石墨烯陶瓷材料的韧化Toughening in Graphene Ceramic Composites
石墨烯陶瓷材料的韧化
Toughening in Graphene Ceramic Composites
摘要：对于石墨烯纳米复合材料的大部分工作集中于聚合物基质上。我们在这里报告,第一次使用石墨烯增强韧大块氮化硅陶瓷。陶瓷是适用于高温场合的理想材料，但是其韧性非常差。我们使用石墨烯片晶的方法是：与氮化硅粒子均匀分散，并且使其致密，在1650℃，使用火花等离子体烧结。使石墨烯片晶在苛刻的加工条件下能够生存的烧结参数的选择，通过拉曼光谱确定。在石墨烯片晶体积分数为1.5%，我们发现陶瓷的断裂韧度增加到235%。最有趣的是,新颖的增韧机制观察表明,石墨烯片晶裹住和个别陶瓷颗粒周围锚泊去抵制片被拉出来。由此产生的笼状石墨烯结构，封装的单个颗粒被观察到裂纹偏转传播不是在二维而是在三位层面上（石墨烯产生的分子结构，缩短了单个颗粒被观察到裂纹偏转传播不是二维而是三维）。
具有比表面积大，高宽比的二维表几何形状，和优异的机械性能的组合的石墨烯，展示了其作为纳米填充复合材料的巨大潜力。一些以聚合物基体为基础的研究已经表明，石墨烯填料，可显着提高（改善）聚合物的力学性能，在相对较低的纳米填料负载。然而，据我们所知，迄今没有报告使用石墨烯添加剂，来提高散装（bulk)陶瓷的机械性能。结构陶瓷在高温方面的应用变得越来越相关。特别的，氮化硅（Si3N4）是一种高温耐磨陶瓷（可达1500℃），也被认为是最稳定的结构陶瓷，由于形成了环环相扣的，用细长的β-Si3N4的晶粒增强了
α-Si3N4的微观结构。这个自增强微观结构导致高抗断裂，是由于β-Si3N4晶粒，并且导致硬度高是由于α-Si3N4晶粒基体。Si3N4之所以被认为是结构陶瓷的领军，主要原因是它能使高硬度和韧性在同一混合材料中结合，以及其能在微光结构上调整各自的属性。然而，氮化硅在许多耐高温材料中没有得到广泛应用，是由于与金属相比其整体韧性较低。
传统的陶瓷基复合材料（CMCS）使用一维纤维作为增强相，如碳纤维或碳纳米管和陶瓷晶须。据我们所知，目前还没有报告显示，传统的陶瓷基复合材料与石墨烯加工（反应）能够增强（提高）机械性能。与石墨烯反应能增强大宗陶瓷复合材料已经被限制的一个主要原因是，在高温下，石墨烯的热稳定性受到限制。在温度大于1000℃时，陶瓷开始致密并烧结，氮化硅通常是在1800℃烧结，因此它具有挑战性的纳入在温度超过600℃时，具有低的热稳定性的石墨烯。为了确定石墨烯在氮化硅韧性方面的真实效果，同时减少β-Si3N4晶粒在韧性方面的影响，我们选择控制微光结构基体，使用纯度约为100%的α-Si3N4（等轴晶粒）。我们应用放电等离子体烧结（SPS）技术，与传统的烧结方法相比，降低温度的时间从几小时变到几分钟，从而精确控制了α-Si3N4向β-Si3N4的转变，也限制了石墨烯片晶因热致结构的损坏，避免了长时间在高温下反应。
结果与讨论
为了获得均匀致密的纳米材料的微观结构，我们使用了胶体加工的方
法，即在水悬浮液体系中制备均匀分散的粒子。高度分散的纳米复合浆料GPL/Si3N4，使用0.02，0.5，1.0，和1.5vol％的石墨烯（总固体的基础上），使用在我们以前的工作基础上的方法制备单壁碳纳米管（单壁碳纳米管）-Si3N4陶瓷复合材料。在这项研究中，大量使用的石墨烯片晶是由氧化石墨的快速热膨胀产生的。片晶由平均3-4个石墨烯片组成的，其厚度小于2nm。元素分析表明在石墨烯片晶中碳氧比为9.1：1，这证实，大多数的含氧基团被驱逐了由于热冲击。图1，a,b显示了作为生产的GPL的典型的扫描电子显微镜（SEM）照片。在图1a可以看出，在胶体反应之前，GPL是团聚状态。在图1b 中，更高的分辨率的SEM图像显示小部分分离出来的石墨烯薄片的闪光表面（皱面）。
我们先前的研究显示，单壁碳纳米管使用阳离子表面活性剂分离，十六烷基三甲基溴化铵（CTAB），因为疏水性单壁碳纳米管被有疏水尾的表面活性剂所吸收，导致单壁碳纳米管被带正电荷的表面活性剂分子所覆盖。（我们作为分散剂用于这项研究的CTAB，使GPLS整个分散）假设在碳原子表面，化学性质与单壁碳纳米管相似，我们在此项研究中使用CTAB作为整个过程的分散剂。表面活性剂的使用量是基于其干重而定的，并且在溶度高于临界胶束浓度下被使用。我们使用1%CTBA到GPLS中，1%CTBA到氮化硅粉末中，为了复合材料彼此两相之间产生电荷的静电斥力。这种静电斥力被开发是由于净电荷来自石墨烯片晶和氮化硅颗粒上的表面活性剂分子的积极成分。图1中c和d显示了GPL和氮化硅粉末混合后在水胶体处理过的SEM
图像。图1c中显示了GPLS被均匀分散的氮化硅颗粒相互分开。更高分辨率的图像，图1d中显示了一个用单个氮化硅颗粒装饰的GPL,也被包裹在GPL内。
SPS是一个相对较新的高温粉末固结法，已经成功地用于制备，完全致密陶瓷，纳米陶瓷，并且与碳纳米管增强陶瓷纳米复合材料。使用SPS方法制备的致密陶瓷的优点是：（1）快速升温速率（高达600C /分钟）；（2）可同时施加压力（60?120兆帕）。SPS施加压力的同时，让快速的脉冲电流通过一个包含被致密的陶瓷粉末的石墨芯片（模具）。在脉冲电流和施加压力的协助下以及依靠蠕变及相关基质进行致密，而不像传统的烧结方法，它涉及在高温下跨晶界扩散和大规模的材料传输，需要很长一段时间。在这项研究中，在精确控制微观结构基体和时间限制，已尽量减少在高温和高压下对GPL结构损伤的可能性的情况下，使用SPS去致密化我们的纳米复合粉体。这种用于SPS操作规范以及纳米复合材料和石墨烯的制备，将在材料和方法部分被提及。
表1显示sps的升温速率、定温时间、保温时间（time at temperature, hold time）、理论密度百分比（%TD），并为整块氮化硅而提取的最终材料组成。这个初步致密调查的目的是为了确定SPS 参数，将导致生成近100%的α-Si3N4，同时在尽可能低的温度以及这个温度下的最短时间的情况下，保持高的密度。图2a显示了烧结温度从1500到1700℃，在2分钟和5分钟的两种不同的保温时间下单片氮化硅的密度曲线图。保温时间为5分钟的密度曲线显示：从1500到
1600℃，密度随着温度的升高而升高（99.5%），并在温度从1600到1700℃时，密度保持相对稳定（99.0%）。保温时间为2分钟的密度曲线显示：当使用较短的保温时间时（保持加热速率不变），温度对致密化的影响是非常显著的，温度在1650时其密度就达到了100%。图2b 显示了通过SPS制备的高密度单片部分在1650℃烧结，保温2分钟期间测得的，收缩位移曲线以及加热轮廓曲线。位移曲线显示：收缩位移随着温度升高到1650℃而增加，表现了理想的致密化行为。图2c 显示了：单片在不同温度及不同保温时间模式下的X-射线衍射图。具体来说，在温度为1650℃下烧结，并仅保温2分钟的单片的X-射线谱，可以确认，SPS可以用来定制含100%α-Si3N4的同时可以获得高密度的微观结构基体。微光结构基体的准确和可靠地控制是很重要的，因为我们想要去探讨GPL在均匀分散的等轴晶粒的微观结构基体中作为加固（增强）结构的影响。在1500、1600、1700℃下烧结，并保温5分钟单片的X-射线谱也展示了图2c以及列于表1中的各相的百分比。正如预料的那样，相含量随着烧结温度的升高，形成从100%α-Si3N4 向β-Si3N4过度。
图3a、b显示了100%α-Si3N4的同一试样的两个不同的断口的SEM 图像。晶粒尺寸估计为500nm,并且晶粒均匀遍及断口表面。图3c,d 显示了相同的体积分数为1%GPL-Si3N4纳米复合材料的两个不同断口表面的SEM图像。图3c是分辨率较低的图像显示了α-Si3N4晶粒基体的微观结构。它也表明GPL均匀分散在整个纳米复合材料中（正如图中白色小箭头直接所指的）。在这个区域的这种特定的图像（图3c），
是由于贯穿大量试样的大裂纹和在图像中心的GPL之间的相互作用的结果。首先，我们看到的GPL是凸出的断裂面，并且它是一个大的沿着基体的晶界运行的片晶。长期连续的石墨烯片晶并没有出现在平面来转移（偏转）裂纹扩展路径。然而，裂纹既没有穿透也没有击穿通过石墨烯片晶。因此，我们认为，裂纹在GPL处被阻止，并且改变方向（即进行面外偏转）。如此看来，GPLS（被固定在晶界的）从改变在传统二维空间的扩展路径来阻止裂纹，并迫使这些裂纹在三维空间传播。这种断裂抵制机制迄今尚未在传统的CMC体系中报道。图3d 是一个相同纳米复合材料的不同地方的断口表面的SEM图像，并且展示了GPL是如何在微观结构的基体晶界中牢固固定的。这个图像也描述了小的GPL分散在整个纳米复合材料的微观结构中（在图中直接用小的白色箭头指出）。与图3b中载体相比较，纳米复合材料的微观结构是少棱角，似乎表现出了较少的脆性断裂微观结构。
图3e,f显示体积分数为1.5%GPL-Si3N4纳米复合材料，同一断口表面的SEM图像。大部分断口表面与体积分数为1.0%GPL-Si3N4纳米复合材料相似。在低倍镜下，我们可以清楚的看出断裂表面的被拉出的石墨烯薄片，并且在其他区域，他们制造了一个单层（或尽可能少的层）石墨烯的遮蔽物（包裹物），裹住在断口表面上（左上角），乍眼一看，使得我们很难去区分它们。高分辨率的SEM图像图3f说明，石墨烯薄片的墙沿着基体的晶界。传统的纤维增强陶瓷增韧机理，如纤维拉出，通常在大部分CMCS的断口表面被观察到。对于我们的系统，我们观察到石墨烯薄片的拉出也是被夹着和包裹着周围的基质
晶粒。我们预计，拉出一个薄片所需的能量是很大的比纤维的，由于包裹薄片周围的基质晶界和基体的接触面积增加。为了研究石墨烯含量对陶瓷韧性的影响，我们用显微硬度测试，以诱导径向开裂的缩进边角（角落）。然后测量这些裂纹的长度，通过使用Anstis方程（公式1）来计算韧性值。这个公式使用测量硬度（H），应用负载（P)，模量（E= 300GPa时，如氮化硅以前测量),裂纹长度(co),一个在脆性陶瓷中产生径向裂纹的维氏常数来计算韧性值。
被测量的维氏硬度数（H)，以及用9.8N的应用负载，来计算韧性值，为了避免形成径向裂纹。用来创建重复的径向裂纹的98N的应用负载，被用来测量裂纹值，运用于公式1中。微压痕裂缝技术的优点是：在使用传统的ASTM方法测试中，与加工大规模所需的试样相比需要石墨烯的量相对较少。注意，微压痕并不是一普通的方法，为所有类别的陶瓷给出了准确的结果，他已经明确大的被证明是氮化硅，微压痕技术给出了可靠地结果。在这项研究中，我们已经使用这个方法，在比较的基础上，去证明GPL的添加对氮化硅纳米复合材料断裂韧性的影响。
图4a显示了一个具体代表性的体积分数为1.0%的GPL-Si3N4纳米复合材料的微硬度的压痕（缩进）。缩进的区域大约为150平方微米，
并且被创建使用196N的应用负载。图4a,b显示了为硬度诱导径向裂纹的高倍率图像。图4a显示裂纹偏转导致了一个分支裂纹结构。在裂纹探测（图4a,b)中，人们可以看到，薄片拉出和石墨烯薄片正在弥合裂痕的直接证据，这些在图像中都被直接标记着。图4a也显示了两个区域内的裂纹，看起来GPLS是缩颈到一个较小的截面积内的裂缝之后。图4c显示了体积分数为1.0%的GPL-Si3N4纳米复合材料的大部分断口表面。GPL在图像中心是向外凸出的表面，以及如下基体晶界形成的轮廓。这个断口表面再次说明了GPL的能力，以阻止裂纹在平面的传播，从而迫使其爬过石墨烯薄片的墙壁。如此的一个断口表面对于陶瓷来说是意想不到的，并表明二维的GPL促进了三维裂纹的偏转。
图5a是为GPL-Si3N4纳米复合材料计算韧性值的一个曲线图，显示了一个GPL含量的函数，从体积分数为0,0.02,0.5,1.0，1.5的GPL。该图显示了随着GPL的含量从2.8到6.6MPa.m1/2增加，系统的韧性增加。韧性增加超过了岩石，更是高达235%（即，体积分数为1.5%的GPL-Si3N4纳米复合材料的韧性增加了三倍超过了整体柱。在添加同一填料体积分数的添加剂时，GPL性能是优于单壁碳纳米管（单壁碳纳米管）。例如，在23文献中，我们报道了韧性断裂为4.71MPa.m1/2，是单壁碳纳米管氮化硅的复合材料，那是显著低于在这里为GPL报道的价值（5.8MPa.m1/2）。断口形貌分析（图3和图4）表明了存在多种GPL增韧机制，包括片包裹（环绕），片拉出，二维和三维裂纹偏转，以及裂纹桥接。图2总结了每个纳米复合材料（体积分数为
0,0.02,0.5,1.0,1.5的GPL-Si3N4）和均在1650℃烧结（保温2分钟）的整体柱的密度，理论密度，硬度以及韧性值。
拉曼光谱研究也被用于去确认在图3和图4中观察的片状结构是GPL。图5b显示了生产石墨烯、氮化硅（烧结后）、体积分数为0.02,0.5,1.0,1.5的GPL-Si3N4纳米复合材料（烧结后）的个体的拉曼光谱的集合。接受到的石墨烯显示两个明显的峰在1317cm-1（D带）和1582cm-1（G带）；注意到在2624cm-1的G'峰是不存在的，这也就是典型的多层片或者石墨烯片的配置。在石墨烯体积分数为0.02%的陶瓷中，拉曼标记SPS之后，显示了一个新的高峰为G'（或者2D带）在2624cm-1。这表明将多层石墨烯片细化成了少层或可能的双层石墨烯。因此，与SPS相关的高温和高压可以将石墨烯结构从多层的转化成少层的石墨烯。然而，随着我们石墨烯含量体积分数从0.02到1.0和1.5%增加，G'峰的强度减弱，表明在较高的负载分数下，石墨烯片晶不在被有效的减薄。另一个有趣的现象是，拉曼标记的体积分数为0.5%的GPL复合材料显示在G和G'没有峰。相反，一个新的高峰在1332cm-1出现相对应的菱形晶体。显然，进一步的调查是必要的，去了解放电等离子烧结对GPL的变薄和GPL可能向纳米金刚石转变的影响。(即，同步压力下的脉冲直流）
结论
总之，我们使用水溶液胶体处理方法，去获得均匀分散的GPL 和陶瓷颗粒在使用SPS致密化之前。在1650℃致密化之后，我们使
用拉曼光谱发现了直接证据在纳米复合材料中有石墨烯。唯一的例外是体积分数为0.5%的石墨烯，在这种情况下，我们发现石墨烯可能转变成纳米金刚石相。在低含量（0.02vol%GPL），我们使用SPS将GPL 转化成较薄的双层或少层的石墨烯片。我们测量仅使用1.5%vol石墨烯填料的纳米复合材料的韧性比整体柱增长235%。调整SPS的参数，以确保我们保持所有样品相同微观结构基体的相组成以及高密度（100％的α-Si3N4以及TD>99％）。最有趣的是，我们在纳米复合材料的断口表面观察到了一些意想不到的增韧机制。GPLS出现在基体晶粒固定和包裹下，结果导致一个沿着晶界连续的石墨烯墙形成了，阻止裂纹在二维传播而是在三维，以继续通过材料（物质）传播。这种在陶瓷中断裂行为的研究迄今尚未报道。石墨烯纳米填充加固使用来提高一系列的陶瓷材料的韧性具有很大的潜力，使它们在高性能结构的应用中被广泛使用。
有机功能化石墨烯的制备及其应用
有机功能化石墨烯的制备及其应用 张丽园1，2 ，姚 远 2 （1.蚌埠学院应用化学与环境工程系，安徽蚌埠233000； 2.合肥工业大学化工学院，合肥230009） 摘要：石墨烯是一种新型的二维平面纳米材料，其所具有的单原子层结构使它拥有许多新奇的特性，从2004年被发现以来，引起了科学界的高度重视，目前已成为了材料学、物理学、化学等学科领域的研究热点。然而由于石墨烯易于团聚堆积成石墨，不能均匀的分散在基体中，这很大程度上限制了它的应用。为了将石墨烯与其它物质有效复合，充分发挥其在电子学、生物医学、催化、传感器、储能等领域的优良特性，对其进行功能化改性是有效的方法之一。着重介绍了石墨烯有机功能化制备方法及其应用的最新研究进展，并对石墨烯的功能化发展方向进行了展望。 关键词：石墨烯；氧化石墨；有机功能化；表面改性 中图分类号：O6－1文献标志码：A 文章编号：1671－380X （2012）08－0016－05Preparation and Application of Organo －Functionalized Graphene ZHANG Li －yuan 1，2 ，YAO Yuan 2 （1.Department of Chemistry and Environmental Engineering ，Bengbu College ，Bengbu 233000，China ； 2.School of Chemical Engineering Hefei University of Technology ，Hefei 230009，China ） Abstract ：Graphene is a novel two －dimensional nanomaterial with a flat monolayer of carbon atoms structure ，which has contributed to its unique features.Since it had been discovered in 2004，the graphene has attracted a great deal of attention worldwide in the sciences ，and became the focus of the researches all over the world.How-ever ，the structure of the graphene has lots of limitations in the applications in compounding with other materials ，and restricted its wide usage.To materialize the prospect applications as much as possible in the field of electron-ics ，biomedicine ，catalysis ，sensors ，energy storage etc.The key is to ograno －functionalized graphene in a con-trolled way.This paper emphasized on some common preparations and the applications of organo －functionalized graphene.Besides ，the developing trend of organo －functionalizing of graphene was forecasted.Key words ：Graphene ；Graphene Oxide ；Organic Functionalize ；Surface Modification 1 引言 石墨烯是一种新型的具有单原子层结构的二维 平面纳米材料，从2004年被发现以来，引起了科学界的高度重视，目前已成为了材料学、物理学、 化学等学科领域的研究热点［1］ 。其独特的二维蜂窝状晶格结构，使其拥有许多新奇的特性，如：较高的杨氏模量（ 1100GPa ）、载流子迁移率（2?105cm 2/（V ·s ））、热导率（ 5000J /（m ·K ·s ））和比表面积（理论值2630m 2/g ），还具有分数量子霍尔效应、量子霍尔铁磁性和激子带隙等 现象 ［2］ ，这些特性使得石墨烯在纳米电子学、纳 米复合物、氢气超级电容器等领域有着广泛潜在的 应用［3］ ；其特有的单原子层结构和较大的表面积 的特性还可使其在生物医学方面得到应用［4］ 。然而理想石墨烯易团聚堆积成石墨形态，并不利于与 其它物质进行复合，使其的应用受到了大幅限制。为了解决这个问题，石墨烯的有机功能化改性是非常有效的方法，极大地拓展了石墨烯的应用领域。基于材料化学的角度，对石墨烯的表面有机改性及其应用等方面进行简要的综述。 · 61·第34卷第8期2012年8月宜春学院学报 Journal of Yichun College Vol.34，No.8Aug.2012 * 收稿日期：2012－05－31 基金项目：安徽省高等学校自然科学基金（KJ2009B212Z ）。 作者简介：张丽园（1980－），男，安徽凤阳人，博士生，主要从事绿色化学和材料学研究。
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[。
石墨烯改性
综合实践论文 题目：石墨烯改性研究进展 班级：高分子112 姓名：陈阳建 指导老师：祖立武 日期：2014年6月20日
石墨烯改性研究进展 陈阳建 齐齐哈尔大学材料学院，黑龙江齐齐哈尔10221 摘要: 结合当前国内外石墨烯改性的研究进展，分别从表面改性和电子性能改性两个方面介绍了石墨烯的改性方法。其中，石墨烯表面改性包括共价键功能化和非共价键功能化；石墨烯电子性能改性包括掺杂和离子轰击。讨论了各种改性方法的优缺点，并在原有改性方法的基础上，展望了未来石墨烯改性的发展方向。关键词: 石墨烯；改性；综述；共价键功能化；非共价键功能化；掺杂；离子轰击 Research progress in the modification of graphene Chen yangjian Materials Science,Qiqihar University ,Qiqihar in Heilongjiang 10221 Abstract: Based on the research progress of modification of graphene material at hom e and abroad, the methods of modification of graphene are introduced from the surfac e modification and the electronic properties modification, respectively. The methods o f surface modification contain the covalent functionalization and non-covalent functio nalization; the methods of electronic properties modification contain dopin g and ion b ombardment. Finally, the advantages and disadvantages of various modification met h ods are discussed, and the further development of modification of graphene is pointed out on the basis of original modification methods. Key words: graphene; modification; review; covalent functionalization; non-covalent functionalization; doping; ion bombardment
功能陶瓷材料总复习讲解学习
功能陶瓷材料总复习
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范围。 极化机制：电子极化、离子极化、偶极子极化、空间电荷极化 松弛极化 频率范围：
铁电体， 晶体在某温度范围内具有自发极化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→铁电相的转变温度 T>Tc 顺电相 T
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
石墨烯磺酸功能化实验方案
实验方案备注 （1）4-磺酸基-氟硼酸重氮苯的合成 S1：称取17.3g4-磺胺酸（0.1 mol）固体溶于100ml蒸 馏水中后 S2: 将31.8 mL氟硼酸水溶液 (40 wt %, 0.2mol) 缓缓逐 滴加入磺胺酸水溶液中。将混合溶液冷却至0℃。 S3：维持恒温5℃，将7.0 g亚硝酸钠（100mmol）溶于 蒸馏水中，缓缓加入上步所得溶液中。添加完成，持 续搅拌2h。 S4：抽滤收集白色沉淀，再用乙醚洗涤数次。将白色 沉淀冷冻干燥和储存。 时间：2.5h （2）GP-SO3H（DS=1.21）的合成 S1：称取0.6g石墨烯粉末（GO，约0.05mol）,其分散于500mL蒸馏水中. 使用5 wt %的碳酸钠水溶液调节其PH值至9左右。(5.26gNa2CO3,溶于100ml水中) S2：将调整过得溶液进行轻微的超声处理30min。将GO溶液用离心机分离30min以移除未反应的石墨，转速为2000rpm。 S3：称量3.9g硼氢化钠（0.1 mmol）溶于10mL蒸馏水中，将其加入GO的水溶液中，在70℃下反应1h。抽滤，使用蒸馏水洗涤直至其PH值达到7。 S4：将部分还原的GO重新分散到500mL的蒸馏水中，使用轻微声波震荡30min。使用冰浴将其冷却至室温。 S5：称取0.68 g(2.5mmol)制得的4-磺酸基-氟硼酸重氮苯，溶于10mL蒸馏水中，将其缓缓逐滴加入S4得到的溶液中，在室温下搅拌6h。反应溶液使用声波处理10min称量+30min 分散+1h预还原+2h 抽滤+30min分散+12h偶合+2h抽滤+完全还原24h
30min。再称取0.68g(2.5mmol)制得的4-磺酸基-氟硼酸重氮苯重复上述步骤。 S6：反应完成后，使用5 wt % 的碳酸钠水溶液调节PH 值至10以上，伴随添加有沉淀生成。将沉淀过滤出，并用蒸馏水（水）和乙醇洗涤，即可得到GO-SO3H。S7：将GO-SO3H 重新分散在500mL的蒸馏水中，再加入水合肼(5060%, 32 mL)，在 120℃下充分还原 24 h。这步中磺酸基的存在使得石墨烯能够很好分散在水中。再使用5 wt % 的碳酸钠水溶液调节PH值至10以上，过滤得到沉淀，用水完全洗涤，冷冻干燥得到GP-SO3H (1.19 g)。 （3）GP-SO3H纳米纸的制备 S1：将所需量的GP-SO3H分散在水中，使用超声处理。然后使用离心机（2000 rpm）去除不溶的杂质。通过带有400 nm 规格孔隙的PC膜抽滤得到数百纳米至30μm左右的，并自然风干。 S2：从过滤器上将独立的纳米纸剥离，在真空炉中在250℃下进行热处理24h。即可得到可用的GP-SO3H纳米纸。 （4）石墨烯化学键合镀层 S1：将基片预先放置在装有GP-SO3H纳米纸碎片的反应炉中。为防止硅橡胶残余的灰污染基片表面，高温硅橡胶被放置在反应炉预先设定的位置。 S2：将反应炉中抽真空，然后在30min内迅速将温度从室温升至500℃。关闭真空抽取，然后在20min内将温度再次迅速升至1000℃。 S3：管内有气体产生，反应炉内的压力会逐渐升高至大气压，将真空阀转接Ar进气口。将炉中尽快清理干
石墨烯在复合材料中的应用
石墨烯在复合材料中的应用 龚欣 （东南大学机械工程学院南京211189） 摘要：介绍了石墨烯与有机高聚物、无机纳米粒子以及其它碳基材料的复合物，同时展望了这些材料在相关领域中的应用前景． 关键词：石墨烯纳米复合材料 2004年至今, 关于石墨烯的研究成果已在SCI检索期刊上发表了超过2000篇论文, 石墨烯开始超越碳纳米管成为了备受瞩目的国际前沿和热点．基于石墨烯的纳米复合材料在能量储存、液晶器件、电子器件、生物材料、传感材料和催化剂载体等领域展现出许多优良性能，具有广阔的应用前景．目前研究的石墨烯复合材料主要有石墨烯/聚合物复合材料和石墨烯/无机物复合材料两类，其制备方法主要有共混法、溶胶-凝胶法、插层法和原位聚合法.本文将对石墨烯的纳米复合材料及其性能等方面进行简要的综述． 一、基于石墨烯的复合物 利用石墨烯优良的特性与其它材料复合可赋予材料优异的性质．如利用石墨烯较强的机械性能，将其添加到高分子中，可以提高高分子材料的机械性能和导电性能；以石墨烯为载体负载纳米粒子，可以提高这些粒子在催化、传感器、超级电容器等领域中的应用． 1.1 石墨烯与高聚物的复合物 功能化后的石墨烯具有很好的溶液稳定性，适用于制备高性能聚合物复合材料．根据实验研究，如用异氰酸酯改性后的氧化石墨烯分散到聚苯乙烯中，还原处理后就可以得到石墨烯-聚苯乙烯高分子复合物．该复合物具有很好的导电性，添加体积分数为1%的石墨烯时，常温下该复合物的导电率可达0.1S/M，可在导电材料方面得到的应用． 添加石墨烯还可显著影响高聚物的其它性能，如玻璃化转变温度(Tg)、力学和电学性能等．例如在聚丙稀腈中添加质量分数约1%的功能化石墨烯，可使其Tg 提高40℃．在聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）中仅添加质量分数0.05%的石墨烯就可以将其Tg提高近30℃．添加石墨烯的PMMA比添加膨胀石墨和碳纳米管的PMMA具有更高的强度、模量以及导电率．在聚乙烯醇（PVA）和PMMA中添加质量分数0.6% 的功能化石墨烯后，其弹性模量和硬度有明显的增加．在聚苯胺中添加适量的氧化石墨烯所获得的聚苯胺-氧化石墨烯复合物的电容量（531F/g）比聚苯胺本身的电容量（约为216F/g）大1倍多，且具有较大的拉伸强度（12.6MPa）．这些性能为石墨烯-聚苯胺复合物在超级电容器方面的应用创造了条件． 石墨烯在高聚物中还可形成一定的有序结构．通过还原分散在Nafition膜中
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
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
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
石墨烯复合材料的制备及其性能研究进展
石墨烯复合材料的制备及其性能研究进展
论文 题目: 石墨烯复合材料的制备 及其性能研究进展学生姓名: 学号： 院（系）：化工与制药工程系专业班级： 指导教师： 职称： 201 年月
石墨烯复合材料的制备及其性能研究进展 摘要: 石墨烯以其优异的性能和独特的二维结构成为材料领域研究热点。本文综述了石墨烯的制备方法并分析比较了各种方法的优缺点, 简单介绍了石墨烯的力学、光学、电学及热学性能。基于石墨烯的复合材料是石墨烯应用领域中的重要研究方向, 本文详细介绍了石墨烯聚合物复合材料和石墨烯基无机纳米复合材料的制备及应用，以及石墨烯复合材料的展望。 关键词:石墨烯;制备;性能;复合材料
Research Progress on Preparation and properties of graphene composite materials Abstract: Graphene has become a hot research field of material for its excellent performance and unique two-dimensional structure. This paper summarizes the method for preparing graphene and compared the advantages and disadvantages of various methods,introduces the mechanics,graphene optical,electrical and thermal properties. Composite materials based on graphene is an important research direction in the field of application of graphene,this paper introduces the preparation and application of graphene polymer composites and graphene based inorganic nano composite material,and the prospect of graphene composite materials. Key words:graphene;preparation;properties;composite materials
石墨烯复合材料的研究及其应用
石墨烯复合材料的研究及其应用 任成，王小军，李永祥，王建龙，曹端林 摘要：石墨烯因其独特的结构和性能，成为物理化学和材料学界的研究热点。本文综述了石墨烯复合材料的结构和分类，主要包括石墨烯-纳米粒子复合材料、石墨烯-聚合物复合材料和石墨烯-碳基材料复合材料。并简述石墨烯复合材料在催化领域、电化学领域、生物医药领域和含能材料领域的应用。 关键词：石墨烯；复合材料；纳米粒子；含能材料 Research and Application of Graphene composites ABSTRACT: Graphene has recently attracted much interest in physics,chemistry and material field due to its unique structure and properties. This paper reviews the structure and classification of graphene composites, mainly inclouding graphene-nanoparticles composites, graphene-polymer composites and graphene-carbonmaterials composites. And resume the application of graphene composites in the field of catalysis, electrochemistry, biological medicine and energetic materials. Keywords: graphene; composites; nanoparticles; energetic materials 石墨烯自2004年曼彻斯特大学Geim[1-3]等成功制备出以来，因其独特的结构和性能，颇受物理化学和材料学界的重视。石墨烯是一种由碳原子紧密堆积构成的二维晶体，是包括富勒烯、碳纳米管、石墨在内的碳的同素异形体的基本组成单元。石墨烯的制备方法主要有机械剥离法，晶体外延法，化学气相沉积法，插层剥离法以及采用氧化石墨烯的高温脱氧和化学还原法等[4-10]。与碳纳米管类似，石墨烯很难作为单一原料生产某种产品，而主要是利用其突出特性与其它材料体系进行复合．从而获得具有优异性能的新型复合材料。而氧化石墨烯由于其特殊的性质和结构，使其成为制备石墨烯和石墨烯复合材料的理想前驱体。本文综述了石墨烯复合材料的结构、分类及其在催化领域、电化学领域、生物医药领域和含能材料领域的应用。
铁电陶瓷材料的研究现状和应用
铁电陶瓷材料的研究现状和应用 1、层状铁电陶瓷 （1）Bi系 目前，研究较多、并且用于制备铁电陶瓷材料的是钙钛矿结构的锆钛酸铅（简称PZT）系列。此系列的突出优点是剩余极化较大Pr（10~35 μC/cm 2）、热处理温度较低（600℃左右）。但是随着研究的深入，人们发现，在经过累计的极化反转之后PZT系列性能退化，主要表现在出现高的漏电流和较严重的疲劳问题，另外，铅的挥发对人体也有害。因此研究和开发性能优良且无铅的铁电陶瓷具有重要的现实意义。而铋系层状钙钛矿结构材料属于铁电材料类且性能较好又不含铅，因此受到人们的广泛关注。 （2）(Pb,Ba)(Zr,Ti)O3系 (Pb,Ba)(Zr,Ti)O3（简称PBZT）系陶瓷与Pb(Zr,Ti)O3(PZT)同属于ABO3型钙钛矿结构，具有较大的电致伸缩应变，在电子微位移动领域已得到广泛应用。但在使用过程中发现这类铁电陶瓷因其脆性和较低的强度影响了其产品的耐久性和使用寿命，因此改善其机械性能已引起人们的重视。 2、弛豫型铁电陶瓷 弛豫型铁电体（relaxation ferroelectrics，简称RF）是指顺电—铁电转变属于弥散相变的一类铁电材料，它同时具有铁电现象和弛豫现象。与典型铁电体相比，弛豫型铁电体的一个典型特征是复介电常数（ε*(ω) =ε'(ω) ?ε"(ω)，ω为角频率）的实部ε'(ω)随温度变化呈现相对宽且变化平缓的峰，其最大ε'(ω)值对应的温度Tm随ω的增加而向高温移动。该特征与结构玻璃（structureglass）化转变、自旋玻璃（spin glass）化转变的特征极为相似。所以，弛豫型铁电体又被称为极性玻璃（polar glass），相应的弛豫铁电相变又被称为极性玻璃化转变。迄今为止，虽然人们对弛豫铁电相变进行了大量的实验测量和理论探索，但是仍然没有被普遍接受的弛豫铁电相变模型，所以对弛豫铁电相变机制的研究一直是该领域研究的热点问题之一。另外，现有的一些弛豫铁电体具有优良的铁电、压电和热释电性能，因而具有广泛而重要的应用。 3、含铅型铁电陶瓷 铌镁酸铅Pb(Mg1.3Nb2.3)O3(简称PMN)铁电陶瓷材料以很高的介电常数、相当大的电致伸缩效应、较低的容温变化率和几乎无滞后的特点，一直受到人们的关注，在多层陶瓷电容器、新型微位移器、执行器和机敏材料器件及新型电致伸缩器件等领域有着巨大的应用前景。
La2Zr2O7系陶瓷材料的改性及其热障涂层的基础研究
随t'-YSZ含量的增加而增大。此外，在1400℃的环境下La2Zr2O7延缓了t'-YSZ的相变进程，一定程度上增强了亚稳态t'-YSZ的高温相稳定性。 最后，以综合性能较好的0.5t'-YSZ/0.5La2Zr2O7粉体为原材料，采用喷雾干燥法进行造粒，采用等离子喷涂的方法制备了热障涂层，并研究涂层的高温相稳定 性能。结果表明：涂层中La2Zr2O7和t'-YSZ两相稳定共存，涂层表面较为均匀，熔融情况较好，截面具有层片状的特点。涂层的密度为5.15g/cm3，孔隙率为14.66%。涂层经过1300℃高温热处理后发生了t'→t+c的扩散型转变，但是没有发生t→m 马氏体相变，热处理过后没有单斜氧化锆生成，涂层具有可靠的相稳定性和使用性能。 关键词：稀土锆酸盐陶瓷热膨胀系数断裂韧性高温相稳定性等离子喷涂
ABSTRACT Compared to the conventional yttria stabilized zirconia(YSZ)insulation ceramic, the rare-earth zirconate is widely applied in aerospace field because of its low thermal conductivity,low oxygen permeability,high melting temperature,excellent chemical stability and excellent thermal stability.In order to meet the requirements of higher service life of thermal barrier coating,we have prepared various La2Zr2O7-based ceramics employing yttrium(Y)as doping element,and metastable tetragonal yttria stabilized zirconia(t'-YSZ)as the second phase respectively.Then their fracture toughness,thermal expansion coefficient(TEC)and high temperature stability have been studied in detail.Based on the above studies,we have fabricated coatings by the air plasma spraying using the powders with good overall properties and preliminarily studied the basic coating properties,which could hopefully promote the practical application of La2Zr2O7-based ceramics as high-temperature thermal barrier coatings. Firstly,we have studied the influence of element Y on the structure and properties of(La1-x Y x)2Zr2O7ceramics.The results show that,the phase in the composition range of x≤0.3exhibits single pyrochlore structure as a result of the complete dissolution of Y3+in the La2Zr2O7host lattice.The Y3+solid solubility reaches saturation beyond the composition of0.3,where the fluorite phase forms.In the composition range of 0.4≤x≤0.8,the pyrochlore and fluorite phase coexist.When x≥0.9,the crystal becomes the single fluorite.The conventionally sintered ceramics exhibit rather dense structure, and the grains of the double-phase intermixture shows considerably reduced size.In the pyrochlore corner,the(La0.7Y0.3)2Zr2O7exhibits best overall properties,with an average TEC of9.84×10-6/oC which is11%higher than the undoped La2Zr2O7,a fracture toughness of1.114MPa·m1/2that is13.09%higher than the undoped La2Zr2O7.In addition,the Y-La2Zr2O7pyrochlores exhibit no phase transformation up to1400℃, suggesting their excellent high temperature staility. Secondly,we have successfully added the metastable phase t'-YSZ as the second phase in the La2Zr2O7matrix phase by a combination methods of the plasma spray quenching the commercially available8wt.%YSZ and the spark plasma sintering.The structure and properties of xt'-YSZ/(1-x)La2Zr2O7composite ceramics have been studied.The results show that t'-YSZ is thermochemically compatible with the matrix