀、耐磨、耐腐 蚀外，还有重量轻、高弹性、低膨胀、电绝缘性等特性。因而在很多领域得到应用应该是以陶瓷燃气轮机为代 表的耐高温陶瓷部件陶瓷广泛用于道具及模具等耐磨零件，这方面的应用主要是利用陶瓷的高硬度、低磨耗 性、低摩擦系数等特性。另一方面，陶瓷材料具有其他材料所没有的高刚性、重量轻、耐蚀性等特性，从而被 有效地应用在精密测量仪器和精密机床等上面。另外，因为陶瓷材料具有很好的化学稳定性和耐腐蚀性，在生 物工程以及医疗等方面也得到广泛的应用。下面将分几方面来介绍新型陶瓷材料的应用领域。 1)航空航天材料:陶瓷基复合材料（Ceramic Matrix Composites） 当前耐高温材料已经成为航天先进材料中的由此岸优先发展方向，材料在高温下的应用对航天技术特别 是固体火箭等领域具有极其重要的推动作用。随着航空技术的发展气体涡轮机燃烧室中燃气的温度要求越来越高，并更紧密地依赖于高温材料的研究开发，而先进陶瓷及其陶瓷基复合材料具有耐高温、耐磨损、耐腐蚀质 量轻等优异性能，是最具有希望代替金属材料用于热端部件的候选材料[4]。为此世界各国开展对陶瓷发动机的 研究工作。美、欧、日等越来越多的人体涡轮机设计者们开始用陶瓷基复合材料来制作旋转件和固定件。当前 对高温结构陶瓷的研究主要集中于Sic、Si3N4、Al2O3和ZrO2等，尤其以Si3N4高温结构陶瓷最引人注目。这类 陶瓷的综合性能较突出，它们有良好的高温强度，已经在航空涡轮发动机等方面得到了应用，非常适用于制作
陶瓷化耐火硅橡胶材料的制备及其阻燃机理研究
陶瓷化耐火硅橡胶材料的制备及其阻燃机理研究硅橡胶（SR）是一种环保型高分子材料,完全燃烧生成SiO2和CO2,无有毒物质产生,不会对环境造成污染,在医学、材料、涂料等方面应用广泛。特别是硅橡胶本身优异的热稳定性,配合成瓷填料、助熔剂等可实现硅橡胶复合材料的陶瓷化。 作为一种新型的复合防火材料,陶瓷化硅橡胶在防火电缆领域具有广阔的市场前景。硅橡胶陶瓷化机制主要为高温燃烧时Si-O键会转变成连续、绝缘的网络状SiO2,助熔剂融化形成流动性液体填充在成瓷填料与 SiO2之间,起到连接性“桥梁”的作用,冷却后形成陶瓷结构,进而有效保护金属基材。 如何降低硅橡胶防火复合材料的陶瓷化温度,提高陶瓷化转化率和陶瓷化强度,是陶瓷化硅橡胶材料研究中亟待解决的重要问题。本文合成了热稳定性好、阻燃性能优良的聚磷腈微球（PZS）并以此为载体,成功将铂负载于聚磷腈微球的表面（Pt/PZS）,并将其与成瓷填料共用,探索催化成炭剂的有效负载、陶瓷化耐火硅橡胶材料的阻燃耐火机制及催化机理,力求提高硅橡胶复合材料的耐火性能与陶瓷化性能。 具体研究内容如下:首先采用六氯环三磷腈（HCCP）和4,4-二羟基二苯砜（BPS）为反应单体,合成了一种不熔不溶且具有高度交联结构的聚磷腈微球（PZS）,并以PZS微球为载体成功将纳米金属铂粒子（Pt）负载在其表面。通过红外（FTIR）测试、X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）以及热重分析（TG）探究了Pt粒子晶型结构以及阻燃剂的微观形貌和热稳定性能。 分析结果表明:金属Pt粒子均匀负载在PZS表面,粒子大小约为6 nm。Pt/PZS
激光束表面改性技术
激光束表面改性技术 摘要：激光束表面改性技术在改善材料表面性能,提高材料使用寿命方面具有突出的优越性。它作用于材料表面使得材料的表面性能得到了明显的提高，随着研究的深入和技术的逐渐成熟，表面改性技术在工业领域中的应用越来广泛，目前进行材料表面改性的工艺有激光相变硬化、激光熔覆、激光合金化、激光非晶化、激光冲击硬化，本文就其工艺方法进行了综述。 一、引言 激光表面处理技术的研究始于20世纪60年代，但是直到20世纪70年代初研制出大功率激光器之后，激光表面处理技术才获得实际的应用。它是将现代物理学、化学、计算机、材料科学、先进制造技术等多方面的成果和知识结合起来的高新技术，用激光的高辐射亮度，高方向性，高单色性特点，以非接触性的方式加热材料表面，借助于材料表面本身传导冷却, 使金属材料表面在瞬间被加热或熔化后高速冷却，来实现其表面改性的工艺方法。 二、激光相变硬化 激光表面相变硬化又称激光淬火，它是以104～105W/cm2高能功率密度的激光束作用在工件表面，以105～106℃/s的加热速度，使受激光束作用的工件表面部位温度迅速上升到相变点以上，形成奥氏体，并通过仍处于冷却态的基体与加热区之间形成的极高的温度梯度的热传导，一旦激光停止照射，则以105℃/s的速度冷却，实现自冷淬火，形成表面相变硬化层。 三、激光熔覆 激光熔覆是采用激光束加热熔覆材料和基材表面，使所需的特殊材料熔焊于工件表面的一种新型表面改性技术。这项技术始于1974年, Gnanamuthu申请了激光熔覆一层金属于金属基体的熔覆方法专利[3]。经过二十几年的发展, 激光熔覆已成为材料表面工程领域的前沿和热门课题。影响激光熔覆的因素主要有熔覆材料的原始成分、基体材料成分、熔覆的工艺参数。激光熔覆技术示意图见图1 1.短型光束或高斯型光束 2.气动送粉 3.测量孔 4.振动器 5.粉末漏斗箱 6.二氧化碳气体激光束高频振动7样品运动 8.样品9.熔覆厚度10.熔覆层 图1激光熔覆技术示意图
陶瓷表面改性技术
11.4 陶瓷表面改性技术 11.4.1 传统陶瓷表面改性技术 11.4.2 特种陶瓷表面改性技术 习题与思考题 参考文献 2.1 表面涂层法 2.1.1 热喷涂法 2.1.2 冷喷涂法 2.1.3 溶胶凝胶涂层 2.1.4 多弧离子镀技术 2.2 离子渗氮技术 2.2.1 离子渗氮的理论 2.2.2 离子渗氮技术的主要特点 2.2.3 离子渗氮的设备和工艺 2.2.4 技术应用 2.3 阳极氧化 2.3.1 铝和铝合金的阳极氧化 2.3.2 铝和铝合金的特种阳极氧化 2.3.3 铝和铝合金阳极氧化后的封闭处理 2.3.4 阳极氧化的应用 2.4 气相沉积法 2.4.1 化学气相沉积 2.4.2 物理气相沉积法 2.5 离子束溅射沉积技术 2.5.1 离子源 2.5.2 技术方法 2.5.3 应用 11.4.2 特种陶瓷表面改性技术 3.1 离子注入技术 3.1.1 离子注入技术原理 3.1.2 金属蒸气真空离子源(MEVVA)技术 3.1.3 离子注入对陶瓷材料表面力学性能的影响 3.2 等离子体技术 3.2.1 脉冲等离子体技术 3.2.2 等离子体辅助化学气相沉积
3.2.3 双层辉光等离子体表面合金化3.3 激光技术 3.3.1 激光表面处理技术的原理及特点3.3.2 激光表面合金化 3.3.3 激光化学气相沉积 3.3.4 准分子激光照射技术 3.4 离子束辅助沉积 3.4.1 基本原理 3.4.2 IBAD设备简介 3.4.3 IBAD工艺类型与特点 3.4.4 IBAD过程的影响因素 3.4.5 IBAD技术的应用 参考文献 4 传统陶瓷的表面装饰及改性 4.1 陶瓷表面的抗菌自洁性能 4.1.1 抗菌剂种类及其抗菌机理 4.1.2 抗菌釉的制备方法 4.1.3 影响表面抗菌性能的因素 4.2 陶瓷墙地砖的表面玻化 4.2.1 低温快烧玻化砖 4.2.2 陶瓷砖复合微晶化表面改性 4.2.3 陶瓷砖的表面渗花 4.2.4 抛光砖的表面防污性能 4.3 陶瓷砖的表面微晶化 4.3.1 微晶玻璃的概念 4.3.2 微晶玻璃的特性 4.3.3 微晶玻璃的应用 4.3.4 微晶玻璃的制备与玻璃析晶 4.3.5 主要的微晶玻璃系统 4.3.6 基础玻璃热处理过程 4.3.7 晶核剂的作用机理 4.3.8 微晶玻璃与陶瓷基板的结合性4.4 陶瓷表面的金属化 4.4.1 沉积法 4.4.2 烧结法 4.4.3 喷涂金属化法 4.4.4 被银法（Pd法） 4.4.5 化学镀实现陶瓷微粒表面金属化
材料表面改性方法
材料表面改性方法 材料表面改性是指不改变材料整体（基体）特性，仅改变材料近表面层的物理、化学特性的表面处理手段，材料表面改性也可以称为材料表面强化处理。 现代材料表面改性目的：是把材料表面与基体看作为一个统一的系统进行设计与改性，以最经济、最有效的方法改变材料近表面层的形态、化学成份和组织结构，赋予新的复合性能，以新型的功能，实现新的工程应用。现代材料表面改性技术就是应用物理、化学、电子学、机械学、材料学的知识,对产品或材料进行处理，赋予材料表面减磨、耐磨、耐蚀、耐热、隔热、抗氧化、防辐射以及声光电磁热等特殊功能的技术。 分类： 1、传统的表面改性技术： 表面热处理：通过对钢件表面的加热、冷却而改变表层力学性能的金属热处理工艺。表面淬火是表面热处理的主要内容，其目的是获得高硬度的表面层和有利的内应力分布，以提高工件的耐磨性能和抗疲劳性能。 表面渗碳：面渗碳处理:将含碳(0.1~0.25)的钢放到碳势高的环境介质中,通过让活性高的碳原子扩散到钢的内部,形成一定厚度的碳含量较高的渗碳层,再经过淬火\回火,使工件的表面层得到碳含量高的M,而心部因碳含量保持原始浓度而得到碳含量低的M,M的硬度主要与其碳含量有关,故经渗碳处理和后续热处理可使工件获得外硬内韧的性能. 2、60年代以来：传统的淬火已由火焰加热发展为高频加热 高频加热设备是采用磁场感应涡流加热原理，利用电流通过线圈产生磁场，当磁场内磁力线通过金属材质时，使锅炉体本身自行高速发热，然后再加热物质，并且能在短时间内达到令人满意的温度。 3、70年代以来： 化学镀：是指在不用外加电流的情况下,在同一溶液中使用还原剂使金属离子在具有催化活性的表面上沉积出金属镀层的方法。 4、近30年来： 热喷涂：热喷涂是指一系列过程，在这些过程中，细微而分散的金属或非金属的涂层材料，以一种熔化或半熔化状态，沉积到一种经过制备
功能陶瓷材料总复习题
功能陶瓷材料总复习 绪论 什么是功能陶瓷？常见的功能陶瓷的分类、特性与用途。 1定义：指具有电、磁、光、声、超导、化学、生物等特性，且具有相互转化功能的一类陶瓷。 2、分类：电容器陶瓷、压电、铁电陶瓷、敏感陶瓷、磁性陶瓷、导电、超导陶瓷、生物与抗菌陶瓷、发光与红外辐射陶瓷、多孔陶瓷。 3、特性：性能稳定性高、可靠性好、资源丰富、成本低、易于多功能转化和集成化等 4用途：在自动控制、仪器仪表、电子、通讯、能源、交通、冶金、化工、精密机械、航空航天、国防等部门均发挥着重要作用。举例：电容器陶瓷、谐振器元器件基材料、压电式动态力传感器、压电式振动加速度传感器。 介电陶瓷 以感应的方式对外电场作出响应，即沿着电场方向产生电偶极矩或电偶极矩的改变，这类材料称为电介质 各种极化机制以及频率围。 极化机制：电子极化、离子极化、偶极子极化、空间电荷极化 频率围： 铁电体， 晶体在某温度围具有自发极化Ps,且自发极化Ps的方向能随外电场而取向，称为铁电体。 材料的这种性质称为铁电性。 电畴：铁电体中自发极化方向一致的微小区域 铁电体的特性:铁电体特性包括电滞回线Hysteresis loop、电畴Domains、居里点Tc及居 里点附近的临界特性。 电滞回线：铁电体的P滞后于外电场E而变化的轨迹（如图
居里点Tc:顺电相T铁电相的转变温度 T>Tc 顺电相T
陶瓷填料改性PICA复合材料的研制及性能表征
陶瓷填料改性PICA复合材料的研制及性能表征与近地轨道速度再入的航天飞行器相比,深空探测与载人登月返回舱以第二宇宙速度再入大气层时会经受更严重的气动加热,对热防护材料的性能提出了更高的要求。轻质炭化材料是未来深空探测及载人航天返回舱热防护结构的关键材料,新型PICA复合材料(Phenolic impregnated carbon ablator)是其中的典型代表。 虽然PICA满足了高超声速飞行器热防护轻质与隔热的需求,但其抗烧蚀性能及热防护效率亟待提高。利用碳纤维针刺毡和硼改性酚醛树脂,采用真空浸渍法制备了 PICA,并通过性能表征对其制备工艺进行了优化,确定了 PICA制备的技术途径。 通过非等温DSC法及正交试验优化了 PICA的固化工艺;以层间剪切强度为评估指标确定了碳纤维针刺毡的表面处理工艺;研究了碳纤维针刺毡密度及浸渍剂浓度对材料最终密度、压缩强度及导热系数的影响。结果表明:固化升温速率对材料压缩强度影响较大,单纯依靠非等温DSC法和外推法不能得到最优的固化温度,PICA最优固化工艺为120℃ 1h+ 170℃ 1h,固化升温速率为1℃/min,此时PICA的压缩强度最高;在常温下,采用浓硝酸对碳纤维针刺毡进行表面处理时,随着处理时间的增加,PICA的层间剪切强度呈现先增后减的趋势,其中处理时间为2h时,PICA的层间剪切强度最高;随着碳纤维针刺毡密度的增加,PICA材料密度和常温导热系数线性增加,压缩强度大幅提高;随着浸渍剂浓度的提高,PICA 材料密度线性增加,压缩强度明显提高,但常温导热系数降低。 为了提高PICA的抗烧蚀性能及其热防护效率,提出了陶瓷化自适应环境技术,探索了多种陶瓷填料对PICA性能的影响规律。利用ZrC、ZrB2、SiC陶瓷填
纳米陶瓷材料
纳米陶瓷原理与应用 利用纳米技术开发的纳米陶瓷材料是利用纳米粉体对现有陶瓷进行改性，通过往陶瓷中加入或生成纳米级颗粒、晶须、晶片纤维等，使晶粒、晶界以及 他们之间的结合都达到纳米水平，使材料的强度、韧性和超塑性大幅度提高。 纳米陶瓷是由纳米陶瓷粉体烧结而成。纳米陶瓷粉体是介于固体与分子 之间的具有纳米数量级( 1~ 100 nm) 尺寸的亚稳态中间物质。随着粉体的超细化, 其表面电子结构和晶体结构发生变化,产生了块状材料所不具有的特 殊效应。具体地说纳米粉体材料具有以下的优良性能。 1.极小的粒径、大的比表面积和高的化学性能, 可以显著降低材料的烧结致密化程度、节约能源。 2.使陶瓷材料的组成结构致密化、均匀化, 改善陶瓷材料的性能, 提 高其使用可靠性。 3.可以从纳米材料的结构层次( 1~ 100 nm)上控制材料的成分和结构, 有利于充分发挥陶瓷材料的潜在性能。 另外, 陶瓷粉料的颗粒大小决定了陶瓷材料的微观结构和宏观性能。如 果粉料的颗粒堆积均匀,烧结收缩一致且晶粒均匀长大, 那么颗粒越小产生的缺陷越小, 所制备材料的强度就相应越高, 这就可能出现一些大颗粒材料所不具 备的独特性能。 纳米陶瓷具有的独特性能, 如做外墙用的建筑陶瓷材料则具有自清洁和防雾功能。纳米陶瓷具有广谱吸波效果, 不仅能吸收和反射红外光, 还能吸 收高频雷达波和屏蔽通讯波段的电磁波。纳米陶瓷的红外反射率可 达0. 3~ 0. 95 范围, 根据需要广范围可调, 其对高频电磁波的吸收 波率和透波特性也广范围可调, 不仅可用于军工攻防武器装置和重要军事设施, 还可用于高层建筑及医院外墙涂料的大面积电磁波屏蔽材料。纳米陶瓷发光材料, 尤其是长余辉发光材料, 涂在室外墙体上, 可在天黑后持续发光十小时
高能粒子束表面改性技术研究与发展
高能粒子束表面改性技术研究与发展 昆明理工大学材料111班解开书 【摘要】主要叙述了高能粒子束表面改性技术中的离子束表面改性技术的基本原理、工艺特点、发展趋势及其存在的问题和解决途径。 关键词：高能粒子束；表面改性；研究与进展 前言 高能粒子束表面改性是通过高能量密度的束流改变材料表面的成分或组织结构的表面处理技术。由于高能粒子束的功率密度可以达到108W/cm2以上，甚至可超过109W/cm2，因此在极短的作用周期下，材料表面就能达到其他表面技术所无法达到的效果。高能粒子束表面改性技术具备以下一些特点： （1）能量密度可以在很大范围内进行调节，并可精确控制； （2）高能粒子束表面改性技术可以方便地与传统的表面改性技术结合起来，从而弥补甚至消除各自的局限性； （3）利用高能粒子束可以对材料表面进行超高速加热和超高速冷却，其冷却速度可达104℃/S，从而实现新型超细、超薄、超纯材料的合成和金属复合材料的制备。 1高能离子束表面改性技术的研究及其应用 1.1 离子束表面改性研究现状 20世纪70年代中期，离子注入技术进入到半导体材料的表面改性，采用离子注入精细掺杂取代热扩散工艺，使半导体从单个晶体管加工发展为平面集成电路加工。20世纪80年代初，离子束混合的出现，对离子束冶金学的发展做出了巨大的贡献。80年代中期，金属 蒸发真空弧离子源（M EV VA）和其他金属离子源的问世，为离子束材料改性提供了强金属离子束。与此同时，为克服注入层浅的问题，开始研究离子束辅助沉积技术（IBAD），又称离子束增强沉积技术（IBED）。20世纪末发展起来的称为“等离子体注入”技术（PSII-PIasm a Source Ion Implantation）克服了常规注入的缺点，可对成批工件同时进行全方位的离子注入而引起人们的关注，由于工件是直接“浸泡”在被注入元素的等离子体内，也有人称之为“等离子体浸没离子注入”（PI II-Plasma Source Ion Implantation）。PSII技术发 展很快，该技术的奠基人之一CONRAD J R已取得大量基础研究和应用成果。 自20世纪70年代以来，许多国家对离子注入材料改性的研究和应用都给予了相当的重视，一些大学、科研机构和公司都相继成立了专门从事这方面工作的研究中心或实验室，如美国的斯坦福大学，英国的哈威尔原子能研究中心以及日本的RIK EN物理化学研究所等。我国离子注入改性技术的研究，早期也和国外一样主要集中在半导体的研究和应用方面，从20世纪70年代至今逐渐把该技术应用于其他领域，特别是在优化材料表面的摩擦学特性方面的研究和应用得到了不断发展。目前，除了北京师范大学、清华大学、四川联合大学原子能研究所、中国原子能研究所等有专门的研究中心外，还在上海冶金研究所建立了中国科学院离子束开放实验室，在大连理工大学建立了国家激光束、电子束、离子束开放研究室。但是由于高性能离子束装置的研制和建立都比较缓慢，因而，无论在基础研究或应用方面与国外相比都还存在一定的差距。