原位氧化对Al掺杂szlig-FeSi2热电材料结构与性能的影响

原位反应合成Nb掺杂Al2O3／TiAl复合材料的显微结构分析

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Al~(3+)掺杂对Li_2FeSiO_4结构和电化学性能影响的研究

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氧化铝纤维增强氧化铝基复合材料研究进展

第42卷第11期2023年11月硅㊀酸㊀盐㊀通㊀报BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY Vol.42㊀No.11November,2023氧化铝纤维增强氧化铝基复合材料研究进展孙敬伟1,王洪磊1,2,周新贵1(1.国防科技大学空天科学学院,新型陶瓷纤维及其复合材料重点实验室,长沙㊀410073;2.中南大学轻质高强结构材料重点实验室,长沙㊀410083)摘要:与传统金属材料相比,氧化铝纤维增强氧化铝基(Al 2O 3/Al 2O 3)复合材料因具有比强度高㊁密度低㊁耐高温和抗氧化等特点,已经成为新一代备受国内外学者关注的航空航天热结构复合材料㊂本文介绍了目前常用的氧化铝纤维及其基本性能,总结了Al 2O 3/Al 2O 3复合材料中常用的界面相及其对复合材料性能的影响规律,归纳了Al 2O 3/Al 2O 3复合材料的制备工艺及性能,指出了该材料未来的发展趋势,旨在为国内Al 2O 3/Al 2O 3复合材料的研究提供借鉴和参考,促进Al 2O 3/Al 2O 3复合材料在航空航天领域热端高温部件上的广泛应用㊂关键词:氧化铝;复合材料;纤维;界面相;制备工艺中图分类号:TQ174㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1001-1625(2023)11-4092-21Research Progress of Al 2O 3Fiber Reinforced Al 2O 3Matrix CompositesSUN Jingwei 1,WANG Honglei 1,2,ZHOU Xingui 1(1.Science and Technology on Advanced Ceramic Fibers and Composites Laboratory,College of Aerospace Science andEngineering,National University of Defense Technology,Changsha 410073,China;2.National Key Laboratory of Scienceand Technology on High-Strength Structural Materials,Central South University,Changsha 410083,China)Abstract :Compared with traditional metal material,Al 2O 3fiber reinforced Al 2O 3matrix (Al 2O 3/Al 2O 3)composites have become a new generation of thermos-structured composites for aerospace that have attracted much attention from scholars all over the world due to their high specific strength,low density,high temperature resistance and oxidation resistance.This paper introduces the commonly used Al 2O 3fibers and their basic properties,summarizes the frequently used interfacial phases in Al 2O 3/Al 2O 3composites and their influence on performance of composites,summarizes the preparation process of Al 2O 3/Al 2O 3composites and their properties,and points out the future development trend of this material,aiming toprovide a reference for the research of Al 2O 3/Al 2O 3composites in China and promote the widespread application of Al 2O 3/Al 2O 3composites in high-temperature components at the hot side of aerospace industry.Key words :Al 2O 3;composite;fiber;interfacial phase;manufacturing process 收稿日期:2023-06-02;修订日期:2023-08-03基金项目:中南大学轻质高强结构材料重点实验室开放课题基金(SYSJJ202104)作者简介:孙敬伟(2000 ),男,硕士研究生㊂主要从事陶瓷基复合材料方面的研究㊂E-mail:sunjingwei0120@通信作者:王洪磊,博士,副教授㊂E-mail:honglei.wang@ 0㊀引㊀言连续纤维增强陶瓷基复合材料具有低密度㊁高强度㊁高模量㊁耐高温和抗磨损等特点[1-4],已被应用于航空航天发动机热端等关键部件[5-7]㊂在发动机实际工况下,高温燃气中的水蒸气会加速航空发动机热端复合材料部件的氧化[8-10],从而减弱复合材料的力学性能和可靠性[11-14]㊂氧化铝纤维增强氧化铝复合材料(简称Al 2O 3/Al 2O 3复合材料)相较于其他陶瓷基复合材料具有较好的抗水蒸气氧化性能[14-17],有效解决了陶瓷基复合材料在特定环境下易氧化的问题,极大拓宽了陶瓷基复合材料在航空航天等领域的应用[16,18-19]㊂目前Al 2O 3/Al 2O 3复合材料作为航空航天领域热端高温部件的新兴候选材料受到了国内外学者的广泛关注[17,20-21]㊂国外对Al 2O 3/Al 2O 3复合材料的研究起步较早,现已对Al 2O 3/Al 2O 3复合材料的制备技术㊁微观结构及第11期孙敬伟等:氧化铝纤维增强氧化铝基复合材料研究进展4093㊀性能展开了系统的基础研究,并进入了工程应用阶段[22-24]㊂美国CHI(Composites Horizons)公司制备的Al2O3/Al2O3复合材料中心锥㊁混合器和核心整流罩部件成功应用到了GE-passport20发动机中,是Al2O3/ Al2O3复合材料在商用航空发动机中最早的应用㊂美国在CLEEN项目[22]中成功制备了Al2O3/Al2O3复合材料中心锥和喷管部件,组成了航空发动机排气部件(中心锥宽1.14m㊁高2.34m,喷管直径1.60m),是迄今为止尺寸最大的Al2O3/Al2O3复合材料航空发动机部件,该部件已完成装机测试,达到TRL(Technology Readiness Level)7水平,进入了最终完善阶段㊂此外美国的罗㊃罗AE3007发动机[25]㊁F414发动机等也都装配了Al2O3/Al2O3复合材料部件㊂德国在HiPOC项目[24,26]成功制备了Al2O3/Al2O3复合材料燃烧室衬套,完成了模拟发动机推力90%的测试,衬套整体保持完整㊂在此基础上,德国DLR[23,27]制备了WHIPOX-Al2O3/ Al2O3复合材料燃烧室衬套,该衬套经10h模拟环境考核后出现裂纹,但部件整体完整,没有出现灾难性破坏㊂同时,Al2O3/Al2O3复合材料也被广泛应用于民用工业领域㊂德国WPS公司[28-29]在Al2O3/Al2O3复合材料部件的工业开发与应用制造方面具有丰富的经验,制备了高温炉部件㊁汽车排气系统㊁陶瓷紧固件和太阳能吸收器等一系列复杂形态Al2O3/Al2O3复合材料部件,其中高温炉部件经500~780ħ的温差热震试验循环107次后未失效,同时,太阳能吸收器热部件的直径可达2.5m,是目前最大的Al2O3/Al2O3复合材料部件㊂受限于高性能Al2O3纤维原材料,我国对Al2O3/Al2O3复合材料的研究起步较晚,虽然近年来在Al2O3/ Al2O3复合材料应用领域取得了一定进展,但仍处于基础研究阶段,尚有许多应用问题需要解决[30-32]㊂本文从氧化铝纤维㊁界面相和复合材料制备工艺的角度出发,重点介绍了Al2O3/Al2O3复合材料制备技术及性能,指出了这一领域未来的发展趋势,期望为国内Al2O3/Al2O3复合材料研究领域的发展提供一些参考㊂1㊀氧化铝连续纤维氧化铝连续纤维的研究始于20世纪70年代,目前只有美国㊁日本㊁德国和中国等国家掌握了其制造技术[33]㊂美国3M公司在1974年首次通过溶胶-凝胶法制备了氧化铝纤维,经过不断优化,推出了Nextel系列氧化铝纤维,其中Nextel610纤维和Nextel720纤维是目前应用最广泛的氧化铝纤维[11,34-35]㊂1.1㊀Nextel610氧化铝纤维Nextel610氧化铝纤维的主要成分为α-Al2O3,含有低于1%(质量分数,下同)的Fe3O4和SiO2,为单相多晶氧化铝纤维㊂在纤维制备过程中,Fe3O4有效提高了α-Al2O3的形核率,降低了α-Al2O3的相变温度, SiO2有效减小了α-Al2O3晶粒的生长速率㊂在Fe3O4和SiO2的共同作用下,氧化铝纤维的烧结温度显著降低且致密度明显上升㊂Nextel610氧化铝纤维是目前室温拉伸强度和拉伸模量最高的氧化铝纤维,但高温处理后纤维中α-Al2O3晶粒迅速长大,纤维缺陷增多,力学性能明显下降㊂Nextel610氧化铝纤维的基础性能如表1所示㊂表1㊀Nextel610氧化铝纤维的基础性能Table1㊀General properties of Nextel610Al2O3fiberTrademark Component Diameter/μm Density/(g㊃cm-3)Tensilestrength/GPaTensilemodulus/GPaFracturestrain/%Nextel61099.0%α-Al2O30.7%Fe3O40.3%SiO210~12 3.90 3.103800.50在高温条件下,Nextel610氧化铝纤维晶粒会显著长大,晶粒生长速率受保温时间影响较大㊂Schmücker 等[36]对Nextel610氧化铝纤维在1300ħ热处理过程中的晶粒长大机制进行了详细研究,发现Nextel610氧化铝纤维中的掺杂元素在α-Al2O3晶界附近偏聚,使得α-Al2O3晶界迁移率降低,α-Al2O3晶粒生长速率较小㊂根据等温生长动力学计算公式(式(1))可得Nextel610氧化铝纤维的生长指数nʈ4,Nextel650和Nextel720氧化铝纤维的生长指数nʈ7㊂但由于Nextel610氧化铝纤维中没有第二相成分抑制晶粒生长, Nextel610氧化铝纤维相较于另外两种氧化铝纤维在高温条件下的晶粒生长速率受保温时间影响较大(如图1所示)㊂根据生长指数n㊁α-Al2O3的晶粒尺寸和温度的关系,计算出了Nextel610氧化铝纤维的晶粒生4094㊀陶㊀瓷硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷图1㊀氧化铝纤维1300ħ热处理后晶粒尺寸与保温时间的关系[36]Fig.1㊀Relationship between grain size and dwell time of Al 2O 3fibers heat-treated at 1300ħ[36]长活化能约为660kJ㊃mol -1㊂D n -D n 0=K (T )ˑt (1)式中:D 为热处理后晶粒尺寸,D 0为原始晶粒尺寸,K为反应常数,t 为热处理时间,n 为生长指数,理想状态下n 为2[37]㊂Nextel 610氧化铝纤维经高温处理后晶粒会显著长大,力学性能下降㊂姜如等[35]对Nextel 610氧化铝纤维在1000~1400ħ进行热处理后发现,纤维经1200ħ热处理后的表面晶粒尺寸明显增大;当热处理温度为1400ħ时,纤维表面缺陷明显增多,纤维经不同温度热处理后的表面形貌如图2所示㊂对不同温度热处理后的纤维进行拉伸强度测试发现,随着热处理温度的升高,纤维的拉伸强度逐渐降低㊂当热处理温度为1200ħ时,纤维的拉伸强度发生突变,强度保留率仅为71.15%㊂不同温度热处理后纤维的晶粒尺寸与拉伸强度关系如图3所示㊂图2㊀不同温度热处理后Nextel 610氧化铝纤维的表面形貌[35]Fig.2㊀Surface morphologies of Nextel 610Al 2O 3fibers heat-treated at different temperatures [35]Nextel 610氧化铝纤维的高温力学性能随测试温度变化显著㊂美国3M 公司[38]报道了Nextel 610氧化铝纤维的高温力学性能,如图4所示㊂由图4可知,Nextel 610氧化铝纤维在1200ħ之前强度较高,强度保留率在95%以上;1300ħ时强度下降明显,强度保留率降低至64%;1400ħ时的强度保留率仅为30.2%㊂这主要是因为Nextel 610氧化铝纤维是单相纤维,在较高的温度下晶粒快速长大,导致强度迅速下降㊂第11期孙敬伟等:氧化铝纤维增强氧化铝基复合材料研究进展4095㊀图3㊀不同温度热处理后Nextel 610氧化铝纤维晶粒尺寸和拉伸强度关系[35]Fig.3㊀Relationship between grain size and tensile strength of Nextel 610Al 2O 3fiber heat-treated at different temperatures[35]图4㊀Nextel 系列氧化铝纤维的高温力学性能[38]Fig.4㊀High temperature mechanical properties of Nextel series Al 2O 3fiber [38]㊀Nextel 610氧化铝纤维的抗蠕变性能较差,在不同环境热处理后其蠕变性能有明显差异㊂Armain 等[39]研究了1100ħ时Nextel 610氧化铝纤维分别在空气和水汽气氛下的蠕变行为,发现当蠕变应力为100MPa 时,Nextel 610氧化铝纤维在两种气氛下的寿命都超过100h,水汽气氛下的蠕变应变为空气气氛下的5倍㊂而当蠕变应力为200~500MPa 时,水汽气氛下的蠕变应变略低于空气气氛下的蠕变应变,Nextel 610氧化铝纤维在不同气氛下的蠕变曲线如图5所示㊂水汽显著增加了Nextel 610纤维的蠕变速率,当蠕变应力为100~500MPa 时,纤维在水汽气氛下的蠕变速率较空气气氛下的蠕变速率高近一个数量级㊂图5㊀1100ħ下Nextel 610氧化铝纤维在不同气氛中的蠕变曲线[39]Fig.5㊀Creep curves of Nextel 610Al 2O 3fiber in different atmosphere at 1100ħ[39]1.2㊀Nextel 720氧化铝纤维Nextel 720氧化铝纤维主要含α-Al 2O 3和SiO 2,其中SiO 2的含量约为15%[35]㊂在纤维烧成过程中SiO 2与α-Al 2O 3反应生成莫来石,莫来石可在α-Al 2O 3晶界处聚集,形成莫来石包围α-Al 2O 3的结构,有效抑制了α-Al 2O 3晶粒的生长,明显提高了纤维的抗蠕变性能㊂Nextel 720氧化铝纤维的性能如表2所示㊂表2㊀Nextel 720氧化铝纤维的基础性能Table 2㊀General properties of Nextel 720A 2O 3fiberTrademark Component Diameter /μm Density /(g㊃cm -3)Tensile strength /GPa Tensile modulus /GPa Fracture strain /%Nextel 72085.0%α-Al 2O 315.0%SiO 210~12 3.40 2.102600.81与Nextel 610氧化铝纤维类似,高温热处理可使Nextel 720氧化铝纤维的晶粒长大,尤其在高于1600ħ的温度下,Nextel 720氧化铝纤维晶粒长大明显㊂Schmücker 等[36]在1500~1700ħ对Nextel 7204096㊀陶㊀瓷硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷图6㊀Nextel 720氧化铝纤维在1500~1700ħ热处理时晶粒尺寸与保温时间的关系[36]Fig.6㊀Relationship between grain size and dwell time of Nextel 720Al 2O 3fiber heat-treated at 1500~1700ħ[36]氧化铝纤维进行热处理,晶粒尺寸随时间的变化如图6所示㊂由图6可以看出,1600ħ以下的氧化铝纤维晶粒长大不明显,1600ħ以上氧化铝纤维晶粒显著长大㊂根据式(1)计算得到1600ħ以下莫来石晶粒的生长指数n ʈ12,1600ħ以上莫来石晶粒的生长指数n ʈ3,均在典型的陶瓷晶粒生长指数区间内[37]㊂因此当热处理温度低于1600ħ时,Nextel 720氧化铝纤维中的晶粒长大主要为α-Al 2O 3晶粒的生长,莫来石晶粒几乎不长大,并且由于莫来石的存在,α-Al 2O 3晶粒的生长受到抑制㊂当热处理温度高于1600ħ时,Nextel 720氧化铝纤维中晶粒长大主要来源于莫来石晶粒的生长㊂高温热处理会对Nextel 720氧化铝纤维的拉伸强度产生显著影响㊂郑周等[31]通过对Nextel 720氧化铝纤维热处理后发现,当热处理温度为1300ħ时,莫来石相由伪四方结构逐渐转变为斜方结构,氧化铝晶体从莫来石晶体中析出㊂观察纤维热处理后的表面形貌发现,1100ħ热处理后纤维表面由颗粒状α-Al 2O 3晶体和条状的莫来石晶体混杂形成,1300ħ热处理后的纤维表面颗粒状α-Al 2O 3晶体显著长大为块状晶体,与条状莫来石晶体镶嵌分布,不同温度热处理后的纤维表面形貌如图7所示㊂对不同温度热处理后的纤维拉伸强度进行测试后发现,随着热处理温度的升高,纤维的拉伸强度逐渐下降㊂1100ħ热处理后纤维室温拉伸强度下降明显,强度保留率为64.48%;1300ħ热处理后的纤维拉伸强度保留率降为54.10%㊂图7㊀不同温度热处理的Nextel 720氧化铝纤维表面形貌[31]Fig.7㊀Surface morphologies of Nextel 720Al 2O 3fiber heat-treated at different temperatures [31]Nextel 720氧化铝纤维的高温力学性能也随测试温度的升高而显著降低㊂美国3M 公司[38]报道了Nextel 720氧化铝纤维的高温力学性能,如图4所示㊂由图4可知,当测试温度低于1200ħ时,Nextel 720氧化铝纤维高温拉伸性能低于Nextel 610氧化铝纤维,这是因为在1200ħ前,Nextel 610氧化铝纤维晶粒长大不明显,纤维拉伸强度保留率较高;当测试温度高于1200ħ时,Nextel 610氧化铝纤维晶粒明显长大,拉伸强度明显下降,而Nextel 720氧化铝纤维晶粒长大不明显,导致Nextel 720氧化铝纤维在1200ħ以上高㊀第11期孙敬伟等:氧化铝纤维增强氧化铝基复合材料研究进展4097温拉伸性能高于Nextel610氧化铝纤维㊂Nextel720氧化铝纤维的抗老化性能优于Nextel610氧化铝纤维㊂根据3M公司的报道[38],Nextel720氧化铝纤维在不同温度下暴露1000h后的拉伸强度和晶粒尺寸关系如图8所示㊂相较于Nextel610氧化铝纤维,Nextel720氧化铝纤维长时间高温暴露后的强度保留率较高,晶粒尺寸增长较缓慢㊂这得益于莫来石相减少了α-Al2O3的晶界滑移,且有助于钉扎晶粒,使Nextel720氧化铝纤维的抗热老化性能增强㊂图8㊀不同温度暴露1000h后Nextel720氧化铝纤维拉伸强度和晶粒尺寸[38]Fig.8㊀Tensile strength and grain size of Nextel720fiber exposured1000h at different temperatures[38] Nextel720氧化铝纤维的抗蠕变性能较好,但不同高温环境对Nextel720氧化铝纤维的蠕变性能的影响显著不同㊂Armain等[40]研究了Nextel720氧化铝纤维在空气和水汽气氛下不同温度时的蠕变行为,发现当蠕变应力为400MPa㊁热处理温度为1100ħ时,Nextel720氧化铝纤维在水汽气氛下的蠕变应变约为空气气氛下蠕变应变的2倍㊂当蠕变应力为200MPa㊁热处理温度为1200ħ时,水汽气氛下的蠕变应变为空气气氛下蠕变应变的4~7倍㊂Nextel720氧化铝纤维在不同气氛下的蠕变曲线如图9所示㊂水汽的存在显著增㊀㊀㊀图9㊀不同温度下Nextel720氧化铝纤维在不同气氛中的蠕变曲线[40]Fig.9㊀Creep curves of Nextel720Al2O3fiber in different atmosphere at different temperature[40]4098㊀陶㊀瓷硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷加了Nextel 720纤维的蠕变速率,当蠕变应力为100~300MPa㊁热处理温度为1200ħ时,水汽气氛下的蠕变速率比空气气氛下的蠕变速率高近一个数量级㊂综上所述,Nextel 610氧化铝纤维成分单一,主要为α-Al 2O 3相,其室温和高温拉伸强度较高,但纤维的单相组成导致其力学性能受温度影响较明显,纤维的高温稳定性和抗蠕变性能差㊂为提高纤维的稳定性和抗蠕变性能,3M 公司在Nextel 610氧化铝纤维的基础上开发了Nextel 720氧化铝纤维㊂Nextel 720氧化铝纤维中主要含有α-Al 2O 3和莫来石两相,相较于Nextel 610氧化铝纤维,Nextel 720氧化铝纤维的室温和高温力学性能较差㊂但由于莫来石相的存在,Nextel 720氧化铝纤维在高温下的晶粒长大速率较小,稳定性和抗蠕变性能较好㊂Nextel 610氧化铝纤维和Nextel 720氧化铝纤维的优缺点如表3所示㊂表3㊀Nextel 610氧化铝纤维和Nextel 720氧化铝纤维的优缺点Table 3㊀Advantages and disadvantages of Nextel 610and Nextel 720Al 2O 3fibersAl 2O 3fiberAdvantage Disadvantage Nextel 610Single phase fiber;high tensile strength Mechanical properties are significantly affected by temperature Nextel 720Good stability;mechanical properties are not significantly affected by temperatureTwo phase fiber;low tensile strength 2㊀界面相在连续纤维增强陶瓷基复合材料中,界面是连接纤维与基体的桥梁,主要承担着传递载荷㊁偏转裂纹㊁消除热应力和阻挡元素扩散的作用,对复合材料的性能有重要影响[41-43]㊂界面相要与纤维和基体间有良好的物理和化学相容性,同时界面相与纤维和基体间的结合强度要适中,这是因为一方面界面相能防止界面结合强度过大导致复合材料发生脆性断裂,降低力学性能[44];另一方面界面相能防止界面结合强度过小导致载荷不能通过界面传递给纤维,减弱纤维的增强作用[45]㊂目前,Al 2O 3/Al 2O 3复合材料中常用的界面相主要为热解碳(PyC)[46-48]㊁氮化硼(BN)[49]和独居石(LaPO 4)[50-51]㊂2.1㊀热解碳(PyC )界面相PyC 具有特殊的层状结构,层与层之间通过范德瓦尔斯力结合,被广泛应用于复合材料界面相材料㊂PyC 与氧化物纤维相容性好,且能有效阻挡纤维和基体间的元素扩散㊂Wang 等[48]采用化学气相沉积(chemical vapor deposition,CVD)工艺于1300ħ在氧化铝纤维表面制备了厚度约为70nm 的PyC 涂层,涂层的微观形貌如图10所示㊂由图可知,PyC 涂层与纤维结合性良好,纤维表面产生了由缺陷和晶粒长大引起的凹凸表面㊂纤维和基体两个组分被约60nm 厚的均匀PyC 涂层分离,没有发生任何界面扩散和反应㊂PyC 涂层具有明显的层状结构,非常有利于裂纹偏转[52],提高复合材料的力学性能㊂PyC 涂层厚度会对纤维的力学性能产生较明显的影响㊂Wang 等[46]采用CVD 法在氧化铝纤维表面制备了不同厚度的PyC 涂层,纤维的截面形貌如图11所示,此外还研究了涂层厚度和结合强度对纤维力学性能的影响㊂结果表明,当涂层厚度较小(0.15μm)时,涂层能够愈合纤维表面缺陷[53],从而提高纤维的拉伸强度㊂随着涂层厚度的增加,纤维的拉伸强度逐渐降低㊂产生这一现象的原因是:1)涂层的柔软性对纤维拉伸强度的影响大于表面缺陷的愈合效果;2)涂层厚度增加需要更长的CVD 时间,长时间高温环境易使纤维强度下降;3)纤维和PyC 涂层的热膨胀系数不同(纤维为5.3ˑ10-6ħ-1,PyC 涂层为2.5ˑ10-6ħ-1),当涂层较厚时,纤维和涂层间出现间隙,界面结合强度较弱㊂受到外力时,裂纹不能偏转,导致应力集中于纤维表面,易使纤维发生断裂㊂PyC 涂层会对复合材料的力学性能产生明显影响㊂Geng 等[47]在氧化铝纤维编织件上制备了PyC 涂层,随后通过溶胶-凝胶法制备了莫来石/Al 2O 3复合材料,有无PyC 涂层的莫来石/Al 2O 3复合材料的断口形貌如图12所示㊂无PyC 涂层的复合材料断口平整,没有纤维拔出现象㊂这说明复合材料在断裂过程中,由于裂纹尖端应力集中导致裂纹直接穿过氧化铝纤维,纤维的增韧机制没有得到发挥㊂有PyC 涂层的复合材料的断口纤维大量拔出,纤维拔出机制吸收了大部分能量,并且在断裂过程中产生沿纤维轴向扩展的裂纹,有效阻止了复合材料发生脆性断裂㊂㊀第11期孙敬伟等:氧化铝纤维增强氧化铝基复合材料研究进展4099图10㊀PyC涂层纤维的微观结构[48]Fig.10㊀Microstructure of PyC coated fiber[48]图11㊀不同厚度PyC涂层纤维的截面形貌[46]Fig.11㊀Cross-section morphologies of PyC coated fibers with different thickness[46]2.2㊀氮化硼(BN)界面相BN具有与PyC类似的层状结构,在复合材料中引入该结构界面相后,当复合材料受到外力时,裂纹可沿界面层间扩展,起到保护纤维和提高复合材料力学性能的作用㊂相较于PyC涂层,BN的抗氧化性能较好,但在高于850ħ的氧化环境下,BN可与O2发生反应生成具有挥发性的B2O3,从而导致界面相消失㊂4100㊀陶㊀瓷硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷图12㊀莫来石/Al2O3复合材料的微观结构[47]Fig.12㊀Microstructure of mullite/Al2O3composites[47]高温热处理会对BN涂层的结晶度产生显著影响㊂Sun等[49]通过CVD工艺在氧化铝纤维表面制备了BN涂层,BN涂层的微观结构如图13所示㊂图13(a)为700ħ下沉积的BN涂层,由图可知涂层与纤维结合良好,BN呈非晶结构㊂图13(b)和13(c)为700ħ下沉积后经1300ħ热处理后的BN涂层,由图可知热处理后的BN涂层结晶度显著提高,具有明显的层状结构,为六方相氮化硼(h-BN)㊂对比图13(a)~(c)可知,高温热处理可以提高BN涂层的结晶度,使其由非晶相BN涂层转变为六方相BN涂层㊂图13㊀BN涂层纤维的微观结构[49]Fig.13㊀Microstructure of BN coated fibers[49]BN涂层的沉积温度会对涂层厚度和涂层纤维的力学性能产生明显影响㊂Sun等[49]以单源氨硼烷为前驱体,采用低温CVD工艺(700~900ħ)在氧化铝纤维表面制备了BN涂层,BN涂层纤维截面的微观形貌如图14所示㊂由图可知,在不同温度下沉积的BN涂层与纤维结合良好,且随着沉积温度的升高,BN涂层的厚度逐渐增加㊂对涂层纤维进行拉伸强度测试后发现,随着沉积温度的升高,涂层纤维的拉伸强度逐渐下降㊂700ħ下沉积涂层后的氧化铝纤维强度保持率为94.9%,900ħ下沉积涂层后的氧化铝纤维强度保持率迅速下降到54.8%㊂纤维拉伸强度下降的原因为:1)涂层沉积过程中的高温使纤维晶粒长大,导致纤维力学性能下降;2)BN涂层和氧化铝纤维的热膨胀系数不同,涂层和纤维在不同的沉积温度下有不同的收缩速率,从而产生残余热应力㊂残余热应力随着沉积温度的升高而升高,从而导致涂层纤维的力学性能随着沉㊀第11期孙敬伟等:氧化铝纤维增强氧化铝基复合材料研究进展4101积温度的升高而下降㊂图14㊀不同温度沉积BN涂层后的纤维截面形貌[49]Fig.14㊀Cross-section morphologies of fibers after deposition of BN coating at different temperatures[49]上述PyC㊁BN两种界面相均起到阻挡元素扩散㊁传递载荷和偏转裂纹等作用,是复合材料中较为常用的界面相,但抗氧化性能较差,在Al2O3/Al2O3复合材料中的应用受到一定限制㊂为解决这一问题,研究人员把目光投向了具有较强抗氧化性的多孔稀土-磷酸盐类材料上,其中应用最广泛的为独居石(LaPO4)界面相㊂2.3㊀独居石(LaPO4)界面相LaPO4的熔点高㊁硬度低,与氧化物纤维和基体相容性好,同时与氧化物纤维和基体结合强度适中,已被用于氧化物/氧化物复合材料中的界面相材料[54]㊂在受到外力时,LaPO4可以通过滑移㊁解离和孪晶等机制有效偏转裂纹,提升复合材料的力学性能㊂LaPO4在高温下会在表面形成一层连续致密的反应层,保护纤维不被高温侵蚀,提高复合材料的稳定性㊂Zhang等[50]以La2O3和磷酸为原料,通过化学共沉淀法和闪烧法制备了LaPO4涂层,该涂层导热系数较低,在1000ħ时的导热系数为1.41W/(m㊃K);稳定性较好,在1400ħ保温100h涂层不受破坏;耐蚀性能好,在700~900ħ的V2O5熔盐中腐蚀4h的腐蚀产物主要为La(P,V)O4,涂层的微观结构变化不大,在1000ħ的V2O5熔盐中腐蚀4h会生成少量的LaVO4,但腐蚀产物仍主要为La(P,V)O4㊂LaPO4涂层的微观结构会对涂层纤维的力学性能产生明显影响㊂Xu等[51]将硝酸镧与植酸混合得到LaPO4前驱体溶液(编号PA f),将硝酸镧与磷酸和柠檬酸混合制备了另一种LaPO4前驱体溶液(编号CA f),采用非匀相沉淀法在35和90ħ下将LaPO4前驱体沉积在氧化铝纤维表面,经600ħ高温处理后得到厚度为500~800nm的LaPO4涂层,涂层纤维的微观形貌如图15所示㊂研究了不同前驱体和沉积温度对纤维强度的影响,分析了涂层纤维的强度退化机理㊂结果表明,在35ħ下沉积的前驱体可以在纤维表面转化为致密的LaPO4涂层,该致密涂层阻止了高温下生成的有害气体排出,导致纤维强度下降[55-56];而采用植酸前驱体可在90ħ获得颗粒细小且堆叠松散的LaPO4涂层,该结构的孔洞分布均匀,有利于有害气体的逸出,使涂层纤维具有最高的拉伸强度㊂通过单纤维拔出测试(示意图如图16所示)发现,90ħ下由柠檬酸前驱体和植酸前驱体在纤维表面制备LaPO4涂层后,纤维与基体间的界面结合强度分别下降了32.5%和46.7%,纤维与基体实现弱界面结合,有助于提高复合材料的力学性能㊂图15㊀LaPO 4涂层纤维的截面形貌[51]Fig.15㊀Cross-section morphologies of LaPO 4coated fibers[51]图16㊀单纤维拔出测试示意图[51]Fig.16㊀Schematic diagram of single fiber pull-out test [51]LaPO 4涂层的厚度会对涂层编织件的稳定性有显著影响㊂Tao 等[54]以LaNO 3和P 2O 5为原料制备了LaPO 4前驱体溶液,采用反复浸渍烧结法在氧化物纤维编织件中制备了厚度为80~300nm 的LaPO 4涂层,涂层的微观形貌如图17所示㊂研究了LaPO 4涂层㊁SiC-SiO 2涂层和LaPO 4-SiC-SiO 2涂层对氧化物纤维编织件柔韧性的影响,其典型力-挠度曲线和氧化物纤维编织件测试前后的照片如图18所示㊂研究发现,具有LaPO 4涂层的氧化物纤维编织件刚度有所增加,但增加的程度很小㊂这说明LaPO 4涂层对氧化物纤维编织件的柔韧性没有明显影响,且对氧化物纤维编织件的高温脆性有一定的缓解作用㊂LaPO 4涂层对高温处理后复合材料的力学性能有明显影响㊂Keller 等[57]制备了Nextel 610/LaPO 4/Al 2O 3复合材料,探究了LaPO 4涂层对高温处理后的复合材料力学性能的影响㊂研究发现,不含LaPO 4涂层的复合材料在1200ħ热处理5h 后拉伸强度下降约70%,复合材料断口几乎没有纤维拔出现象;而含LaPO 4涂层的复合材料经热处理后的拉伸强度下降约36.7%,复合材料断口处有明显的纤维拔出现象(见图19),同时发现纤维拔出现象主要出现在涂层㊁纤维/涂层和涂层/基体界面,这说明LaPO 4涂层与纤维和基体结合力较弱㊂综上所述,PyC 涂层和BN 涂层均具有层状结构,是复合材料中常用的界面相㊂当复合材料受到外力时,PyC 涂层和BN 涂层可通过滑移㊁解离等机制有效偏转裂纹,提高复合材料的力学性能[44,52]㊂但涂层制备工艺复杂且抗氧化性能较差,PyC 涂层在空气中的温度高于400ħ即可被氧化,BN 涂层在空气中的温度高于850ħ即被氧化,限制了涂层在Al 2O 3/Al 2O 3复合材料中的应用㊂LaPO 4涂层与氧化物纤维和基体相容性好,制备工艺简单㊁抗氧化性能较好,被广泛用在Al 2O 3/Al 2O 3复合材料中㊂不同涂层的优缺点如表4所示㊂。

《2024年金属掺杂二维材料电催化CO2RR,HER,OER性能与机理的理论研究》范文

《金属掺杂二维材料电催化CO2RR，HER，OER性能与机理的理论研究》篇一一、引言随着人类对可再生能源和环境保护的需求日益增长，电催化技术因其能够将可再生能源转化为清洁能源并用于还原二氧化碳（CO2RR）、析氢反应（HER）和析氧反应（OER）等过程而备受关注。

金属掺杂的二维材料作为一种新兴的电催化剂，其独特的结构和性能使其在电催化领域具有巨大的应用潜力。

本文将重点研究金属掺杂二维材料在电催化CO2RR、HER、OER过程中的性能与机理，为推动电催化技术的发展提供理论支持。

二、金属掺杂二维材料的结构与性质金属掺杂的二维材料通常具有较大的比表面积、良好的导电性和优异的化学稳定性。

金属原子的掺入可以改变材料的电子结构和表面性质，从而影响其电催化性能。

本部分将详细介绍不同金属掺杂的二维材料的结构、性质及其在电催化领域的应用前景。

三、金属掺杂二维材料在CO2RR中的性能与机理CO2RR是一种将二氧化碳转化为有价值的化学产品的重要过程。

金属掺杂的二维材料作为电催化剂在CO2RR中表现出优异的性能。

本部分将通过理论计算和模拟，研究金属掺杂二维材料在CO2RR中的反应机理、活性位点以及影响因素，为设计高效的CO2RR电催化剂提供指导。

四、金属掺杂二维材料在HER中的性能与机理HER是水电解制氢的重要过程。

金属掺杂的二维材料因其良好的导电性和催化活性在HER中表现出显著的性能。

本部分将通过实验和理论计算，研究金属掺杂二维材料在HER中的反应路径、活性位点以及催化剂表面的电子结构变化，揭示其催化机理。

五、金属掺杂二维材料在OER中的性能与机理OER是水分解制氧的重要过程，但该过程需要较高的能量输入。

金属掺杂的二维材料在OER中表现出优异的性能，能够降低反应的过电位和能量消耗。

本部分将研究金属掺杂二维材料在OER中的反应动力学、催化剂表面的氧吸附和脱附过程以及催化剂的稳定性，为设计高效的OER电催化剂提供理论支持。

掺杂对二氧化钒电学性能的影响

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ＤＯＩ：１０．１６６６１／ｊ．ｃｎｋｉ．１６７２－３７９１．２０１５．３１．２３６
学术论坛
酸（ｒｔ，Ｃ，Ｏ）为还原剂，通过水热法在制备ＶＯ，粉体的同时掺杂杂
质离子，加入４０％的ＨＦ体积比为１：１００，Ｔｉ４离子的加入量４％、７％
￣ｎｌＯ％，然后在１８０℃的温度下反应时间１２ｈ、１８ｈ￣Ｂ２４ｈ，最终得掺杂了Ｆ一与Ｔｉ的ＶＯ粉体。反应公式如下：Ｖ，０＋３Ｈ，Ｃ，Ｏ＝２ＶＯＣ，０＋２ＣＱ＋３Ｈ，Ｏ
Ｖ０Ｃ０．Ｈ，０＝Ｖ０１＋Ｃ０．＋Ｈ．Ｏ＋Ｃ０
２实验结果及数据分析
２．１产物颜色分析
－
ａ
瓣
３０
４０
５０
６０
７０
８０
ｆ‘ Ｃ）
湍度（Ｃ）
图１２４ｈ￣Ｒ掺杂浓度ＶＯ：的电阻率
掺杂对＝氧化钒电学性能的影响 ①
陈冬丽
（攀枝花学院材料工程学院
四川攀枝花６１７０００）
摘要：ＶＯ。是一种典型的相变型金属氧化物，相变温度为６８℃，掺杂能有效地改变Ｖ０的相变温度，且相变前后光、电性能变化
幅度较大。该文采用水热法在制备的同时掺杂杂质离子制备Ｖ０粉体反应温度为１８０℃ ，反应时

原位合成 Al2O3／FeAl 复合材料的组织与性能

Ｃｈｉｎａ；２．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈａａｎｘｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｎｚｈｏｎｇ７２３０００，Ｃｈｉｎａ）
Ａｌ２Ｏ３／ＦｅＡ１ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄｂｙＸＲＤａｎｄＳＥＭ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．ＥｆｆｅｃｔｏｆＡ１２Ｏ３ｃｏｎ —
ｔａｉｌ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅａｓ — ｓｉｎｔｅｒｅｄｐｒｏｄｕｃｔｓａｒｅｍａｉｎｌｙｃｏｍｐｏｓｅｄｏｆＦｅＡ１ｍａｔｒｉｘａｎｄ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ１２Ｏ３／ＦｅＡＩｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｗｅｒｅｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｄｂｙｉｎｓｉｔｕｈｏｔ — ｐｒｅｓｓｉｎｇｍｅｔｈｏｄ，ｕｓｉｎｇｔｈｅ
汉中７２３０００）
摘要：利用Ｆｅ — Ａｌ — Ｆｅ。Ｏ。体系的放热反应，原位热压合成了Ａｌ。ｏ。／ＦｅＡｌ复合材料．借助ＸＲＤ和ＳＥＭ等研究了复合材料的物相组成和显微结构，以及Ａｌ。Ｏ。生成量对复合材料显微

原位电化学氧化还原制备高性能表面增强拉曼散射银纳米颗粒薄膜

原位电化学氧化还原制备高性能表面增强拉曼散射银纳米颗粒薄膜雷浩;李艳;郭孟伟;张启波【期刊名称】《中国有色金属学报:英文版》【年(卷),期】2023(33)2【摘要】在适当p H范围的碱性溶液中,通过施加氧化还原电位实现光滑Ag基体原位转化为纳米多孔结构,此纳米多孔结构由平均尺寸为21.88nm的Ag纳米颗粒(AgNPs)组成。

系统研究电化学氧化还原调控制备AgNPs电极过程中Ag基体的物相和形貌演化过程:在可控氧化还原电位的作用下,光滑Ag基体首先被电化学氧化为Ag_(2)O,引起晶胞体积膨胀,随后电化学还原生成金属Ag,伴随体积收缩。

晶胞体积在可逆电化学转化过程中的膨胀和收缩导致Ag基体表面原位形成高孔隙结构。

采用该方法制备的AgNPs电极呈现优异的表面增强拉曼散射性能,将其作为衬底检测罗丹明6G溶液时,拉曼光谱检测限可低至5.44×10^(-10)mol/L。

【总页数】14页(P539-552)【作者】雷浩;李艳;郭孟伟;张启波【作者单位】昆明理工大学冶金与能源工程学院离子液体冶金实验室;哈尔滨工业大学(深圳)深圳市柔性印刷电子技术研究中心;昆明理工大学云南省复杂有色金属资源清洁利用国家重点实验室【正文语种】中文【中图分类】TB3【相关文献】1.电化学原位表面增强拉曼光谱研究Au@Pd纳米粒子薄膜电极上吸附 CO的斯塔克效应2.p-Thiocresol吸附在银纳米粒子表面系统的表面增强拉曼散射和表面增强共振拉曼散射的增强研究3.4-ATP在掺杂银纳米粒子的类金刚石薄膜活性基底上的表面增强拉曼散射研究4.一步法制备无表面修饰剂花状金纳米颗粒及其表面增强拉曼散射性能研究5.基于单个花状银纳米颗粒的表面增强拉曼散射效应研究因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

原位自生法

金属基复合材料原位自生法班级：材料092姓名: 朱光辉学号：109012042课程：复合材料金属基复合材料原位自生法摘要:在现有的金属基复合材料制备技术中,原位反应合成技术具有显著的技术优势和经济优势,它已成为当今复合材料领域中最活跃的研究方向。

原位反应合成技术主要有:放热弥散法、气液反应合成法、自蔓延燃烧反应法、直接氧化法、无压力浸润法、反应喷射沉积法、接触反应法、机械合金化法等。

文中综合评述了各种原位反应合成工艺方法的原理、特点和应用前景。

利用原位反应合成法制备金属基复合材料,在同等条件下,其力学性能一般都高于强制法制备的复合材料。

并且原位反应合成技术的原料来源广泛、价格较低,工艺又相对简单、制作成本低,适合并能够大规模工业化生产,是一种很有前途的合成技术。

金属基复合材料所具有的高比强度、比模量、良好的导热、导电性、耐磨性、高温性能、低的热膨胀系数、高的尺寸稳定性等优异的综合性能,使金属基复合材料在航天、航空、电子、汽车以及先进武器系统中均具有广泛的应用前景。

由于金属基复合材料制作工艺复杂、成本昂贵,在一段时间内其发展规模一直落后于树脂基复合材料。

自20 世纪80 年代初,日本丰田汽车首次将陶瓷纤维增强铝基复合材料试用于制造发动机活塞以来,金属基复合材料的研制和开发获得了飞速发展,20世纪80 年代末期出现了一系列新的复合材料制备技术,其中原位反应合成技术因其工艺简单,材料性能优异、产品成本低、可近终形成型等而成为当今复合材料研究领域的前沿课题之一。

该技术的原理是根据材料设计的要求,选择适当的反应剂(气相、液相或粉末固相) ,在适当的温度下,借助于基体金属或合金和它们之间的化学反应,原位生成尺寸十分细小,分布均匀的增强相。

合成的增强相包括氧化物、碳化物、氮化物、硼化物、甚至硅化物,如:Al2O3、TiC、SiC、TiN、TiB2、Si3N4 等颗粒。

这些原位生成的增强相粒子与基体间的界面无杂质污染,两者之间有理想的原位匹配,界面结合非常好,增强相粒子热力学稳定。

氧化物热电材料研究进展

氧化物热电材料研究进展徐飞;李安敏;程晓鹏;孔德明【摘要】由于能源危机正在到来,废热回收已经成为解决能源短缺问题的有效途径之一,热电材料在废热收集环节中占有举足轻重的地位.其中,氧化物热电材料拥有抗氧化能力强、热稳定性好、原料相对低廉、制备工艺相对简单、无毒、无污染、使用寿命长等传统合金材料不具备的优点,但由于低的电导率因而限制了其在热电性能方面的表现.已经有大量研究发现,可以通过元素掺杂,改善氧化物热电材料的热电性能,氧化物热电材料再次受到广大研究者的关注.综述了氧化物热电材料的研究进展与今后的发展方向,着重阐述了以BiCuSeO为代表的氧化物热电材料的基本结构、性能特征与研究进展;评述了BiCuSeO材料Bi位、Cu位和O位掺杂研究以及BiCuSeO的结构优化;并简单介绍了NaCo2 O 4、Ca3 Co4 O 9、SrTiO 3、ZnO、In2 O 3热电材料的研究情况.【期刊名称】《功能材料》【年(卷),期】2019(050)004【总页数】11页(P4038-4048)【关键词】废热回收;热电材料;氧化物热电材料;BiCuSeO;元素掺杂【作者】徐飞;李安敏;程晓鹏;孔德明【作者单位】广西大学资源环境与材料学院,广西有色金属及特色材料加工重点实验室,南宁 530004;广西大学资源环境与材料学院,广西有色金属及特色材料加工重点实验室,南宁 530004;广西大学资源环境与材料学院,广西有色金属及特色材料加工重点实验室,南宁 530004;广西大学资源环境与材料学院,广西有色金属及特色材料加工重点实验室,南宁 530004【正文语种】中文【中图分类】TB340 引言对于热电材料研究，早在1822年,塞贝克(Seebeck)就在《普鲁士科学院报》中描述了一个这样的现象，在相互连接的不同导体中, 由于温度差就会出现自由磁子。

将两种不同金属材料连接，将连线一端处于较高温度下，温度为T1(热端)，而另一端处于开路且较低温度下，温度为T2(冷端)，这时冷端存在一个开路电压ΔV，这个现象被称为Seebeck效应，ΔV被称为Seebeck电压，ΔV与热冷两端的温差ΔT成正比，即ΔV=SΔT=S(T1-T2)(1)其中，S为Seebeck系数，只与材料自身的电子能带结构相关。

原位SiC颗粒对SiCp／MoSi2抗氧化性能的影响

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总第１７５期
２００７年８月
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文章编号：０９— ７ｏ２０）４— ０８— ４１０９０（０７００００
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氧化铝载体和氧化钡助剂对钌基氨合成催化剂结构和性能的影响

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ｐｏｏｌｃｒｎｓｅｔｏｃｐ．ｅｅｅｔｏ２ｎｈＯｏｏｅｈｈｓｔｕｔｒ．ｔｘｕｅｈｔｅｅｔｏｐｃｒｓｏｙＴｈｆｃｆＡｌＯ３ａｄｔｅＢａｐｒｍｔｒｏｎｔｅｐａｅｓｒｃｕｅｅｔｒ
（Ｆ、ＸＲ）透射电镜（Ｅ、ＴＭ）Ｈ程序升温还原（Ｐ、Ｈ程序升温脱附（Ｈ－Ｐ）Ｘ射线光电子能谱（Ｓ）Ｈ一Ｒ）Ｎ。ＴＮ。Ｄ和ＴＸＰ等
方法研究了不同来源的Ａ。Ｊ以及ＢＯ助剂含量对负载型钌基催化剂的物相结构、Ｏａ织构性质、微观形貌、表面性
质和催化剂的氨合成活性等方面的影响．果表明，体的物理化学性质对制备的钌基氨合成催化剂的结构以结载及活性有较大影响．ａＢＯ助剂对催化剂的影响主要表现在两个方面：加量不同导致ＢＯ与ｐＡ。作用力添ａｌ的Ｏ不同，而进一步影响催化体系的比表面积和孔结构性质：ａ从ＢＯ助剂会对体系的Ｒ物种还原性质以及催化剂ｕ

铝掺杂对铜铈复合氧化物催化一氧化碳氧化性能的影响

Ａｂｔａｔｓｒｃ：Ａｅｉｓｏ吡Ｃｅ９ｓｒｅｆＣｕ０ＡｌＯｃｔｌｓｓｗｅｅｐｅｒｄｂＯｐｅｉｉａｉｎｕｓｎｔｌｎｔａｅｎｏｉｍａａｙｔｒｒｐａｅｙＣ — ｒｃｐｔｔｏｉｇｍｅａ— ｉｒｔｓａｄｓｄｕ
０ｃｔｌｓｓｗｅｅａａｙｔｒｅｆｃｓｆＡｌｃｎｅｔａｄｃｔｙｔｃｃｎａｉｎｔｍｐｅａｕｅｎｔｃｉｉｙｆｔｏＣｅ９ｘｆｅｔｏｏｔｎｎａａｓａｉｔｏｅｌｌｒｔｒｏｈｅａｔｖｔｏｈｅＣｕ１ｎ－Ａ１
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ｉｖｓｇｔｄＴｅｒｓｌｈｗｔａｈａａｙｉａｔｉｆｔｅｐｅａｅｕｏ￣ｘｎｃｅｓｓｆｒｔｙｗｉｎｅｔａｅ．ｈｅｕｔｓｏｈｔｔｅｃｔｌｔｃｉｔｏｈｒｐｒｄＣ０Ｃｅ９＿ＡｌＯｙｉｒａｅｉｓｌｔＡ１ｉｓｃｖｙ１ｈ
附／附、射线衍射（Ｒ）氢一序升温还原（：Ｐ）对样品进行了表征，用微反一谱评价装置考察了催化剂对Ｃ低脱ｘ一ｘＤ和程Ｈ．Ｒ等Ｔ利色Ｏ温氧化反应的活性，究了Ａ含量＝ — ．和催化剂焙烧温度（５、０研１Ｏｏ３）３０５０和６０℃）Ｃｅｏ催化活性的影响。结果表５对ｕＣ。
王倩毛东森方珍妮俞俊杨志强

第一性原理研究Mg掺杂对LiCoO_(2)正极材料结构稳定性及其电子结构的影响

Eform = E (doped) − E (LiCoO2)
∑
∑
− E (Mgdoped) + E (host) , (1)
其中 Eform 表示形成能, E (doped)为掺杂 Mg 后体系的总能量 , E (LiCoO2)为纯 LiCoO2 的总能量 , E (Mgdoped)为掺杂的 Mg 原子的能量, E (host)为被替代的原子的能量.
关键词：LiCoO2, 形成能, 电子结构, 第一性原理 PACS：82.47.Aa, 71.15.Mb, 71.20.–b, 71.30.+h
DOI: 10.7498/70.20210064
1 引言
近年来, 随着电动汽车、智能电子设备等领域的快速发展, 作为主要动力来源的锂离子电池成为众多科研人员的研究热点. 锂离子电池正极材料是制约电池能量密度的关键因素, 开发高电压、高容量的正极材料对于提升电池能量密度至关重要. 在众多正极材料中, 作为商业化最早的锂离子电池正极材料 LiCoO2 因具有工作电压高、比容量高、循
环性能好等优点至今仍受到人们的广泛关注 [1,2]. LiCoO2 的结构属于空间群为 R¯3m 的菱面体
(a-NaFeO2 型层状结构), 其中 Li 原子在 3a 位置, Co 原子和 O 原子分别在 3b 和 6c 位上. LiCoO2 具有 274 mAh/g 的理论比容量, 但是实际使用时的充电截止电压为 4.2 V, 充电脱锂过程仅有 50% 的锂离子脱出. 通过增加充电截止电压可以脱出更多的锂离子从而增加 LiCoO2 容量, 例如当充电截止电压为 4.5 V 时, 将有高达 68% 的锂离子脱出. 然而, 当电压增加时, LiCoO2 的晶体结构变得不

氧化物夹杂对Al-Zn-In-Si牺牲阳极电化学性能的影响

ｓｃｒｓｏｐｅｔｏｃｐｙ，ａｔ．Ｔｈｅｒｓｌｓｓｏｗｈａｈｅｐｅｅｃｆｏｘｄｎｌｉｎｓｃｎａｅｐｉｖｅｓｉｐｅｃｒｕｔｎｄｅｃｅｕｔｈｔｔｔｒｓｎｅｏｉｅｉｃｕｓｏａｃｕｓｏｓｔｈｆｏｆｔｏｎｉｃｉｉｔｈｅｐｅｉｌａｈｅｗｏｋｉｔｎｉｌａｉｒａｅｔｌｒｚｔｏｎｄｅｒｅａａｄｃｅｓｈｕｒｅｔｅｃｅｙｉｓｍｅｏｔｎｔｎｄｔｒｎｇｐｏｅｔａ，ｃｎｎｃｅｓｈｅｐｏａｉａｉｇｅｎｄｃｎｅｒａｅｔｅｃｒｎｆｉｎｃｎｏａｉ
电容量大、电流效率高、资源丰富、成本低廉、工施
含量等密切相关．因此，文通过对比精炼前后阳本极微观组织的变化和电化学行为的变化，讨氧探
方便等优点，用于保护海洋工程中的钢制设常施 ¨ Ｊ目前广泛应用的是Ａ —ｚ．ｌｎ—Ｉｎ系牺牲阳
中图分类号：Ｔ７．１Ｇ１４４文献标识码：Ａ文章编号：１７ —６０２１）２０２－５６１６２（０２０－１３０
Ｅｆｅｔｏｘｄｎｌｉｎｓｏｌｃｒｃｅｉａｏｅｔｅｆｆｃｆｏｉｅｉｃｕｓｏｎｅｅｔｏｈｍｃｌｐｒｐｒｉｓｏ
ｂｕｓｎｇｈｅｃｓａｃｒｎｔｅｔｎｇ，ｄｙｉｔｏｎｔｎｔｕｒｅｔｓｉｙｎａｃｐａｚｔｏｃｖｅｔｓｉａｄｔｅｅｔｏｈｍｉａｉｐｄｎｃｍｉｏｌｒａｎｕｒｓｅｔｉｉｎｇｎｈｅｌｃｒｃｅｃｌｍｅａｅ

元素掺杂对Laves相NbCr2化合物组织和力学性能影响的研究进展

元素掺杂对Laves相NbCr2化合物组织和力学性能影响的研究进展Laves相NbCr2合金具有非常高的高温强度，高温下有着良好的力学性能及断裂韧性。

从元素掺杂对Laves相NbCr2化合物组织和力学性能影响的研究进展进行了综述，重点对Laves相NbCr2的断裂韧性和高温抗氧化性两方面的元素掺杂研究现状进行了论述。

标签：Laves相；NbCr2；元素掺杂；断裂韧性；高温抗氧化性随着航空航天技术的快速发展，提升航空发动机的主要方向在提高效率和推重比上，而要使发动机具备更高的工作效率及推重比，必须适应更高的工作温度，高温结构材料需求日益增大[1]。

过渡金属Laves相基合金被认为是具有超越镍基合金应用潜力的新型高温结构材料的候选之一，其中难熔金属Nb和合金元素Cr形成的Laves相NbCr2不仅具有熔点高、比重适当以及高温下力学性能良好的特点，而且其性能介于陶瓷材料和金属材料之间，是近年来材料领域的研究热点之一[2]。

然而，Laves相NbCr2合金也存在一些缺陷，在室温下非常脆，其室温脆性限制和阻碍了该合金的工程应用。

针对NbCr2合金室温韧性差等问题，许多学者进行了大量的研究，本文对Laves相NbCr2合金的增韧机制和氧化机理进行了阐述，重点从断裂韧性和高温抗氧化性两方面，综述了元素掺杂对Laves 相NbCr2化合物组织和力学性能影响的研究现状及相关研究成果。

1 Laves相NbCr2金属间化合物的韧化效应1.1 Laves相NbCr2的韧化机制Laves相是具有分子式AB2型和拓扑密排晶体结构最丰富的金属间化合物，一個突出的例子是NbCr2。

Laves相NbCr2合金晶体的常见结构类型有三种：密排六方C14（MgZn2型）、面心立方C15（MgCu2型）和双密排六方C36（MgNi2型）。

在三种晶体结构中，每种晶体结构的基本堆垛单元都是由四层原子面组成，大原子Nb和小原子Cr各占两层原子面[3]。

《金属掺杂二维材料电催化CO2RR,HER,OER性能与机理的理论研究》范文

《金属掺杂二维材料电催化CO2RR，HER，OER性能与机理的理论研究》篇一金属掺杂二维材料电催化CO2RR、HER、OER性能与机理的理论研究摘要：本文采用理论计算方法，研究了金属掺杂二维材料在电催化二氧化碳还原反应（CO2RR）、氢气析出反应（HER）和氧气析出反应（OER）中的性能与机理。

通过构建不同金属掺杂的二维材料模型，分析其电子结构、能带关系及反应过程中的电荷转移情况，揭示了金属掺杂对电催化性能的影响规律及内在机制。

一、引言随着环境问题的日益严重，电催化技术因其高效、环保的特性在能源转换和存储领域受到广泛关注。

其中，二氧化碳还原反应（CO2RR）、氢气析出反应（HER）和氧气析出反应（OER）是电催化领域的重要研究方向。

近年来，金属掺杂二维材料因其独特的物理化学性质，在电催化领域展现出巨大的应用潜力。

本文旨在通过理论研究，探讨金属掺杂对二维材料在上述三种反应中的性能与机理的影响。

二、方法与模型本研究采用密度泛函理论（DFT）方法，构建了不同金属掺杂的二维材料模型。

通过计算材料的电子结构、能带关系以及反应过程中的电荷转移情况，分析其电催化性能。

同时，结合反应动力学理论，探讨了反应机理及速率控制步骤。

三、结果与讨论1. 金属掺杂对CO2RR性能的影响金属掺杂能够显著改善二维材料对CO2的吸附能力，从而促进CO2RR的反应速率。

通过计算不同金属掺杂后的电子密度分布及电荷转移情况，发现金属与CO2之间的相互作用增强了电子的流动性，有利于反应中间产物的形成和转化。

此外，金属的引入还可能改变材料的能带结构，提高材料的导电性，进一步促进CO2RR的反应效率。

2. 金属掺杂对HER性能的影响金属掺杂可以降低二维材料对氢气的析出电位，从而提高HER的反应速率。

计算结果表明，金属掺杂后，材料的d带中心位置发生改变，有利于氢原子的吸附和脱附过程。

此外，金属与氢原子之间的相互作用也能促进电荷的转移，进一步加速HER的反应过程。

元素掺杂对BiFeO_3铁磁电材料性能影响的研究进展

11 2 Gd 掺杂[ 17] 采用溶胶 ) 凝胶方法分别在 F T O/ glass 衬底
上制备 Bi12x Gdx F eO3 ( x = 0~ 15% ) 薄膜, 研究发现利用 Gd 离子半径较小特点对 BiF eO3 的 A 位原子 Bi 进行替代改性, 使得 BFO 薄膜的漏电流得到了极大的限制, 同时磁性和铁电性也得到改善。XRD 扫描发现 BiF eO3 的特征峰均已出现, 这说明 Gd 的掺杂并没有明显改变 BiF eO3 的钙钛矿结构, 此外还可以观察到薄膜的 XRD 图谱中的峰宽随 x 的增加而变化不明显, 说明在 x= 0~ 15% 范围内 Gd 的替代没有影响薄膜的晶化。
第 17 卷第 5 期 20 10年10 月
金属功能材料 Met allic Funct ional Mat erials
Vol. 17, No. 5 Oct ober, 2010
元素掺杂对 BiFeO3 铁磁电材料性能影响的研究进展
范君伟1, 2 陆伟1, 2 , 李成魁1, 2 , 严彪1, 2
( d) contr asting patter ns of BFO and 5% Mn2BFO films fr om 45b to 48b
室温下测量薄膜的电滞回线以及漏电流显示, 未掺杂的 BF O 薄膜的回线饱和性很差, 随着 Mn 掺杂量的增加, 回线明显变好。5% Mn 掺杂的 BFO 在室温下具有饱和的电滞回线, 2% 和 5% 掺杂的 BF O 薄膜的漏电流密度分别下降了 2 个和 4 个数量级, 如图 2 所示。可见 Mn 掺杂极大地减小了 BF O 薄膜的漏电流密度, 使得在室温下所测量的铁
Research Progress on Ferroelectric Properties of Element s2doping BiFeO3 Material

阴离子氧化还原反应对富锂锰基正极材料的影响及其改性策略

摘要兼具高能量密度、高功率密度、长循环寿命性能的正极材料是当下电池储能材料研究的重点，也是储能市场的重要需求。

富锂锰基正极材料(LRMO)因其极高的放电比容量(≥250 mAh/g)、较高的工作电压(4.2～4.5 V vs.Li/Li+)、低成本且环境友好等优点成为当下最具应用前景的正极材料之一。

虽然金属阳离子和阴离子依次或同时进行的氧化还原反应使LRMO材料的容量超过了传统层状氧化物，但首次不可逆容量高、循环和倍率性能较差等一系列的问题阻碍了其工程化应用，这与材料中阴离子氧化还原反应紧密相关。

本文首先介绍了LRMO材料的晶体结构，然后基于分子轨道理论，回顾了LRMO材料的能带结构与阴阳离子氧化还原反应的联系，总结了阴离子氧化还原反应对富锂锰基正极材料的影响，包括高容量、不可逆的氧流失、过渡金属离子迁移。

同时，分别从过渡金属比例调节、表面修饰、离子掺杂三个方面总结了近些年国内外研究人员针对阴离子氧化还原反应造成的负面影响设计的改性策略。

最后展望了LRMO材料理论研究与应用研究的大致方向。

关键词锂离子电池；富锂锰基；正极材料；阴离子氧化还原；改性策略随着电动汽车、5G基站、智能电网等新型储能领域的发展，对锂离子电池的能量密度、功率密度、循环寿命及安全性能都提出了更高的要求。

正极材料作为锂离子电池的重要组成部分，开发高能量密度、长循环寿命和高安全性兼具的正极材料成为当下亟待解决的问题之一。

目前商用的正极材料，如钴酸锂(LiCoO2，140 mAh/g)、磷酸铁锂(LiFePO4，150 mAh/g)、锰酸锂(LiMn2O4，120 mAh/g)和三元材料(LiNi x Co y Mn1-x-y O2，220 mAh/g)等尚且无法满足当下需求。

1997年，Numata 等首次合成了一种锂锰钴氧化物Li(Li x/3Mn2x/3Co1-x)O2(0≤x≤1)，可以看成是LiCoO2和Li2MnO3组成的固溶体。

Al-Y-Zr原位共掺杂提高4.53 V钴酸锂正极材料的循环性能

Al-Y-Zr原位共掺杂提高4.53 V钴酸锂正极材料的循环性能胡大林;任潘利;张昌明;杨明阳;卢周广【期刊名称】《储能科学与技术》【年(卷),期】2024(13)3【摘要】钴酸锂是一种成功实现商业化的锂离子电池正极材料,但其实际的容量远低于其理论容量(274 mAh/g)。

提高钴酸锂的充电截止电压能够有效提高其放电容量,但钴酸锂在高压条件下结构不稳定性,导致其循环寿命明显降低。

本工作提出一种Al-Y-Zr原位共掺杂的策略,以提高钴酸锂在4.53 V的循环性能。

通过将Al-Y-Zr掺杂的Co_(3)O_(4)、Li_(2)CO_(3)、MgO按一定化学计量比称取并混合均匀后,采用高温固相法合成LiCo(1-a-b-c-d)AlaZrbYcMgdO2正极材料,并探究了原位共掺杂对高电压钴酸锂循环性能的影响。

X射线衍射(XRD)表明掺杂前后晶体均为六方相层状结构,扫描电镜(SEM)说明了掺杂元素对晶体颗粒粒径的调控作用。

循环前后的电化学阻抗谱(EIS)表明,Al-Y和Al-Y-Zr共掺杂能有效抑制循环过程中电荷转移阻抗(Rct)的增长。

扣式电池及软包电池测试结果都表明Al-Y和Al-Y-Zr前驱体共掺杂能够显著提升循环性能,后者提升更明显。

本研究有助于推动高电压钴酸锂正极的应用,为高比能量锂离子电池技术的研发提供实验依据。

【总页数】7页(P742-748)【作者】胡大林;任潘利;张昌明;杨明阳;卢周广【作者单位】南科大材料系-豪鹏科技新能源联合实验室;南科大材料系-豪鹏科技新能源联合实验室【正文语种】中文【中图分类】TM911【相关文献】1.Ni-Mn共掺杂高电压钴酸锂锂离子电池正极材料掺杂对523型镍钴锰酸锂正极材料电化学性能的影响3.铝、钴元素共掺杂对尖晶石型锰酸锂高温循环性能的研究4.浅析园林施工新技术在园林工程中的应用5.In-Mg-Al共掺杂高电压钴酸锂正极材料的研究因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。