【BAS玻璃陶瓷的研究现状的文献综述3100字】

BAS玻璃陶瓷的研究现状的文献综述1.1BAS玻璃陶瓷介绍钡铝硅(BAS)玻璃陶瓷是铝硅酸盐玻璃体系的一种，全称为硅铝酸钡(Bariumaluminosilicate,BAS)，化学方程式为BaAl2Si2O8,BaO-Al2O3-2SiO2。BAS体系的主相主要可分为单斜相钡长石(Celsian)、六方相钡霞石(Hexacelsian)和正交相钡霞石(Orthorhombic)，其显著的特点是高温性能较好，在玻璃陶瓷中具有较高的熔点，可达到1760℃[17]。如图1-1为BaO-Al2O3-SiO2三元相图，当基础玻璃成分满足特定比例时，可以通过受控晶化形成具有特定主晶相的微晶玻璃材料。其中单斜相的热膨胀系数比较低，为2.29×10−6℃-1,因此单斜相的BAS常作为基体材料与增强相结合。此外，单斜钡长石相在高温下的稳定性较好，可以在1590℃的温度下保持相稳定，具有较好的抗氧化及腐蚀能力，并且介电性能较好，介电损耗低于0.005[31]。因此，BAS微晶玻璃常被用作高温结构的基体材料，电子元件和雷达天线罩等航空航天部件[32]。值得注意的是，除了上述友优异的理化性能，BAS玻璃陶瓷最显著的特点是，BaO-Al2O3-SiO2这种三化合物氧化物体系的最低共晶温度约为1175℃[33]，在烧结过程中会形成大量的共晶液相，由于液相的流动性较好，并且由于表面张力存在着自收缩的性质，因此会起到自致密的效果，而具有较高熔点的BaAl2Si2O8晶体易于从液相中结晶。因此BAS不仅仅作为结构基体材料，也有着助烧剂的作用，从而常用于无压烧结过程中，从而有着较大的工业应用价值。图1-1BaO-Al2O3-SiO2微晶玻璃相图[19]1.2BAS玻璃陶瓷的制备研究进展(1)固相烧结法固相烧结法是不同组元的粉末在高温高压的环境下烧结形成多元体系的制备方法[34]，是制备微晶玻璃材料的早期常用手段。其中Al2O3、SiO2和BaCO3常作为固相烧结制备BAS微晶玻璃的原料，同时也可以采用含有相应成分的替代材料，如煤灰粉等工业副产品，来达到环保循环的目的。González[35]等人使用煤灰粉作为原料，通过合理调控SrO2烧结添加剂的含量，在1200℃保温5小时后通过一步固相烧结反应制备了单斜相的钡长石相晶体。这种制备方法步骤相对简单，但是制备过程对于能量的消耗较大，工艺较为繁琐。(2)离子交换法离子交换法是利用溶液中的离子与另外一种交换剂上的离子进行替换，是借助稀溶液中的目标离子去替换固体交换剂中离子，从而得到理想固体交换剂的方法，原理上利用了传质分离的过程。B.Hoghooghi[36]等利用沸石作为反应的先驱体，在含有Ba2+水溶液中对沸石中的Na+进行替换，从而对沸石的结构进行改性，在没有引入单斜晶种的情况在990℃下得到单斜相的BAS。这种方法简单易操作，制备成本低，但是利用这种方法制备的微晶玻璃纯度不高，对原料的限制较大。(3)溶胶凝胶法溶胶凝胶法是指将化学活性较高的反应物在较低的温度下，在液相条件先通过搅拌及水解缩合的处理从而形成溶胶体系，胶粒间继续聚合形成具有网络结构的凝胶，凝胶间分布着流动性较差的溶剂，在干燥处理下形成先驱体，在后续热处理及低温烧结过程中可以形成微晶玻璃[35]。溶胶凝胶法的优点是制备工艺简单，对能量的消耗较低，可以在简单处理后制备纯度较大的单斜相BAS，因此近年来受到广泛关注，也成为制备微晶玻璃的主要方法。夏龙等[37,38]以硝酸铝、醋酸钡、硅溶胶、硝酸锂为原料，通过溶胶凝胶法制备了BAS先驱体粉末，并在1400℃下保温3小时，得到了以单斜相钡长石为主相的BAS玻璃陶瓷。1.3BAS微晶玻璃的强韧化处理(1)晶须及颗粒增强晶须增强主要的原理是通过在BAS基体中引入增强相制备复合材料，强度较高、模量较大的增强相在基体中以长径比较大的结构存在，在服役损伤过程中，增强相的存在会调节裂纹尖端附近应力场，降低局部应力强度因子，导致裂纹的偏转，该机理的增韧效果取决于第二相的结构以及它与裂纹相互作用关系[39]。目前针对BAS基体进行强韧化处理的工作不多，其中叶枫等[40]通过在BAS先驱体粉末中加入不同含量的SiC晶须，烧结后制备复合材料的方法对BAS基体进行强韧化处理。通过对复合材料的力学性能测试，可以判断SiC晶须的加入对基体起到了比较显著的增韧效果，并且随着SiC晶须的含量不同，增韧效果也随之变化。其中在SiC为40vol%时，复合材料的抗弯强度达到了最大，为380±15MPa。通过观察裂纹扩展的路径，如图1-2所示，(a)图说明当晶须含量较少时，裂纹呈近乎直线的形状穿过材料表面，而当晶须含量增多，也就是(b)图表示的情况时，纤维呈现出偏转的情况，并且在裂纹中间可以明显看到晶须起到了桥接的作用，从而可以确定增韧的原理可以归纳为裂纹偏转以及晶须的桥接。晶须增强的方法的优点是在于制备过程简单，并且增韧的效果较好，但是其缺点也是相对明显的，那就是第二相大多是通过外部引入的方式加入到复合材料中，因此第二相与基体的界面结合强度较低，会影响到材料整体的强韧化效果。另外，第二相的选择范围较小，在满足与基体相容性较匹配的条件下，可选择的种类不多，以SiC为例，SiC的制备成本较高，因此大大限制了材料的应用。并且，烧结的条件大多是高温高压，热压烧结就大大限制了材料的形状以及尺寸大小，并且制备的周期也会相对较长。因此，对于晶须增强机理的研究空间确定在降低制备成本及能耗，选择较新的增强相的方面。图1-2SiC晶须/BAS微晶玻璃基复合材料裂纹扩展路径:(a)晶须含量少；(b)晶须含量较大[40](2)纤维增强纤维增韧的原理是通过在玻璃陶瓷中添加碳、氧化铝或碳化硅等高模量纤维形成复合材料来提高BAS基体的韧性。高模量的纤维通过阻碍并使宏观裂纹方向偏转来提高裂纹的扩展路径长度从而来提高材料的断裂韧性[41-43]。具体的制备工艺可以总结为BAS先驱体浆料的制备，通过浆料浸渍的方式使纤维表面包裹一层浆料，然后通过剪裁层叠热压烧结，玻璃基体会进入纤维层中，从而制备了单向纤维的BAS增强复合材料[38]。由于纤维的的模量与基体相差很多，因此对于纤维增强复合材料研究的重点还是在纤维与基体之间界面的研究上，相对弱的界面是获得较好力学性能材料的前提，因为较弱的界面可以满足载荷的传递也不至于使基体与纤维结合过强导致纤维无法拔出。而获得良好结合界面的方法大多是在纤维表面制备涂层，或者是在纤维和基体间形成中间层结构[44,45]。BansalNP等人通过Hi-Nicalon纤维为增强体制备纤维增强BAS复合材料，利用气相化学沉积（CVD）的方法在碳纤维表面沉积一层BN-SiC涂层，对纤维与基体的界面进行调控。通过对断口的扫描电镜照片进行观测，图1-3所示，可以明显观察到有涂层的复合材料纤维拔出长度较长，断裂强度可达到435±35MPa，弹性模量也达到了165±5GPa。而表面没有涂层的材料纤维拔出长度较短，并且表面受到明显损伤使其力学性能降低。图1-3Hi-Nicalon纤维/BAS复合材料断口纤维拔出SEM图：（a）纤维表面没有涂层；（b）纤维表面带有涂层[44]参考文献ZhangD,LiY,GaoW,etal.Developmentandapplicationofhightemperatureradomematerials[J].AerospaceMaterials&Technology,2001,6.HsiangHI,ChenCC,YangSY.MicrowavedielectricpropertiesofCa0.7Nd0.2TiO3ceramic-filledCaO-B2O3-SiO2glassforLTCCapplications[J].JournalofAdvancedCeramics2019;8(3):345-51.PirzadaTJ,LiuD,EllJ,BarnardH,SulakI,GalanoM,MarrowTJ,RitchieRO.Insituobservationofthedeformationandfractureofanalumina-aluminaceramic-matrixcompositeatelevatedtemperatureusingx-raycomputedtomography[J].JournaloftheEuropeanCeramicSociety2021;41(7):4217-30.IqbalT,MostafaM,IshtiaqueMS,RahmanMJ,ChoudhuryS.EffectofCe-MnCodopingontheStructural,MorphologicalandElectricalPropertiesoftheBaTiO3BasedCeramics[J].BiointerfaceResearchAppliedChemistry2021;11(4):12215-26.LeiY,WangQ,HuoJ.Fabricationofdurablesuperhydrophobiccoatingswithhierarchicalstructureoninorganicradomematerials[J].CeramicsInternational,2014,40(7):10907-14.LiY,ZhangD,ChenY,etal.Progressinhighperformanceradome&antennamaterialsforaerospace[J].AerospaceMaterials&Technology,2000,5.WangY,LiuJ.Aluminumphosphate–mullitecompositesforhigh-temperatureradomeapplications[J].InternationalJournalofAppliedCeramicTechnology,2009,6(2):190-4.HarisM,LailaD,ZainudinE,etal.Preliminaryreviewofbiocompositesmaterialsforaircraftradomeapplication[J].KeyEngineeringMaterials,2011,471:563-7.张学斌,何利华,漠杰.复合材料在导弹天线罩连接环上的应用[J].制导与引信,2012,33(01):33-6.LiHB,ZhangHM,ChangAM,MaXH,RongJH,YangLY.Anovelcore-shellstructureNTCceramicwithhighstabilityfabricatingbyanin-situink-jetprintingmethod[J].JournaloftheEuropeanCeramicSociety2021;41(7):4167-74.Al-ZahraniYA,MehboobK,MohamadD,AlhawsawiA,AbolabanFA.NeutronicperformanceoffullyceramicmicroencapsulatedofuraniumoxycarbideanduraniumnitridecompositefuelinSMR[J].AnnNuclEnergy2021;155:13.YanJM,HeNL,ChenXJ,XiaoCJ,ZhaoLJ,GaoT.Design,synthesisandcharacterizationofadvancedtritiumbreeder:Li4Si1-xTixO4ceramics[J].CeramicsInternational2021;47(10):14178-82.KavazE,ElAgawanyFI,TekinHO,PerisanogluU,RammahYS.Nuclearradiationshieldingusingbariumborosilicateglassceramics[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