关键词： ZrB2   石墨烯   层状陶瓷   微结构调控   自组装   多尺度增韧  

摘要： 非烧蚀型超高温陶瓷材料是应用于极端热环境中的一种防热材料。ZrB2陶瓷基复合材料因其优异的热物理性能而被视为一种非常有前途的非烧蚀型超高温防热材料。但一直以来ZrB2陶瓷基复合材料的本征脆性和较差的抗热冲击性能限制了其广泛的工程应用。碳材料由于其优异的特性,如高电导、高热导、化学惰性、低热膨胀系数、轻质等,被越来越来多的科学家所重视,尤其是具有更优异性能的富勒烯、碳纳米管、石墨烯等碳纳米材料的相继发现,全世界科学界刮起了“纳米碳”研究的热潮。在超高温陶瓷领域,多种形式的碳材料已被用来改善ZrB2陶瓷基复合材料的烧结特性、力学及抗热冲击性能,但研究还远不够深入。本文针对ZrB2陶瓷基复合材料本征脆性,探究了将碳纳米材料均匀引入ZrB2陶瓷基体中的不同方法,系统分析了碳纳米材料对ZrB2陶瓷基复合材料力学性能影响及相应的增韧机理;而后采用自组装方法制备了氧化石墨烯/ZrB2薄膜,研究了薄膜微结构对拉伸性能及导电性能的影响;启发于生物结构,将跨尺度多层次结构引入石墨烯/ZrB2陶瓷基复合材料中,评价了材料的力学性能,并分析了相应的多尺度增韧机理。石墨烯纳米片在陶瓷基体中分布的均匀程度和质量直接决定其增韧效果的好坏。为了使石墨烯纳米片在ZrB2陶瓷基复合材料中均匀分散,利用氧化石墨烯表面大量亲水性含氧基团,结合原位热还原法实现了石墨烯纳米片在ZrB2陶瓷基复合材料中均匀分散。系统分析了石墨烯纳米片含量对石墨烯/ZrB2-Si Cp和石墨烯/ZrB2-Si Cw陶瓷基复合材料微结构、弯曲强度、断裂韧性的影响。由于材料中陶瓷晶界有限,氧化石墨烯添加量过高时,石墨烯纳米片在烧结过程中会相互结合而导致纳米片增厚,影响复合材料的力学性能。此外,基于裂纹扩展路径分析了石墨烯/ZrB2陶瓷基复合材料断裂机理,研究了石墨烯纳米片韧化ZrB2陶瓷基复合材料的机理。采用化学气相沉积法将甲烷高温裂解,制备出纳米碳包覆ZrB2颗粒的核壳结构,探究了沉积温度、沉积时间和气体流速对碳纳米片/ZrB2复合颗粒形貌的影响。结合碳纳米片/ZrB2复合颗粒形貌,采用外延生长的FV模型和SK模型分析其生长过程。碳纳米片/ZrB2复合颗粒与Si C经SPS致密化,获得了碳纳米片/ZrB2-Si C陶瓷基复合材料,从根本上解决碳纳米材料在陶瓷中难分散的问题。在SPS过程中,碳纳米片会与Si C表面氧化物反应,净化晶界而促进致密化。探讨了碳纳米片含量对复合材料断裂韧性和硬度的影响,基于裂纹扩展路径分析了碳纳米片/ZrB2-Si C陶瓷基复合材料断裂机理。利用氧化石墨烯通过真空辅助抽滤制备出氧化石墨烯/ZrB2、氧化石墨烯/ZrB2-Si Cp和氧化石墨烯/ZrB2-Si Cw陶瓷基薄膜。分析了薄膜组分、PVA含量对薄膜微结构的影响。拉伸测试显示:当氧化石墨烯含量为30 vol.%时,薄膜的抗拉强度最大,相应的拉伸模量也最大,氧化石墨烯含量减少或者增加均不利于薄膜层次结构的构建,导致抗拉性能的降低。在导电性能方面,氧化石墨烯/ZrB2-Si C薄膜被热还原后,薄膜导电性能随着氧化石墨烯含量的增加和还原温度（300-1300℃）的升高而不断提升。贝壳利用矿物质和蛋白质构建层次结构实现了高强度和高韧性的目的。受此启发,采用“自下而上”的组装方法在石墨烯/ZrB2-Si C陶瓷基复合材料中构建了跨尺度的层次结构,达到增韧的目的。首先通过真空辅助抽滤法获得具有微-纳米尺度层次结构的氧化石墨烯/ZrB2-Si C陶瓷基薄膜,而后通过放电等离子烧结将交替排列且组分不同的GO/陶瓷基薄膜进行致密化,制备出具有微米-宏观层次结构的复合材料。在SPS降温过程中,氧化石墨烯/ZrB2陶瓷基薄膜由于热膨胀系数的不同将交替排列的压应力层和拉应力层引入复合材料中。系统分析了层状石墨烯/ZrB2-Si C陶瓷基复合材料的微结构对其弯曲强度和断裂韧性的影响规律,此外,基于裂纹扩展路径,分析了层状石墨烯/ZrB2-Si C陶瓷基复合材料的多尺度增韧机理。

关键词： SiC/Al复合材料   微结构   导热率   热膨胀系数  

摘要： SiC/Al复合材料具有优异的导热性能、较低的膨胀系数和较高的比刚度,在电子封装材料领域的应用备受青睐。此类复合材料的导热率和热膨胀系数主要决定于颗粒体积分数,且热膨胀系数和导热系数均与体积分数成反比。本论文以降低SiC/Al复合材料热膨胀系数的同时保证较高导热率为目标,建立2D模型模拟预测颗粒排布微结构与其热性能的关系,通过微结构的控制来实现SiC/Al复合材料的高导热和低膨胀性能。为了建立颗粒排列微结构与SiC/Al复合材料热性能的关系,首先对复合材料的热性能进行模拟,开发更接近实验结果的性能预测模型。通过有限元模型与经典热性能预测模型的对比可以看出,基于真实微观结构建立的有限元模型模拟结果更接近实验值。网格尺寸为颗粒粒径的1/50时,在满足有限元模拟精度1%的同时,减少了计算量。根据导热机理和热膨胀机理设计制备了体积分数为60±1%的球形团簇微结构SiC/Al复合材料。球形团簇直径为300μm且内部颗粒体积分数为65%时,复合材料具有最优的导热率和热膨胀系数。其导热率和热膨胀系数分别为222±5 W/m·K、8.6±0.3 ppm/K。其热膨胀系数与目前工业用体积分数为63%均匀结构SiC/Al复合材料的性能相近(8.5±0.5 ppm/K),但导热率提高了22%(180±6 W/m·K)。性能改善的主要原因为球形团簇结构提高了颗粒间的热流密度从而使复合材料整体导热率增大;团簇微结构之间的相互作用使得热膨胀系数减小。为了进一步提高复合材料的热性能,设计制备了由两种不同排列微结构组成的层状复合材料。平行层状方向的导热率达到了231±5W/m·K,热膨胀系数为8.5±0.3 ppm/K。垂直层状方向的导热率为209±5 W/m·K,热膨胀系数为10.8±0.5 ppm/K。与球形团簇微结构相比,在平行层状方向复合材料的导热率有了进一步的提高,热膨胀系数仍保持相同的水平;在垂直方向上导热略微下降、热膨胀系数增加。这种微结构复合材料存在各向异性,平行层状方向导热增加的原因是由于不同结构中的颗粒协同热量传递使得复合材料的导热性能进一步增强。

关键词： EDS   Nano – SiO2   SEM  

摘要： Concrete is the material of choice where strength, performance, durability, impermeability, fire resistance and abrasion resistance are required. The hunger for the higher strength leads to other materials to achieve the desired results and thus emerged the contribution of cementitious material for the strength of concrete. Addition of pozzolonic admixture like the pulverized Fly ash (PFA)contributes to the improvement of strength and also by adding the Nano materials, concrete composites with superior properties can be produced. Nano Technology applied to concrete includes the use of Nano materials like Nanosilica, Nano fibers etc. The micro-level does not provide enough insights into building materials. Therefore, all around the world, increasing amounts of research funding are being diverted into the Nano level, which is claimed to have tremendous potential for the future. Nano-silica improves the microstructure by making it denser. The objective of this project is to study the mechanical and microstructural properties of M60 high performance concrete with Nano-silica as admixture partially replacing cement in 1%, 2%, 3% and 4%. Specimens namely cubes, cylinders and prism are cured for 14 days in standard environment, after this curing period test to analyze the mechanical properties are carried out. Compressive test, Split tensile test, Flexural test and test for Modulus of elasticity are carried out to study the mechanical properties. The mechanical properties start showing increasing trend with increase in the quantity of Nano-silica. TEM, EDS and SEM techniques are used to study the microstructure of the concrete. The Nano-silica addition reduces the pore amount and makes the concrete denser in microstructure level which in turn increases the mechanical properties. © 2016, Sphinx Knowledge House. All rights reserved.

关键词： MICROSTRUCTURE   VISCOELASTICITY   REPELLENTS   WETTING   CONTACT angle  

摘要： We demonstrate exceptional wetting-resistant surfaces capable of repelling low surface tension, non-Newtonian, and highly viscoelastic liquids. Theoretical analysis and experimental result confirm that a higher level of multiscale roughness topography composed of at least three structural length scales, ranging from nanometer to supermicron sizes, is crucial for the reduction of liquid-solid adhesion hysteresis. With Cassie-Baxter nonwetting state satisfied at all roughness length scales, the surface has been proven to effectively repel even highly adhesive liquid. Practically, this high-level hierarchical structure can be achieved through fractal-like structures of silica aggregates induced by siloxane oligomer interparticle bridges. The induced aggregation and surface functionalization of the silica particles can be performed simultaneously within a single reaction step, by utilizing trifunctional fluoroalkylsilane precursors that largely form a disordered fluoroalkylsiloxane grafting layer under the presence of sufficient native moisture preadsorbed at the silica surface. Spray-coating deposition of a particle surface layer on a precoated primer layer ensures facile processability and scalability of the fabrication method. The resulting low-surface-energy multiscale roughness exhibits outstanding liquid repellent properties, generating equivalent lotus effect for highly viscous and adhesive natural latex concentrate, with apparent contact angles greater than 160 degrees, and very small roll-off angles of less than 3 degrees.

关键词： 水泥基   水化硬化   水化机理   微结构   土壤结构   研讨会  

摘要： 为了促进学科发展,充分发挥中国硅酸盐学会的学术交流优势和《硅酸盐学报》作为开展学术交流、学术争鸣重要阵地的作用,定于2016年8月14日;6日在山东省济南市举办水泥基材料水化硬化机理与微结构形成研讨会,研讨内容为:水泥基材料的组成、水化硬化机理、微结构形成及其与物理力学性能的关系。一、论文征集1.征文范围（1）新型水泥基材料的组成与性能;（1）水泥基材料的水化机理

关键词： ZrB2基陶瓷复合材料   热冲击   微结构   石墨烯   涂层  

摘要： ZrB基超高温陶瓷材料热冲击性能差的问题制约了其在航天器大气层再入、火箭推进系统等高温及大温度梯度极端环境中的应用。传统增韧或增加热导率的方法只能有限改善它在高温极端环境下的力学稳定性,但仍然不能满足人类航天器对超高温陶瓷材料的苛刻要求,例如高温下相变增韧失效、晶须和纤维的损伤及颗粒弥散的效果差等问题。因此,必须寻找新的方法改善ZrB陶瓷基复合材料在高温极端环境下的热冲击性能。本论文采用生物力学在微结构设计中的软硬相组合原理(贝壳)和表面仿生改性(荷叶)原理优化设计ZrB2基超高温陶瓷材料的热冲击性能。从陶瓷材料微观结构在热力学作用下的动态响应的出发,揭示它热力学环境作用下的响应机制,建立新的改善陶瓷材料热冲击性能的微结构设计原理和制备方法,最终克服ZrB基超高温陶瓷在高温极端环境下的损伤性和偶然性。具体研究方案为:1,利用静电组装技术和高温还原方法在陶瓷基体内部(或颗粒边界)添加石墨烯(软相),构建软硬相结合复合材料而增强陶瓷基体材料的断裂韧性,同时在陶瓷颗粒边界构建三维的高热传输路线而增强它的热扩散系数。通过增韧和热冲击能量快速释放的耦合作用,增强ZrB基体陶瓷的热冲击性能;2,利用自组装溶胶凝胶技术和外延生长方法在ZrB基陶瓷复合材料表面制备仿生热冲击涂层。通过增加热冲击界面的换热系数(2.884倍)和减弱基体材料内部的热应力动态效应,增强ZrB基超高温陶瓷的热冲击性能。首先,利用氧化石墨烯可大批量制备的Hummers方法及它满足与ZrB-Si C陶瓷颗粒之间的的静电组装原理,制备了氧化石墨烯与ZrB-Si C陶瓷复合物。通过高温烧结过程的氧化石墨烯还原,获得石墨烯增韧ZrB-Si C陶瓷基复合材料。研究发现高温烧结过程中的石墨烯结构重排修复了部分结构缺陷。在石墨烯增韧方面,出现了类似于纤维、石墨片等传统的增韧机理,例如石墨烯塑性变形、拔出、断裂,裂纹分叉和偏转。在陶瓷颗粒边界引入多层石墨烯形成的层间弱范德华力作用下,在颗粒边界形成的位错变形形成的应变能得到释放,蠕变转变为滑移变形,形成界面扩散蠕变向滑移转变机理。由于在基体材料内部构建了由石墨烯组成的快速热传导路径,它的热热扩散系数和热导率随着石墨烯含量的增加而增加。其次,在ZrB基陶瓷基体表面利用溶胶凝胶技术和异质生长技术制备仿生热冲击涂层。在热冲击过程中,仿生涂层和水介质接触界面形成一个薄的的空气包络层而增强了基体材料的热交换系数(2.884倍),结合YSZ涂层的低热导率性质,改变了基体材料的温度和热应力分布的动态效应。有限元计算表明,在Y方向的最大热应力由YSZ仿生涂层表面的767 MPa降低到基体材料表面的336 MPa,且大于X方向的热应力( MPa),说明裂纹沿基体表面法向传播。说明通过微结构的调控作用降低了表面裂纹扩展的驱动力,增强了ZrB基陶瓷材料的热冲击性能。上述两种仿生微结构调控(结构和形态)都增强了ZrB基复合材料的热冲击性能,验证了模拟自然界生物微结构的可行性。它说明仿生微结构设计原理在陶瓷材料的力学和热学、电学等方面有潜在的应用。

关键词： Nanoparticles  

摘要： Optical properties 5CB liquid crystal (LC) cells and 5CB infiltrated microstructured optical fibers doped with 1 wt.% titanium nanoparticles (NPs) of the size similar to 100nm, have been studied. NPs were found to modify properties of both LC cells and LC-infiltrated fibers. Preliminary thermo-optic properties of photonic liquid crystal fiber with Ti-doped 5CB were researched. Additionally, preliminary electro-optic characteristics of the nanoparticles doped LC cell have been obtained.

关键词： 水泥基   水化硬化   水化机理   微结构   土壤结构   研讨会  

摘要： 为了促进学科发展,充分发挥中国硅酸盐学会的学术交流优势和《硅酸盐学报》作为开展学术交流、学术争鸣重要阵地的作用,定于2016年8月14日;6日在山东省济南市举办水泥基材料水化硬化机理与微结构形成研讨会,研讨内容为:水泥基材料的组成、水化硬化机理、微结构形成及其与物理力学性能的关系。一、论文征集1.征文范围（1）新型水泥基材料的组成与性能;（1）水泥基材料的水化机理;（2）硬化水泥基材料的微结构形成

关键词： Ni80Cr20超细丝   微结构   冷拉拔   连续退火   电学性能  

摘要： Z箍缩驱动和激光驱动的惯性约束聚变,均需要用到微米级大电阻丝材。Ni80Cr20作为电热合金,可作为Z箍缩驱动中新型的金属丝阵负载材料和激光驱动中冷冻靶的微加热元件。本文通过结合单模冷拉拔和连续退火工艺制备了Ni80Cr20超细丝。研究了生产Ni80Cr20超细丝的不同工艺过程中的技术特点,结合金属丝强力仪、扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)和低温测电阻等多种实验方法,具体研究了冷拉拔和退火相结合的工艺对超细丝产品的性能和微结构的影响。经冷拉拔获得的直径为21.14μm的Ni80Cr20合金超细丝,利用微控退火复绕机进行退火,确定了最佳的连续退火工艺。并以直径为21.14μm的模具进行式穿模实验,结合电化学腐蚀和超景深显微镜辅助穿模的方法,解决了人工肉眼穿模效率低的难题。在拉拔中,丝材直径变细,晶粒碎化,且沿拉拔方向被拉长出现织构现象,加工硬化和晶粒细化使超细丝抗拉强度升高,而加工率较大时伸长率变化不大。经过退火后的超细丝强度又有所降低,晶粒尺寸逐渐长大,伸长率升高。成功制备出超细金属丝横截面的透射电镜样品,并进行了微观结构分析,Ni80Cr20合金超细丝为多晶结构,存在刃型位错、孪晶、晶界区和非晶界区。Ni80Cr20超细丝中存在的原子偏聚区,影响了电子散射几率,冷拉拔加工和退火能够破坏这种结构进而影响超细丝电阻率。室温到50K时超细丝电阻率主要是由晶格散射引起,但是当温度在50K以下时电子间的散射起主要作用。本课题通过冷拉拔和退火相结合工艺制备超细丝,确定了拉拔和退火工艺条件,研究了退火前后丝材的微结构和电学性能,为以后的超细丝的生产提供了理论和实践基础。

关键词： Cement   Geopolymer   HPHT   Microstructure   Nano-SiO2  

摘要： Utilizing industrial by-products such as fly ash as raw materials for geopolymer cement has been highlighted as a better alternative to widely used comparing to Ordinary Portland Cement (OPC). Manufacturing process of OPC are proven emitting large amount of carbon dioxide (CO₂), one of the main greenhouse effect. While, in terms of performance, OPC creates high permeability between cement particles when exposes to High Pressure High Temperature (HPHT) conditions inside the wellbore. Despite proven to have superior mechanical properties, basic geopolymer cement still encountered problems when applied in the same condition. This paper investigates the strength development of geopolymer cement admixed with nano-silica, SiO₂ cured under temperature of 120°C and pressure of 4000 psi. It encompasses the microstructure change of the cement in terms of pore structures. The compressive strength development is tested using compressive strength tester, while the microstructural analysis are studied using Scanning Electorn Microscope (SEM) and X-Ray Diffraction (XRD). Results indicated that substantial increase in compressive strengthonce nano-silica is admixed. Pore distribution is improved due to nano-silica in geopolymer cement. This nanomaterial in geoploymer cement has better performance under HPHT condition than standard OPC and base geopolymer cement. © 2006-2016 Asian Research Publishing Network (ARPN).