关键词： 复合微波介质陶瓷   微波介电性能   陶瓷电镀   谐振频率温度系数   相组成  

摘要： 目前5G、6G等微波通讯技术成为全球关注的热点,全世界范围内都在加快脚步部署5G基站,带动了微波元器件的巨大需求。同时作为微波元器件的基础—微波介质陶瓷的需求也在不断提高。现阶段国内的5G宏基站中波导元器件大多数采用的Mg O-TiO2体系陶瓷,行业内预计在未来6G宏基站建设部署中,仍采用Mg O-TiO2体系陶瓷。所以未来十几年内对Mg O-TiO2体系陶瓷的需求量将不断扩大,对其性能要求也会更加严格,仍需不断研究发展完善。本文以MgTiO3基陶瓷为研究对象,通过传统固相反应法制备出过量Zn2+掺杂的Mg0.95Zn0.05+xTiO3+x（MZT）陶瓷,并选取了最佳的Zn2+掺杂浓度的组分,分别与Mg2Si O4（MS）、Mg2Si0.2Ti0.8O4（MST）复合,通过添加Ca TiO3（CT）调节陶瓷的谐振频率温度系数,制备了MSC和MMC两种新型复合微波介质陶瓷。使用XRD、SEM、SEM、EDS和矢量网络分析仪分析了其物相和微波介电性能变化,并探究了两种新型陶瓷的电镀可行性。主要研究内容如下所示: （1）传统固相反应法制备出了Mg0.95Zn0.05+xTiO3+x（MZT）陶瓷,发现适量的Zn2+离子掺杂下可以促进Mg TiO3相的形成,但掺杂量超过一定值会在烧结中产生Zn TiO3第二相恶化陶瓷的介电性能,同时使得晶粒出现异常长大。从XRD精修结果看,Zn2+离子掺杂导致晶体结构发生畸变,晶格常数和晶胞体积变大。在1300℃烧结的Mg0.95Zn0.1TiO3.05陶瓷具有优异的介电性能:εr=17.85,Q×f=173,300GHz（@11GHz）,1)=-52.04 ppm/℃。 （2）由于MZT、MS和CT具有不同的晶体结构,三者复合烧结过程中能够互相共存,XRD结果显示烧结后的复合陶瓷不存在其他杂质相。EDS结果分析,在烧结过程中,三相会发生离子扩散。在1300℃烧结的MSC094复合陶瓷具有较好的综合介电性能:εr=19.7,Q×f=49,900GHz,1)=0.57ppm/℃。对MSC陶瓷添加0.3wt.%Zn O和0.3wt.%Si O2在电镀过程中能在金属层和陶瓷层形成一定面积的过渡层,有助于提高电镀后的抗拉结合强度。 （3）(1-x)MZT-x MST复合陶瓷结果发现MST相的添加对MZT陶瓷的晶粒均匀性和介电性能有一定改善作用。烧结温度在1350℃时,组分x=0.3的复合陶瓷取得最大的Q×f值（202,333GHz）。通过CT能够调节其谐振频率温度系数,在烧结温度为1300℃时,0.7MZT-0.3MST-8wt.%CT和0.9MZT-0.1MST-8wt.%CT具有优异的介电性能;(εr=18.58,Q×f=70,333GHz,1)=-2.9 ppm/℃)和(εr=19.44,Q×f=45,390GHz,1)=-2.2 ppm/℃)。同时MMC陶瓷的电镀抗拉结合强度较好。

关键词： SiC/SiC复合材料   二维铺层   纤维细观结构   综合力学性能   仿真分析  

摘要： SiC/SiC复合材料的综合力学性能及失效模式与纤维预制体内部细观结构形式密切相关。本文基于复合材料多尺度分析方法，开展多尺度单胞建模，结合渐进损伤分析，分析预测了微观尺度纤维束和细观尺度编织复合材料的综合力学性能，并与弯曲测试结果进行对比，验证了多尺度分析方法及组分本构模型的正确性，并进一步分析研究了二维铺层SiC/SiC复合材料中纤维编织结构和铺层角度等细观结构参数对材料宏观综合力学性能的影响。计算结果表明：在相同纤维体积分数条件下，不同纤维细观结构对复合材料的弹性模量影响很小，但对破坏强度有显著影响，其中纤维编织结构主要影响面内主方向拉伸强度，斜纹结构比平纹结构高约30%;织物铺层角度对面内主方向拉伸和剪切强度影响较大，0°铺层结构面内拉伸强度比45°铺层面内拉伸强度高约85%,但面内剪切强度要低约30%;此外，编织结构和铺层角度对层间剪切强度几乎没有影响，该性能主要由层间加强纤维和层间基体孔隙率决定。本文结果可为SiC/SiC复合材料构件研制时的纤维预制体结构设计提供支撑。

关键词： 高熵碳化物陶瓷   复合材料   第一性原理计算   力学性能   耐腐蚀性能  

摘要： 随着科学技术的飞速发展,具有高熔点、高硬度、出色的耐磨损性能、优异的高温抗氧化性和低的热导率等特性的高熵碳化物陶瓷进入了人们的视野。由于目前国内外研究的高熵碳化物陶瓷都不能完全准确地预测全部体系,因此本文设计了一系列不同Ti含量的（TixWMoNbV）C高熵碳化物陶瓷进行研究。首先,对（TixWMoNbV）C高熵碳化物陶瓷的本征参数:混合熵(ΔSmix)、混合焓(ΔHmix)、热力学参数（Ω）和晶格尺寸差异（δ）进行计算。运用Materials Studio软件平台中CASTEP软件包对高熵碳化物陶瓷进行第一性原理计算。使用自蔓延高温合成技术制备（TixWMoNbV）C高熵碳化物陶瓷铁基复合材料,采用OM、SEM、EDS、XRD等手段对复合材料进行表征,并测试复合材料的显微硬度、耐磨损性能和耐腐蚀性能。 本文首先对Ti含量为10 mol%～55 mol%的（TixWMoNbV）C高熵碳化物陶瓷的本征参数和第一性原理进行计算。结果表明,Ti含量为10 mol%～50 mol%时,（TixWMoNbV）C高熵碳化物陶瓷可以形成稳定的单相固溶体。并且,高熵碳化物陶瓷的晶格常数、弹性体模量和熔点随着Ti含量的增加而逐渐减小,剪切模量、杨氏模量和硬度都呈波浪式上升,在Ti含量为40 mol%时达到最大值。计算泊松比、B/G和柯西压力可知,（TixWMoNbV）C高熵碳化物陶瓷为脆性材料。 对预测性能较好的,Ti含量为35 mol%～50 mol%的（TixWMoNbV）C高熵碳化物陶瓷进行实验验证。观测到本文复合材料的基体是由奥氏体、马氏体和（Cr,Fe）7C3共晶碳化物组成,涂层和基体界面处啮合状况良好,并且,复合材料的涂层中都生成了（TixWMoNbV）C高熵碳化物陶瓷,陶瓷的晶格常数随着Ti含量的增加逐渐减小。 测试（TixWMoNbV）C高熵碳化物陶瓷铁基复合材料的涂层和基体的显微硬度、耐磨损性能和耐腐蚀性能。结果可知,复合材料涂层的各项性能都随着Ti含量的增加,呈现先增大后减小再增大的趋势。在Ti含量为40 mol%时,其显微硬度最大为1 204.2 HV1,是基体的硬度的2.35倍,其磨损损失质量最小为0.022 1 g,基体的磨损损失质量是它的2.88倍,并且,此时复合材料涂层的腐蚀速率最小。这表明,在Ti含量为40 mol%时复合材料涂层的各项性能最为优异,且与第一性原理预测结果相吻合,第一性原理计算成功的对（TixWMoNbV）C高熵碳化物陶瓷进行了预测。

关键词： C/C-SiC-ZrC复合材料   Zr2Cu封填   微观结构   力学性能   烧蚀性能  

摘要： 为了改善聚合物浸渍裂解法（PIP）制备的C/C-SiC-ZrC复合材料的致密度和性能，以Zr2Cu为填料，采用低温反应熔体浸渍工艺（RMI）对复合材料进行封孔，研究了Zr2Cu封填后复合材料的微观结构、力学性能和烧蚀性能。结果表明：在Zr2Cu浸渍过程中，熔体有效地填充了复合材料的大孔隙，并且由于部分锆与碳发生化学反应，Zr2Cu转化为ZrCu。材料的密度从1.91 g/cm3增加至2.24g/cm3，孔隙率降低了27.35%。此外，封填后的C/C-SiC-ZrC复合材料的抗弯曲强度从122.78±8.09 MPa提高至135.53±5.40 MPa，等离子体烧蚀20 s后，与PIPC/C-SiC-ZrC相比，表现出更优越的耐烧蚀性，其质量烧蚀率和线性烧蚀率分别为2.77×10-3g/s和2.60×10-3mm/s。低熔点含铜相的“自蒸发”效应吸收了等离子火焰的热量，进一步降低了烧蚀温度，促进了SiO2熔化层内细化ZrO2颗粒的形成，这为Zr2Cu封填C/C-SiC-ZrC复合材料提供了更稳定的侵蚀保护。

关键词： 聚醚砜超滤膜   聚乙烯亚胺   亲水性   纳米二氧化钛   抗污染性能  

摘要： 膜分离技术以分离效率高、环保节能等优点在水处理领域中发挥着重要作用。但是随着超滤膜使用时间的增长通常会出现纯水通量下降、抗污性能降低等问题。因此,本论文选用聚醚砜（PES）为膜基底材料,通过浸没沉淀相转化法制备了PES超滤膜,后续通过物理共混聚乙烯亚胺（PEI）和纳米二氧化钛（TiO2）的方法对PES超滤膜进行亲水改性,对超滤膜的超滤性能、力学性能、断面形貌结构、表面亲水性能、抗污染性能进行综合分析,旨在制备出高通量、高抗污性能的复合超滤膜。 通过采用控制变量法,探究PES含量、PVP含量、膜厚度以及溶剂种类对PES超滤膜综合性能的影响。结果表明,当PES含量为18 wt%、PVP含量为10wt%、超滤膜厚度为150μm以及溶剂为DMF时,PES超滤膜的综合性能达到最佳状态,纯水通量为114.54 L/m2·h,截留率为86.2%,接触角为87°,因此将此配比的PES超滤膜用于后续的亲水改性研究。 为提高PES超滤膜的超滤性能及抗污性能,选用PEI作为亲水添加剂,通过与PES物理共混的改性方法,制备了综合性能表现更加优异的PES/PEI复合超滤膜,探究改性前后对PES超滤膜性能的影响并进行综合分析。结果表明,PEI的加入能够使PES超滤膜在超滤性能及抗污性能表现更加优异,相对于未改性的纯PES超滤膜,PES/PEI复合超滤膜的纯水通量达到了209 L/m2·h,提高了1.83倍,水接触角由87°降低至72.5°,通量恢复率由52.73%提升至70.25%,PES/PEI复合超滤膜超滤性能、表面亲水性能以及抗污染性能得到显著提高。 为提升PEI在PES/PEI复合膜中的稳定性,同时进一步提升复合膜的综合性能,选用纳米TiO2与基底材料物理共混的改性方法,制备了PES/PEI/TiO2复合超滤膜。结果表明,添加纳米TiO2能够有效提高复合膜的超滤性能和抗污性能,相较于未改性的PES/PEI复合膜,纯水通量提升了35.09%,水接触角由72.5°降至66°,通量恢复率由70.25%提升至86.39%,使其在水处理分离膜领域有着较为广阔的应用前景。

关键词： 自极化效应   铋锌基异质结   光催化降解   四环素   双酚A  

摘要： 药物与个人护理品（PPCPs）在水环境中的持续累积对生态安全和人类健康构成严重威胁,开发高效、可持续的光催化材料成为研究热点。铋基和锌基半导体材料因具备合适的能带结构、无毒性和低成本等优势,在光催化领域展现出巨大潜力,但纯铋基和锌基光催化剂存在光激发电子-空穴对复合效率高、量子产率低以及光吸收能力有限等问题,导致其光催化性能欠佳。本研究致力于制备具有自极化效应的铋锌基复合材料,以提升其光催化性能。 首先,采用原位溶剂热改性方法成功制备了碘氧化铋/碘酸氧铋（BiOI/BiOIO3）S型p-n异质结。结果表明,S型p-n异质结的构建可以显著提高吸附-光催化协同去除四环素（TC）的效果。经溶剂热改性后,TC的去除率由47.46%增加至75.87%。TC去除效率提高主要源于:（1）溶剂热改性增强了BiOIO3的光吸收范围;（2）BiOIO3的自极化电场与异质结的构建有利于光生载流子的有效分离和迁移;（3）吸附加快了TC到达半导体界面并与活性物质反应的速度。活性基团捕获实验显示超氧自由基和单线态氧在TC的降解过程中起到主要作用。采用高效液相色谱-质谱联用仪（HPLC-MS）对降解产物进行了检测,检出9种中间产物并推导出3种可能的反应途径。基于能带结构和活性物质捕获实验,提出了一种可能的S型p-n异质结光催化机理。 其次,采用两步化学沉淀法制备了S-型n-n异质结复合物(Bi2O2CO3/Bi2O2+xS1-x)。最佳复合光催化剂对双酚A(（BPA）具有良好的催化活性,降解速率常数约为7.24×10-3 min-1,分别是纯相BOC(（Bi2O2CO3）和BOS((Bi2O2+xS1-x)的6.77倍和3.37倍。利用紫外可见漫反射光谱（UV-Vis DRS）、X射线光电子能谱价带谱（VB-XPS）和莫特肖特基(（M-S）曲线对催化剂的能带结构进行分析,发现两种半导体均为n型半导体,形成S型异质结。通过活性基团捕获实验和电子自旋共振谱(（ESR）分析,表明空穴和超氧自由基在BPA的去除过程中起主要作用。根据HPLC-MS检测的中间产物,推导出BPA降解的两种反应途径。 再次,通过简易的两步水热法制备了具有S型异质结结构的复合光催化材料(ZnCO3/ZnIO3（OH）/BiOIO3),并将其用于在水环境中TC的降解。最佳样品对TC的降解表现出优异的光催化活性,反应速率常数约为8.0×10-3 min-1,分别是原始ZCZIH(ZnCO3/ZnIO3（OH）)和BIO（BiOIO3）的1.43倍和1.33倍。采用紫外光电子能谱（UPS）、VB-XPS和UV-Vis DRS研究了材料的能带结构,发现复合材料形成了S型异质结。通过在自由基捕获实验和ESR分析,单线态氧、超氧自由基、空穴和羟基自由基在TC的降解中都起到一定的作用。循环实验和相关表征显示所制备复合催化剂具有良好的光稳定性。 最后,采用原位热解法对制备的ZnCO3/ZnIO3（OH）进行煅烧,结果显示300℃下煅烧后的样品ZCZIH-300(ZnCO3/ZnIO3（OH）/ZnO)对TC具有最佳的光催化活性,对TC的去除率由原始样品的66.28%提升到74.61%。光催化性能的提升主要源于极性光催化剂本身的自极化电场以及异质结界面的内建电场,它们有利于光生载流子在催化剂体相和表界面的分离和迁移,从而增强复合材料的光催化性能。采用UV-Vis DRS、UPS等表征方法分析了光催化剂的能带结构,推导出复合光催化剂符合S型异质结。结合活性基团捕获实验与ESR,发现单线态氧和超氧自由基在TC的去除过程中占主导地位。 本文为开发高性能光催化材料提供了新思路,所制备的具有自极化效应的铋锌基复合材料在环境污染物治理、光解水制氢等领域具有潜在的应用价值,有望为解决能源与环境问题做出贡献。