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聚合物表面空间环境防护涂层热应力分析方法研究进展

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中国表面工程 2024年第2期37卷 115-136页

作者：徐梦芸张锦麟马佳玉唐登航许文彬王亮谷红宇章俞之宋力昕中国科学院上海硅酸盐研究所特种无机涂层重点实验室上海200050 中国科学院大学材料与光电研究中心北京100049 上海宇航系统工程研究所上海201109 中国科学院上海硅酸盐研究所集成计算材料研究中心上海200050

柔性聚合物材料作为航天器表面用关键材料,易受到空间环境的协同损伤,在其表面制备防护涂层是实现长期服役的重要技术。但由于常用防护涂层与基体间的性能差异,涂层易因应力出现开裂和剥落,因此应力分析对于材料的设计和优化非常重要。... 详细信息

柔性聚合物材料作为航天器表面用关键材料,易受到空间环境的协同损伤,在其表面制备防护涂层是实现长期服役的重要技术。但由于常用防护涂层与基体间的性能差异,涂层易因应力出现开裂和剥落,因此应力分析对于材料的设计和优化非常重要。对于涂层应力的分析方法,主要可以分为基于试验测量以及基于数值仿真的有限元分析方法两类。梳理目前常见的试验测量方法,分析有损法和无损法试验测量的应用,整理归纳基于数值仿真的有限元分析方法的原理以及相关应用,比较不同方法的优缺点,总结其局限性以及应用前景。不同应力测试分析方法在材料的服役寿命和失效形式预测中发挥了重要作用,但传统的机械有损测量方法难对应力情况进行实时监测,近年来发展起来的无损法也存在一定的应用局限性,有限元模拟具有实时、全面的应力测量优点,但是与实际涂层模型具有一定的差距。基于目前试验方法与有限元仿真各自的局限性,提出将有限元仿真与试验表征结合成为进一步指导涂层设计的有效方法,有望有效预测涂层失效机制,优化涂层材料制备工艺,开发具有低应力结构的涂层材料,为聚合物表面用关键涂层材料的轻量化发展和长期可靠服役提供技术支撑。

关键词：聚合物材料空间环境防护涂层热应力应力分析方法有限元模拟

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高熵碳化物超高温陶瓷的研究进展及展望

无机材料学报 2024年

作者：蔡飞燕倪德伟董绍明中国科学院上海硅酸盐研究所结构陶瓷及复合材料工程研究中心国科大杭州高等研究院中国科学院大学中国科学院上海硅酸盐研究所高性能陶瓷和超微结构国家重点实验室

高速飞行技术的发展对高性能热结构材料提出了迫切需求。高熵碳化物陶瓷（HECs）作为近年来发展迅速的一类新型材料，兼具高熵陶瓷与超高温陶瓷的优良特性，在极端服役环境中具有广阔的应用前景，因此得到国内外学者的广泛关注。相比仅... 详细信息

高速飞行技术的发展对高性能热结构材料提出了迫切需求。高熵碳化物陶瓷（HECs）作为近年来发展迅速的一类新型材料，兼具高熵陶瓷与超高温陶瓷的优良特性，在极端服役环境中具有广阔的应用前景，因此得到国内外学者的广泛关注。相比仅含有一种或两种过渡金属元素的传统超高温碳化物陶瓷，HECs在综合性能上有所提升，且具有更强的组成和性能可设计性，因此具备较大的发展潜力。经过对HECs的不断探索，研究人员获得了许多有趣的结果，开发了多种HECs的制备方法，对HECs的显微结构和性能的认识也更加深入。本文综述了HECs的基本理论以及从实验过程中获得的规律；对HECs粉体、HECs块体、HECs涂层及薄膜，以及纤维增强HECs基复合材料的制备方法进行了梳理归纳；并对HECs的力学、热学等性能，尤其是与高温应用相关的抗氧化、抗烧蚀性能的研究进展进行了综述和讨论。最后，针对HECs研究中有待进一步完善的科学问题，对HECs的未来发展提出了展望。

关键词：高熵碳化物超高温陶瓷力学性能抗氧化性能抗烧蚀性能综述

基于含氧氢化钆薄膜的宽波段调制光致变色智能窗

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无机材料学报 2024年第4期39卷 441-448页

作者：李众少李明曹逊中国科学院上海硅酸盐研究所上海200050 中国科学院大学材料科学与光电工程中心北京100049

光致变色窗户因结构简单、被动调光和零能耗输入而被认为是一种高效的节能智能窗,然而有关光致变色智能窗的研究很少涉及中红外(MIR)波段,这限制了节能效率。本研究通过在ITO衬底上生长稀土含氧氢化物(ReO_(x)H_(y))薄膜,实现了宽波段... 详细信息

光致变色窗户因结构简单、被动调光和零能耗输入而被认为是一种高效的节能智能窗,然而有关光致变色智能窗的研究很少涉及中红外(MIR)波段,这限制了节能效率。本研究通过在ITO衬底上生长稀土含氧氢化物(ReO_(x)H_(y))薄膜,实现了宽波段调制的能力。所开发的光致变色智能窗口能够通过感应光强度自动调节发射率,同时保持可见光和近红外(NIR)调制(ΔT_(sol)=35.1%,ΔT_(l um)=37%,Δ(ε8-13μm=0.12))。研究还通过优化制备气氛,实现了GdO_(x)H_(y)的一步制备并提高了稳定性,通过综合表征分析了光致变色机理。总之,这种跨越可见光-近红外-中红外的被动协同调制方法有望推动光致变色智能窗的发展。

关键词：光致变色稀土含氧氢化物智能窗动态辐射制冷

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结构陶瓷——承载人类文明的基石

无机材料学报 2024年第6期39卷 569-570页

作者：董绍明王京阳倪德伟中国科学院上海硅酸盐研究所上海200050 中国科学院金属研究所沈阳110016

陶瓷,作为人类文明史上具有里程碑意义的人工合成材料,不仅承载着中华民族的骄傲,更是中华民族智慧和创新精神的集中体现。经过数千年的沉淀与演化,陶瓷已发展成为一个博大精深、丰富多彩的材料体系。传统陶瓷与先进陶瓷交相辉映,共同... 详细信息

陶瓷,作为人类文明史上具有里程碑意义的人工合成材料,不仅承载着中华民族的骄傲,更是中华民族智慧和创新精神的集中体现。经过数千年的沉淀与演化,陶瓷已发展成为一个博大精深、丰富多彩的材料体系。传统陶瓷与先进陶瓷交相辉映,共同构筑起人类文明的物质基石。其中,先进结构陶瓷更是以其耐高温、抗腐蚀以及优异的力学性能等特性.

关键词：结构陶瓷先进陶瓷人工合成材料传统陶瓷力学性能抗腐蚀创新精神耐高温

颗粒级配对选区激光烧结打印结合常压固相烧结制备碳化硅陶瓷性能的影响

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无机材料学报 2024年第7期39卷 754-760页

作者：王康龙殷杰陈晓王力刘学建黄政仁中国科学院上海硅酸盐研究所上海200050 湖南大学材料科学与工程学院长沙410082 中国科学院宁波材料技术与工程研究所宁波315201

SiC陶瓷因其独特的热学、电学性能及优异的力学性能,被广泛应用于航空航天、核能、化工、半导体等国防与工业重大领域,但是传统的成型方法无法满足大尺寸复杂构件的制备需求。选区激光烧结(SLS)打印具有无需支撑、材料利用率高、加工效... 详细信息

SiC陶瓷因其独特的热学、电学性能及优异的力学性能,被广泛应用于航空航天、核能、化工、半导体等国防与工业重大领域,但是传统的成型方法无法满足大尺寸复杂构件的制备需求。选区激光烧结(SLS)打印具有无需支撑、材料利用率高、加工效率高等优势,能高效成型复杂陶瓷结构零部件。本研究采用颗粒级配SiC的方法,系统研究了冷等静压(CIP)、前驱体浸渍热解(PIP)、CIP结合PIP后常压固相烧结等工艺对级配和中位径82μm未级配体系SiC陶瓷的影响。研究发现,级配粉末成型坯体的体积密度和抗弯强度比未级配坯体均提升了20%以上,级配体系CIP后常压固相烧结体的相对致密度达到了90%以上,实现了致密化烧结,而未级配体系烧结体的相对致密度仅为89%,这是由颗粒级配后坯体的堆积密度提升所致,且级配烧结体的抗弯强度(136.8 MPa)比未级配(99.4 MPa)提升了37%以上。采用多次重复PIP结合常压固相烧结的方法制备高致密的SiC陶瓷,发现SLS打印成型的坯体经四次PIP后致密度可达到CIP堆积致密的效果,但四次PIP后常压固相烧结体的体积密度仅为2.29 g/cm3,抗弯强度为59.6 MPa。

关键词：碳化硅陶瓷颗粒级配选区激光烧结打印常压固相烧结

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ZnS透明陶瓷的研究进展及其应用

硅酸盐学报 2024年第3期52卷 1082-1099页

作者：李家科郝浩博袁强陈鹏辉李江景德镇陶瓷大学材料科学与工程学院江西景德镇333403 中国科学院上海硅酸盐研究所透明陶瓷研究中心上海201899 中国科学院大学材料与光电中心北京100049

硫化锌(ZnS)透明陶瓷在可见光至长波红外波段(0.36~12μm)都具有很高的透过率,且拥有较好的力学和热学综合性能,在红外窗口、中红外激光增益介质等方面具有广泛的应用。本文梳理了ZnS透明陶瓷的研究进展,并分析了热压烧结、化学气相沉... 详细信息

硫化锌(ZnS)透明陶瓷在可见光至长波红外波段(0.36~12μm)都具有很高的透过率,且拥有较好的力学和热学综合性能,在红外窗口、中红外激光增益介质等方面具有广泛的应用。本文梳理了ZnS透明陶瓷的研究进展,并分析了热压烧结、化学气相沉积和放电等离子烧结等制备工艺对ZnS透明陶瓷光学性能和力学性能的影响,对ZnS透明陶瓷的发展进行了总结和展望。

关键词：硫化锌透明陶瓷多光谱硫化锌热压烧结化学气相沉放电等离子烧结中红外激光材料

Bi_(0.5)Na_(0.5)TiO_(3)基铁电陶瓷的弛豫特征与储能性能

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硅酸盐学报 2024年第4期52卷 1173-1182页

作者：王思民葛广龙钱进林锦锋李国辉刘志甫翟继卫同济大学材料科学与工程学院功能材料研究所上海201804 中国科学院上海硅酸盐研究所无机功能材料与器件重点实验室上海200050 中国科学院大学材料科学与光电工程研究中心北京100049

电介质陶瓷电容器作为信息社会电子器件的核心器件之一,具有可靠性高、耐高温高压和优异的储能特性,尤其是凭借其较高的功率密度,广泛用于先进脉冲功率系统之中。Bi_(0.5)Na_(0.5)TiO_(3)(BNT)作为无铅铁电陶瓷的典型代表已受到广泛研... 详细信息

电介质陶瓷电容器作为信息社会电子器件的核心器件之一,具有可靠性高、耐高温高压和优异的储能特性,尤其是凭借其较高的功率密度,广泛用于先进脉冲功率系统之中。Bi_(0.5)Na_(0.5)TiO_(3)(BNT)作为无铅铁电陶瓷的典型代表已受到广泛研究。然而,其较大的剩余极化和较低的击穿场强限制了BNT陶瓷在储能领域的应用和发展。本工作通过调控弛豫特征,制备了具有较高储能特性的BNT基介质陶瓷。首先,通过掺杂(Al_(0.5)Nb_(0.5))^(4+)降低陶瓷的晶粒尺寸实现了击穿场强的提高,同时也对弛豫特性的增强有一定贡献。其次,通过调控Sr和Ca的比例可以进一步提高材料的弛豫特性,实现储能密度的提高。当Ca离子取代量达到0.15时,陶瓷获得了最优的综合性能,在630 kV/cm的电场下,其储能密度为6.4 J/cm^(3),储能效率达到85%。当电压为300 kV/cm时,其功率密度和工作电流密度分别可以达到154.4 MW/cm^(3)和1029.6 A/cm^(2),并且其储能性能在20℃到110℃温度范围内具有良好温度稳定性(3.4±0.12)J/cm^(3),79.0%±7.4%,在1 Hz到100 Hz频率范围内具有良好的频率稳定性(3.30±0.01)J/cm^(3),81.0%±5.5%。

关键词：钛酸铋钠陶瓷弛豫性储能密度储能效率

聚合物表面空间环境防护涂层热应力分析方法的研究进展

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中国表面工程 2024年

作者：徐梦芸张锦麟马佳玉唐登航许文彬王亮谷红宇章俞之宋力昕中国科学院上海硅酸盐研究所集成计算材料研究中心中国科学院大学材料与光电研究中心中国科学院上海硅酸盐研究所特种无机涂层重点实验室上海宇航系统工程研究所

柔性聚合物材料作为航天器表面用关键材料，易受到空间环境的协同损伤，在其表面制备防护涂层是实现长期服役的重要技术。但由于常用防护涂层与基体间的性能差异，涂层易因应力出现开裂和剥落。因此，应力分析对于材料的设计和优化非常... 详细信息

柔性聚合物材料作为航天器表面用关键材料，易受到空间环境的协同损伤，在其表面制备防护涂层是实现长期服役的重要技术。但由于常用防护涂层与基体间的性能差异，涂层易因应力出现开裂和剥落。因此，应力分析对于材料的设计和优化非常重要。对于涂层应力的分析方法，主要可以分为基于试验测量以及基于数值仿真的有限元分析方法两类。梳理了目前常见的试验测量方法，分析了有损法和无损法试验测量的应用，整理归纳了基于数值仿真的有限元分析方法的原理以及相关应用，比较了不同方法的优缺点，总结了其局限性以及应用前景。不同应力测试分析方法在材料的服役寿命和失效形式预测中发挥了重要作用，但传统的机械有损测量方法难对应力情况进行实时监测，近年来发展起来的无损法也存在一定的应用局限性，有限元模拟具有实时、全面的应力测量优点，但是与实际涂层模型具有一定的差距。基于目前试验方法与有限元仿真各自的局限性，提出将有限元仿真与试验表征结合成为了进一步指导涂层设计的有效方法，有望有效预测涂层失效机制，优化涂层材料制备工艺，开发具有低应力结构的涂层材料，为聚合物表面用关键涂层材料的轻量化发展和长期可靠服役提供技术支撑。

关键词：聚合物材料空间环境防护涂层热应力应力分析方法有限元模拟

3d过渡金属单原子掺杂石墨烯缺陷电催化还原CO_(2)的第一性原理研究

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无机材料学报 2024年第7期39卷 845-852,I0012-I0014页

作者：靳宇翔宋二红朱永福吉林大学材料科学与工程学院长春130025 中国科学院上海硅酸盐研究所上海200050

将CO_(2)高效转化为有价值的化学品(如CO和HCOOH等)是缓解环境问题、实现碳中和的重要措施。然而CO_(2)还原反应(CO_(2)RR)有着产物多样和路径复杂的特点,再加上目前难以确定影响CO_(2)RR活性的真正因素,使得设计对特定产物有高选择性... 详细信息

将CO_(2)高效转化为有价值的化学品(如CO和HCOOH等)是缓解环境问题、实现碳中和的重要措施。然而CO_(2)还原反应(CO_(2)RR)有着产物多样和路径复杂的特点,再加上目前难以确定影响CO_(2)RR活性的真正因素,使得设计对特定产物有高选择性和高活性的催化剂十分具有挑战性。本研究从第一性原理出发,系统研究了3d过渡金属单原子掺杂石墨烯单个空位(TM@CSV)和双空位(TM@CDV)电催化还原CO_(2)的潜力,具体涵盖基底的稳定性、中间产物热力学吸附以及与之竞争的析氢反应(HER)。通过对Sc,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu和Zn掺杂石墨烯缺陷后形成的20种催化剂进行筛选,发现Sc原子掺杂石墨烯单个空位的Sc@CSV和Sc、Ti原子掺杂石墨烯双空位的Sc@CDV和Ti@CDV同时具备吸附CO_(2)分子和抑制HER的能力。其中Sc@CDV对HCOOH表现出最佳的活性和选择性,速率决定步骤的吉布斯自由能差仅为0.96 eV。最后,通过电子结构分析进一步揭示了Sc@CDV优于其他催化剂的原因是Sc@CDV调整了费米能级附近的活性电子态,从而实现对CO_(2)的高效还原。

关键词：第一性原理单原子催化剂 CO_(2)还原反应 HCOOH 碳中和