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功能陶瓷材料
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Ti
4
O
7
功能陶瓷材料研究与应用现状
王译文, 王海斗, 马国政, 陈书赢, 何鹏飞, 丁述宇
材料导报
2019,33(1 ):143 -151. DOI:10.11896/cldb.201901016
摘要
(
1207
)
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1044
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Ti
n
O
2
n
-1
是一类应用前景广阔、极具研究价值的高性能导电陶瓷材料。它具有独特的物理、化学和电化学性能,晶体结构中的氧缺陷除了使其拥有自身的陶瓷特性外,还赋予其类金属的导电性能,打破了其因导电性能差而限制陶瓷材料的进一步推广应用。Ti
4
O
7
是Ti
n
O
2
n
-1
中导电性能最佳的材料,同时它还拥有诸多优异的性质如敏锐的光响应能力、较强的耐酸腐蚀性和较好的电化学稳定性,这些独特的性质引起了材料研究者对其的高度关注,并将其广泛应用于电化学、热电材料、储能材料、光催化降解等领域。目前,研究人员基于Ti
4
O
7
的电子导电性和化学稳定性,主要将其用作电池电极和电催化载体材料,生产工艺已逐渐成熟并实现商业化。
然而,Ti
4
O
7
的生产制备工艺还存在许多不足。粒径大小、孔隙率和结晶程度等因素均会对Ti
4
O
7
的性能产生影响。工业上主要采用高温还原钛源前驱体的方法,经过高温处理后的Ti
4
O
7
通常存在颗粒团聚、烧结严重、比表面积大的问题,这严重影响了Ti
4
O
7
的性能。为解决高温处理引发的固有问题,研究人员在制备工艺的设计优化方面不断进行尝试,在优化高温合成方法的同时,也探索了一些中低温合成制备途径,但依旧存在产物纯度不高、生产能耗大等问题,工艺细节还需深入研究。目前制备工艺的主要研究方向为:(1)提高制备产物的纯度;(2)细化晶粒,控制粉体粒径大小;(3)制备出形貌可控的粉体。针对Ti
4
O
7
制备过程中出现的问题,研究人员不断引入新技术。在溶胶凝胶法的基础上利用静电纺丝技术制备出高比表面积的核壳结构中空管道材料,烧结温度降低了近20%;首次采用微波辐射的加热方式,微波下辐射30 min即可制备出形貌可控的Ti
4
O
7
。近两年,随着研究的不断深入,Ti
4
O
7
的各项优异性能得到了进一步开发和应用,在锂离子电池、锂硫电池、金属-空气电池、燃料电池中表现出更卓越的快速充放电性能和循环稳定性,并在储能材料、热电材料和光电材料等新能源领域得到了应用。
本文介绍了Ti
4
O
7
的组成结构和理化性质,归纳了Ti
4
O
7
陶瓷的主要制备工艺及典型应用,分析总结了各类制备工艺的优缺点和应用需求,并对本领域今后的热点研究方向和发展趋势进行了展望,为Ti
4
O
7
功能陶瓷材料的推广应用提供了参考。
参考文献
丨
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丨
多维度评价
钡镧钛系高介低损耗微波介质陶瓷研究进展
王耿, 傅邱云, 张芦, 施浩, 田帆
材料导报
2019,33(13 ):2151 -2158. DOI:10.11896/cldb.18050163
摘要
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1039
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微波介质陶瓷是指用于微波频段电路中作为介质材料并能实现一种或几种功能的陶瓷,是近几十年来发展起来的一类新型电子陶瓷材料,主要用于制作片式天线、双工器、稳频振荡器、微波电容器、滤波器、谐振器等微波元器件。这些元器件可广泛应用于4G/5G移动通信系统、全球卫星定位系统、卫星通信系统、无线互联网、军事雷达等领域。随着5G移动通信系统产业的快速发展,作为通信设备中的重要器件,微波元器件特别是滤波器、谐振器受到研发人员广泛的关注。为了进一步提升微波元器件的性能、缩小微波元器件的尺寸以及降低制造成本,对微波介电材料的要求主要有以下几点: (1)较高的介电常数(
ε
r
); (2)尽可能高的品质因数(
Q
f
);(3)近零的谐振频率温度系数(TCF);(4)所选材料价格便宜且无毒环保。
从介电常数的角度划分,高介电常数微波介质陶瓷通常是指介电常数在70及70以上的微波介电材料,主要材料体系通常包括钡镧钛体系、ABO
3
型钙钛矿结构体系、钙锂镧钛体系、铋基体系、锂基体系及铅基钙钛矿体系等。目前在高介电常数微波介电材料体系中,关于钡镧钛体系的研究比较多,它属于类钙钛矿钨青铜结构,结构单元中具有形状各异、大小不一的几类空隙,能够填充不同价态、不同半径的离子,不同离子的填充会引起结构发生对应的变化,从而使钡镧钛体系微波介电材料具备性能各异的微波介电性能。众多研究人员针对这一特性,将各种不同价态、不同半径的离子掺入该材料体系中,期望将离子填充到晶体结构中的某个空隙,从而获得更好的微波介电性能。
钡镧钛系微波介质陶瓷具有温度稳定性好、介电常数高、损耗低等优点,是移动通信领域所使用的主要介质材料,随着5G通信技术的快速发展,其相关的研究具有非常重要的理论意义和应用价值,也是微波介电材料的研究热点之一。
本文综合介绍了钡镧钛系微波介质陶瓷的晶体结构以及固溶极限,从A位置换、B位置换、A/B位协同置换、复合改性、抗还原研究及低温烧结几个方面综述了近年来钡镧钛系微波介质陶瓷的研究进展,并探讨了目前其研究中所存在的主要问题及未来的研究重点。
参考文献
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多维度评价
CuO掺杂对钇钡铜氧陶瓷电性能的影响
周宏明, 王博益, 李荐, 程名辉
材料导报
2019,33(2 ):220 -224. DOI:10.11896/cldb.201902004
摘要
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840
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采用传统固相烧结法制备的Y
1
Ba
2
Cu
3
O
7-
x
(YBCO)陶瓷为功能相、玻璃粉为烧结助剂、CuO为掺杂剂,制备了CuO掺杂的钇钡铜氧陶瓷。通过X射线衍射仪、扫描电镜、能谱分析仪、微欧仪和高低温交变湿热试验箱对其相组成、微观结构及电性能进行研究。研究结果表明:CuO掺杂有利于减少YBCO晶体结构中存在的氧缺陷;随CuO掺杂量从0%增加到3%,陶瓷致密度逐渐增加,电阻率明显降低;CuO掺杂量大于3%后,陶瓷致密度逐渐下降,电阻率也明显升高;随CuO掺杂量增加,陶瓷的电阻温度系数逐渐由负向正偏移,电阻温度系数值逐渐减小。当CuO掺杂量为3%时,样品的综合电性能最佳:电阻率为1.55×10
-4
Ω·m,电阻温度系数为-1 470×10
-6
/℃。
参考文献
丨
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多维度评价
W掺杂对Zn
0.98
Al
0.02
O陶瓷热电性能的影响
李怀明, 孙秋, 宋英
材料导报
2019,33(12 ):1959 -1962. DOI:10.11896/cldb.18030250
摘要
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584
)
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采用溶胶-凝胶法合成了Zn
0.98-
x
Al
0.02
W
x
O (
x
=0、 0.005、 0.01、 0.02)前驱粉体,在1 400 ℃、N
2
氛围下烧结5 h将其煅烧成块状陶瓷。通过XRD和SEM对样品的组成和形貌进行表征,并研究了W掺杂对Zn
0.98
Al
0.02
O陶瓷热电性能的影响。热电测试结果表明:材料的塞贝克系数绝对值|
S
|随W的掺入量的增加而先减小后增大,电导率则呈现相反的变化趋势。773 K时,
x
=0.005样品的功率因子最大,达到3.6×10
-4
W/(m·K),比Zn
0.98
Al
0.02
O提高了2倍。此外,W的掺杂有效降低了材料的热导率。773 K时,
x
=0.005样品的无量纲优值(
ZT
值)达到最大,为0.03,比Zn
0.98
Al
0.02
O提高了2.3倍。
参考文献
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多维度评价
微弧氧化时间对TA15合金陶瓷膜表面形貌和性能的影响
王先, 于思荣, 赵严, 张鹏, 刘恩洋, 熊伟
材料导报
2019,33(12 ):2009 -2013. DOI:10.11896/cldb.18040155
摘要
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678
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以NaAlO
2
、NaF、KOH为电解液对TA15钛合金进行不同时间的微弧氧化处理,在其表面制备一层致密的陶瓷膜,以提高TA15钛合金的表面硬度和耐蚀性。对不同氧化时间下陶瓷膜的表面形貌、成分、物相组成进行表征分析,并对不同氧化时间下陶瓷膜的显微硬度、表面粗糙度及耐蚀性进行对比研究。结果表明,微弧氧化陶瓷膜表面布满细小的蜂窝状微纳米级孔洞,随氧化时间延长,陶瓷膜表面逐渐平整化,时间过长会出现凸起、凹坑等缺陷,导致陶瓷膜粗糙度增大。陶瓷膜所含元素主要为O、Ti、Al等,物相组成主要为金红石型TiO
2
、Al
2
O
3
及Al
2
Ti
3
相。随氧化时间的延长,陶瓷膜表面显微硬度逐渐增大,50 min时可达332.82HV,比基体提高了59.2%。粗糙度呈先下降后上升的趋势,40 min时陶瓷膜平整光滑,孔洞分布均匀,粗糙度最小(1.420 μm),膜厚约10 μm。耐蚀性呈先上升后下降趋势,40 min时陶瓷膜的自腐蚀电位为+222.24 mV,比基体提高了约530 mV,腐蚀电流密度为1.73×10
-9
A/cm
2
,降低为基体的3%,耐蚀性最佳。
参考文献
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多维度评价
Fe
3+
掺杂活化木质素基木材陶瓷的制备及电化学性能
计晓琴, 孙德林, 余先纯, 郝晓峰, 陈新义, 朱志红
材料导报
2019,33(20 ):3390 -3395. DOI:10.11896/cldb.18100183
摘要
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以造纸黑液提取的木质素为前驱体,柠檬酸铁(FeC
6
H
5
O
7
)为催化剂,在1 200 ℃下保温烧结2 h,再以氢氧化钾(KOH)为活化剂,在800 ℃下活化1.5 h制备木材陶瓷碳电极材料。采用X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、氮气吸附-脱附法(BET)、恒电流充放电以及循环伏安法等考察木材陶瓷的物相构成、比表面积、孔结构以及电化学性能。结果表明,当柠檬酸铁与木质素的质量比为1∶1时,活化木质素基木材陶瓷具有良好的石墨化特性,其比表面积可达712.59 m
2
/g,且孔径主要分布在1.64 nm。同时,用该木材陶瓷所制备的电极材料在无机体系(6 mol/L
KOH)中比电容可达115.6 F/g,经过2 500次循环充放电之后其比电容保持率达75.2%,表现出良好的电化学性能,具有作为理想电化学电容器的电极材料的潜能。
参考文献
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多维度评价
SiO
2
-BPO
4
/LMZBS低温烧结玻璃陶瓷及其微波介电性能
刘贺, 傅仁利, 何钦江, 李国郡, 王贺
材料导报
2019,33(18 ):3152 -3155. DOI:10.11896/cldb.19040034
摘要
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711
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采用固相反应法制备
x
SiO
2
-(1-
x
)BPO
4
微波介质陶瓷,研究了LMZBS玻璃助烧剂对陶瓷物相组成、显微结构、微波介电性能的影响。结果表明:添加LMZBS玻璃可使SiO
2
-BPO
4
玻璃陶瓷的烧结温度降低至900 ℃。当LMZBS的添加量为4%(质量分数,下同)时,70SiO
2
-30BPO
4
(质量分数/%)在900 ℃烧结2 h时,陶瓷的介电性能最佳(
ε
r
=4.0、
Q
×
f
=22 600 GHz、
τ
f
=-22×10
-6
/℃)。同时,烧结过程中玻璃相的存在抑制了体系中硼离子的挥发,改善了陶瓷的显微结构,保证了其与银电极具有良好的共烧性。此外,CaTiO
3
的引入能有效调节70SiO
2
-30BPO
4
陶瓷的
τ
f
,当CaTiO
3
添加量为5%(质量分数)、烧结温度为900 ℃时,陶瓷具有最佳的介电性能(
ε
r
=4.4,
Q
×
f
=17 800 GHz,
τ
f
=6×10
-6
/℃),有望应用于LTCC基板。
参考文献
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多维度评价
二氧化铈掺杂钛酸铋钠基陶瓷的高储能密度及温度稳定性
卫芳彬, 张雷阳, 王颖, 李洋, 刘岗
材料导报
2019,33(16 ):2648 -2653. DOI:10.11896/cldb.19030157
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为制备可应用于脉冲电源电容器领域的高性能电介质陶瓷,本工作通过传统固相反应法制得致密且均匀的NBT-ST基无铅弛豫铁电陶瓷。其中NBT-ST-1Ce陶瓷的室温储能密度达到1.07 J/cm
3
,储能效率稳定在80%以上。此外,该陶瓷的储能效率展现了良好的温度稳定性:在25~150 ℃范围内,储能效率稳定在95%左右。因此,该介质材料在脉冲电源电容器领域具有一定的发展潜力。
参考文献
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多维度评价
聚丙烯酸铵和柠檬酸铵分散剂对钇铝石榴石陶瓷透光率的影响
司伟, 丁超, 潘伟
《材料导报》期刊社
2018,32(8 ):1209 -1212. DOI:10.11896/j.issn.1005-023X.2018.08.001
摘要
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1011
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774
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使用超声波-微波辅助的醇盐水解沉淀法合成了Y
3
Al
5
O
12
(YAG)前驱体,加入烧结助剂及分散剂后真空烧结制备了YAG透明陶瓷,并对添加不同分散剂烧成的YAG透明陶瓷的晶相结构、微观形貌及光学性能进行了表征。结果表明:添加不同分散剂均可获得纯相YAG透明陶瓷;添加聚丙烯酸铵(NH
4
PAA),晶粒之间没有明显的晶界,且气孔较大;添加柠檬酸铵(AC),晶粒分散良好,平均晶粒尺寸约为3 μm。未添加分散剂时,YAG透明陶瓷在近红外波段处透光率为76%;添加NH
4
PAA时,透明陶瓷透光率较低,仅为51%;而添加AC后透明陶瓷透光率可达到78%。添加AC能够细化YAG透明陶瓷晶粒,促进残余气孔排出,从而使YAG透明陶瓷获得更高的透光率。
参考文献
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多维度评价
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