为探究铝酸钙水泥(CAC)与硅灰石(WS)协同改性作用,本文通过复掺CAC和WS,设计了13组不同配合比的改性磷酸钾镁水泥(MKPC)试件,研究改性MKPC在NaCl、MgSO₄、NaOH和H₂SO₄溶液作用下的耐腐蚀性能及微观特性。结果表明,CAC的反应产物以无定形的铝凝胶形式包覆在MKPC水化产物六水磷酸钾镁(MgKPO₄·6H₂O)表面并填充在MgKPO₄·6H₂O晶体间的孔隙中,改善了MKPC的微观结构,抑制腐蚀性介质的侵蚀。WS作为惰性组分不参与MKPC的水化反应,但通过填充作用使MKPC孔隙结构更加致密。CAC和WS协同作用可以有效改善MKPC在NaCl、MgSO₄溶液中的耐腐蚀性能,当CAC和WS的掺量分别为胶凝材料质量的15%和5%时,改善效果最佳。在NaOH和H₂SO₄溶液中,填充在MgKPO₄·6H₂O晶体之间的CAC反应产物被腐蚀,导致晶体之间形成了相互连通的通道,影响了耐腐蚀性能的提升效果。

本研究探讨了葡萄糖酸亚铁对氯氧镁水泥(MOC)性能的改善,包括抗压强度、耐水性和降解性等性能。实验中,葡萄糖酸亚铁按照0.2%~0.8%(质量分数)的不同比例加到MOC中。研究显示:0.2%的葡萄糖酸亚铁可将MOC的7 d抗压强度提高至(78.14±1.32) MPa,比空白组高出19.3%;改性MOC在耐水性测试中显示出较高的7 d软化系数(0.59),优于未改性样本(0.29);在0.8%的葡萄糖酸亚铁掺量下,MOC浆体的屈服应力和塑性黏度分别降低了9.118 Pa和0.112 Pa·s,改性MOC的流动性较好,方便实际应用操作调控。这些结果证明了葡萄糖酸亚铁在改善MOC抗压强度、耐水性和调节降解性方面有着出色的潜力。

为研究动水冲刷对水泥注浆材料力学性能的影响,对动水冲刷后留存浆液形成的结石体开展了单轴压缩试验,通过核磁共振和扫描电子显微镜表征了结石体的微观结构,结合微观结构讨论了动水冲刷对水泥注浆材料力学性能的影响机制。结果表明,动水冲刷导致注浆材料的单轴抗压强度和弹性模量明显下降,且随着水流速度增加,衰减程度愈加显著。同时,留存浆液结石体的峰值应变和极限应变均有所降低,当水流速度达到1.0 m/s时,留存浆液结石体表现出明显的脆性破坏特征。此外,留存浆液结石体中的微孔数量显著增加,这是其力学性能衰减的主要原因。本研究有助于深入理解注浆材料在动水冲刷环境中的真实力学性能。

为了探究新型增强材料代替纤维提高混凝土弯曲韧性的可行性,本研究通过3D打印聚乳酸(PLA)制备了超材料,并将超材料嵌入水泥基材料中,利用三点弯曲和声发射联合测量技术,研究超材料与聚丙烯(PP)纤维在弯曲荷载作用下的裂缝发展演化规律及力学性能,并从微观角度分析揭示了超材料和纤维的断裂行为,以及超材料对水泥基材料弯曲韧性的影响。结果表明,试件嵌入超材料时的抗弯强度较掺入PP纤维时提升了40.4%,较对照组提升了116.8%,超材料大幅提高了水泥基材料的抗弯强度,并使其破坏模式由单一裂缝模式转变为多裂缝模式,脆性破坏转变为塑性破坏,而PP纤维仅提高了水泥基材料的抗弯强度。超材料在稳定增长阶段和失稳开裂阶段的拉伸裂纹比例较PP纤维明显提高,在此阶段,超材料韧性指数分别是PP纤维的16.75倍和4.37倍。

木屑-氯氧镁水泥复合材料(SMOCC)是以氯氧镁水泥为胶凝材料,木屑为填充材料,并掺加适当比例改性剂,施加5 MPa压力压制成型的新型建筑材料。为了探究SMOCC的基本力学性能和损伤演化规律,本文开展了立方体抗压、劈裂抗拉和不同加载速率下棱柱体受压试验。同时,基于试验结果,采用Lognormal和GaussAmp统计分布函数,结合等效应变原理,建立了不同加载速率下SMOCC的损伤构模型。结果表明:立方体抗压强度、劈裂抗拉强度及弹性模量均随着SMOCC表观密度的增大而增大;SMOCC峰值应变和峰值应力均随着加载速率的升高而减小;较低加载速率下,SMOCC内部缺陷及微裂纹发展更充分,应力-应变曲线初始压实阶段上凹更明显,脆性特征有所改善;与Lognormal统计分布函数相比,GaussAmp统计分布函数建立的本构模型能够更好地描述SMOCC单轴受压力学行为和损伤演化过程。研究成果可为SMOCC的设计和应用提供理论依据。

为探究高温后橡胶混凝土(RC)的力学强度退化特性,对掺加不同辅助胶凝材料(SCMs)的RC在高温作用下的质量损失、抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度进行测试,并分析温度和SCMs对RC强度的影响。研究表明,随着温度升高,各组RC试件的颜色缓慢由深变浅,并伴随不同程度的裂缝、剥落和质量损失,800 ℃时RC严重劣化。RC的质量损失率在700 ℃时达到峰值。橡胶颗粒和SCMs在200 ℃前改善了RC的破坏模式,提高了RC残余强度,但在400 ℃后,RC力学强度急剧下降。扫描电子显微镜分析表明,高温导致RC内部孔隙和裂缝增多,微观结构的劣化是RC宏观力学强度退化的主要原因。基于试验数据,建立了温度与RC抗压强度、劈裂抗拉强度及抗折强度损失率之间的函数公式,为RC的高温性能研究提供了理论支持。

为改善再生混凝土(RAC)的力学性能,在混凝土中掺入苎麻纤维(RF),研究了再生粗骨料(RCA)、RF对混凝土抗压强度、抗折强度和抗劈裂强度的影响,通过氮吸附法、扫描电子显微镜分析进一步探究掺入RF对混凝土性能的影响规律和改善机理。再生骨料混凝土力学性能随RF掺量增加呈先升高后降低趋势。RCA取代率为30%(质量分数)时,掺入0.5%(体积分数)RF较未掺RF的混凝土抗折强度提高11.5%。由微观分析可知,RF较高的吸水率可以使纤维表面的水泥浆体产生水化反应,生成的水化硅酸钙凝胶填充孔隙进而增加混凝土抗压强度。但在搅拌混凝土时RF易产生团聚现象,形成薄弱区,增加内部缺陷,抑制抗压强度提高,RF的掺入对混凝土抗压强度的提高较小。RF表面粗糙且有竖向条纹,可增加混凝土裂缝两侧的黏结强度,在混凝土裂缝两侧起桥接作用,限制混凝土受拉荷载作用下裂缝的开展,使混凝土抗折强度和抗劈裂强度有较大提高。

工程地聚物基复合材料(EGC)具备优异的拉伸延性和裂缝控制能力,在混凝土结构修复领域具有潜力,但高成本和对EGC-混凝土界面粘结机制理解的缺乏限制了EGC的广泛应用。本文采用聚乙烯(PE)纤维和国产聚乙烯醇(PVA)纤维制备了混杂PE/PVA纤维EGC(PE/PVA-EGC),并开展了EGC-混凝土界面粘结性能试验研究,通过斜剪试验探讨了单掺PE纤维掺量、混杂PE/PVA纤维比例及前驱体比例对界面粘结性能的影响规律和机理。结果表明,增加PE纤维含量、PVA纤维替代率、矿渣含量和混凝土基体强度均能提高混凝土的界面剪切粘结强度。当单掺PE纤维掺量从1.0%(体积分数)增加到2.0%时,试件的界面剪切粘结强度增加了13.24%;界面剪切粘结强度随着PVA纤维替代率和基体强度的增加而逐渐增大;当既有混凝土强度等级为C50时,混凝土与EGC有着最佳的粘结性能。因此,在适当的基体强度下,混杂PE/PVA纤维能有效改善EGC与既有混凝土的界面粘结性能并控制修复或加固成本。

为解决滨海地区混凝土在硫酸铵环境中耐久性不足的问题,本研究采用了不同的水灰比(w/b)和表面涂层处理对混凝土在硫酸铵浸润下的抗侵蚀性能进行了系统评估。通过对混凝土试样施加胶体硅酸盐、硅烷/纳米复合材料、乙烯基酯/纳米复合材料等涂层,并在基准浸润和复合浸润(冻融循环和干湿循环)条件下进行质量变化及微观结构的演变等测试。研究结果表明:与基准浸润条件相比,复合浸润对混凝土的破坏更为严重。将水灰比由0.6降低至0.4后,涂覆纯乙烯基酯的混凝土试样与无涂层试样相比,累积质量损失减少了约55%,降低水灰比会使混凝土的微结构致密化并降低渗透性。胶体硅酸盐表面处理虽然改善了初始流体抵抗性,但是由于胶体硅酸盐的亲水性和涂层的干缩微裂纹,未能有效保护混凝土抵抗硫酸铵侵蚀。水灰比为0.6,采用硅烷/纳米复合材料涂层时,由于其疏水性和纳米材料的增强效果,混凝土试样的累积质量损失相对涂覆纯硅烷的试样最多可减少56%,水灰比为0.4,采用乙烯基酯/纳米复合材料的涂层时,由于聚合物膜的强黏结性和化学稳定性,混凝土试样的累积质量损失相对涂覆纯乙烯基酯的试样最多可减少65%。硅烷和乙烯基酯纳米复合材料均在滨海地区混凝土的硫酸铵侵蚀防护中均表现出良好的效果,为滨海地区混凝土结构的设计和维护提供了有效的防护措施,可以显著延长混凝土结构在硫酸铵环境中的使用寿命,减少维修和更换成本。

地质聚合物被认为是21世纪有可能大量取代水泥的绿色胶凝材料。本文综述了地质聚合物在软土加固方面的研究现状与进展:介绍了目前用于软土加固的地质聚合物前驱体和激发剂;归纳了地质聚合物加固软土的原理和机理;根据室内单元试验结果分析了地质聚合物固化土的变形和强度特性;讨论了地质聚合物固化土的渗透性和耐久性;总结了地质聚合物加固软土的环境影响和工程应用。与水泥固化土相比,在相同掺量下地质聚合物固化土的力学性能更好,且其CO₂排放量较低,因此地质聚合物可以替代水泥用于加固软土。将来可进一步研发性能更好的地质聚合物前驱体及绿色激发剂,并进一步研究不同类型地质聚合物固化土的宏微观力学特性。

地聚物是一类由活性硅铝酸盐前驱体经化学激发反应形成的无机胶凝材料,具有力学性能优异、耐久性好等优点。这类新型胶凝材料的开发和应用有利于传统水泥工业低碳化发展。但在地聚物制备过程中,经常出现新拌混凝土凝结时间难以控制的问题,限制了其推广与应用。本文总结了影响地聚物凝结硬化的众多因素,如硅铝质原材料的物理化学性质,激发剂的种类、浓度和模数,水含量等内在因素,以及养护温度和外加剂等外在因素,详细讨论了各因素对地聚物凝结硬化特性的影响规律及作用机制,并指出了地聚物凝结硬化未来的研究方向。

烧结陶粒作为工业固体废物资源化利用的重要途径,不仅在重金属固化方面具有显著优势,还能减少对黏土和页岩等不可再生资源的消耗,是一种极具潜力的固废资源化与无害化的利用方式。本文系统综述了重金属的固化机理、固化效果(固化效率通常超过80%)、陶粒应用及影响重金属固化效果和陶粒产品性能(体积密度、机械强度和吸水率)的因素,并提出了当前固废基陶粒研究中的问题与未来可能的研究趋势,旨在为进一步提高高温烧结固废基陶粒的重金属固化效果及陶粒产品性能提供科学依据。

为制备满足工作性能要求的全再生粗骨料自密实混凝土,以粉煤灰掺量(20%、30%、40%、50%、70%,质量分数)和水胶比(0.36、0.40、0.45)为设计变量,制备了11组全再生粗骨料自密实混凝土拌合物,对其开展了坍落扩展度、流动时间T₅₀₀和J环扩展度等工作性能试验,分析了粉煤灰掺量和水胶比对全再生粗骨料自密实混凝土工作性能的影响规律。结果表明:掺入适量的粉煤灰可提高全再生粗骨料自密实混凝土的流动性能,当粉煤灰掺量达到30%时,混凝土坍落扩展度最大可达到755.0 mm;当粉煤灰掺量从20%增大到40%时,混凝土的填充性能呈下降趋势,离析率呈先减小后增大的趋势,建议全再生粗骨料自密实混凝土合理粉煤灰掺量为20%~30%。基于试验结果,建立了适用于全再生粗骨料自密实混凝土坍落扩展度的非线性回归模型,计算值与试验值吻合较好。

为提升钼尾矿砂(MTs)的资源化利用程度,降低自密实混凝土(SCC)的生产成本,本文研究了不同砂率下MTs替代率对SCC工作性能和力学性能的影响,并分析了其产生的环境和经济效益。结果表明,随着MTs替代率增加,SCC工作性能下降,但通过改变砂率和减水剂用量调控坍落扩展度,可制备出具有良好填充性能、间隙通过性能和抗离析性能的SCC。在46%和50%(质量分数)砂率下,MTs替代率分别为30%和20%(质量分数)时,SCC的负面孔隙(少害孔、有害孔和多害孔)占比降低,抗压和劈裂抗拉强度得到了显著提升。此外,MTs的掺入有效提升了环境和成本效益。综合考虑MTs对SCC工作性能、抗压强度、环境和经济效益的影响,研究认为在钼尾矿库存丰富的周边区域采用46%砂率、30%MTs替代率来制备SCC是最优的选择。

为提高固废在混凝土中的综合利用率,制备一种具备高效消纳固废能力的新型混凝土,通过原材料优选和L₁₆(4³)正交试验设计,采用极差分析和方差分析研究了橡胶颗粒(RP)取代砂、玻璃粉(GP)取代水泥、再生粗骨料(RCA)取代天然粗骨料(NCA)时,三者取代率对混凝土力学及抗冲击性能的影响,并采用Weibull分布模型对冲击试验结果进行拟合和失效概率预测。结果表明:各因素对混凝土力学性能影响的主次顺序为RP、RCA、GP,各因素对混凝土抗冲击性能影响的主次顺序为RP、GP、RCA;当RP掺量为20%(体积分数)时,与RP掺量为0%时相比,抗冲击性能提高81.8%,抗压强度和劈拉强度分别降低21.63%、12.65%;当GP掺量为10%(质量分数)时,与GP掺量为0%时相比,抗压强度、劈拉强度和抗冲击性能分别提高2.87%、2.35%、15.0%;当RCA掺量为70%(体积分数)时,与RCA掺量为0%时相比,抗压强度、劈拉强度和抗冲击性能分别降低11.01%、10.77%、10.5%。Weibull分布模型可准确描述橡胶玻璃粉再生混凝土试样的抗冲击次数的概率分布。

了解多孔地聚合物在高温条件下的性能变化,有助于优化多孔地聚合物在高温环境中的应用。本研究分别在200~800 ℃条件下对粉煤灰-矿渣基多孔地聚合物材料进行高温处理,研究高温作用对多孔地聚合物物质组成、微观结构和宏观性能的影响。结果表明,粉煤灰-矿渣基多孔地聚合物最显著的质量损失发生在600 ℃以下,主要归因于自由水、结合水的蒸发和脱羟基化,600 ℃以上质量损失减弱,主要对应于部分碳酸盐物质的分解。多孔地聚合物的微观结构在200 ℃以下基本保持稳定,400 ℃以上开始出现热裂纹和熔化现象。随加热温度升高,多孔地聚合物的孔隙率、孔隙连通性和平均孔径不断增大,抗压强度不断减小,导热系数先降低后升高。

以燃煤渣、花岗岩石粉和高钙粉煤灰为主要原料,NaOH为激发剂制备地聚合物,在单因素试验的基础上,采用响应面法中的Box-Behnken Design模型,分析了不同固废质量掺比对地聚合物抗压强度的影响,并采用XRD、FTIR和SEM对地聚合物的物相组成与微观结构进行分析。研究表明,各固废质量掺比对响应值的影响顺序由大到小为高钙粉煤灰、燃煤渣、花岗岩石粉。其中花岗岩石粉与高钙粉煤灰交互作用显著。通过响应面优化后得到的最佳原料配比参数为燃煤渣质量掺比1.8、花岗岩石粉质量掺比0.8、高钙粉煤灰质量掺比7.0,该配比下地聚合物早期(7 d)平均抗压强度可达22.73 MPa。燃煤渣、花岗岩石粉和高钙粉煤灰通过地聚合反应相互协同生成无定形凝胶相与沸石类矿物,为地聚合物提供强度。花岗岩石粉和高钙粉煤灰的级配效应使地聚合物的结构更致密,该研究可为大宗量、多固废的协同处置应用提供参考。

以电石渣、钢渣、脱硫石膏和粉煤灰为主要原料,以铝矾土为校正原料,制备高贝利特铁铝酸盐水泥(HBFAC)。通过综合热分析(TGA)、易烧性分析、X射线衍射(XRD)分析、水化热分析、扫描电子显微镜(SEM)及物理力学性能测试,系统研究了不同贝利特含量的固废基HBFAC熟料的烧成性能与水化行为。研究结果表明,固废基HBFAC熟料的形成温度区间为1 220~1 340 ℃,最佳煅烧温度为1 300 ℃,烧成温度比传统硫铝酸盐水泥(SAC)熟料低25~100 ℃,最佳保温时间为30 min。在最佳煅烧工艺下,固废基HBFAC熟料的晶体发育较好,分布均匀,且凝结时间相比SAC延缓20~30 min。制备的固废基HBFAC表现出快凝快硬、早期高强、后期强度持续增长及低水化热的特性,其抗压强度优于SAC和普通硅酸盐水泥(OPC)。水化产物主要包括高硫型钙矾石(AFt)、单硫型钙矾石(AFm)、铝凝胶(AH₃)和水化硅铝酸钙(C-A-S-H)。相较于硫铝酸四钙(C₄A₃$\overline{\mathrm{S}}$),硅酸二钙(C₂S)的水化较慢,对HBFAC后期强度的增长起到了持续促进作用。

本研究利用矿渣、钢渣、赤泥、烧石膏及少量自制激发剂CH(以多种价态的碱混合而成)和NS(以多种易溶性硫酸盐和卤族盐混合而成)制备多元固废胶凝材料固化洗砂余泥,采用XRD、MIP和SEM等测试技术,研究了化学激发剂类型、胶凝材料掺量、养护温度(20和40 ℃)对洗砂余泥固化体抗压强度和微观结构的影响,并评估了其水稳性和重金属浸出特性。结果表明:单掺CH多元固废胶凝材料对洗砂余泥的固化效果最优,养护温度和多元固废胶凝材料掺量为40 ℃和40%时,7 d抗压强度可达5.57 MPa,软化系数为0.88;单掺NS多元固废胶凝材料对洗砂余泥的固化效果最差,原因是缺乏高碱环境,削弱了钙和铝的溶出,水化硅酸钙(C-S-H)和钙矾石(AFt)的生成量降低,孔隙率增高;而使用复掺CH-NS多元固废胶凝材料,会因为生成过量的膨胀性产物AFt而造成试样抗压强度降低。提高多元固废胶凝材料掺量和养护温度,可提高洗砂余泥固化体的抗压强度。单掺CH多元固废胶凝材料可使洗砂余泥固化体养护温度40 ℃的7 d抗压强度比20 ℃的7 d抗压强度增长169.08%。此外,洗砂余泥固化体的重金属(铁、锰、钛)浸出含量均符合环保性要求。

膨胀土因具有吸水膨胀软化、失水收缩开裂等特性不宜直接用于路基填方。采用高炉矿渣、电石渣复合改良膨胀土,通过击实试验、自由膨胀率试验、无侧限抗压强度试验和水稳定性试验,研究不同配比对改良膨胀土强度、水稳定性等工程特性的影响;开展X射线衍射和扫描电子显微镜等微观测试,研究高炉矿渣、电石渣对膨胀土的复合改良机理。结果表明:掺入高炉矿渣、电石渣能抑制膨胀土的膨胀特性,提升膨胀土强度和水稳定性,6%(质量分数)的高炉矿渣和6%(质量分数)的电石渣复合改良效果最佳,养护后自由膨胀率降低至11%,无侧限抗压强度达到2.84 MPa,水稳定系数为82.5%;高炉矿渣、电石渣与膨胀土之间发生水化反应生成水化硅酸钙、水化铝酸钙和钙矾石,水化产物相互胶结,填充土体孔隙并黏结土颗粒,使土体更加密实,从而提升改良膨胀土的强度。研究成果为高炉矿渣、电石渣复合改良膨胀土在路基工程中的应用提供参考。

为解决磷石膏基骨料与普通硅酸盐水泥的相容性问题,本文制备了一种核壳结构磷石膏基骨料。在系统研究骨料壳层组分对骨料吸水率、筒压强度及抗压强度等宏观性能影响的基础上,借助现代分析测试方法研究了骨料壳层组分对混凝土界面过渡区微观结构特性的影响。结果表明,核壳结构磷石膏基骨料的性能较未包壳层骨料均得到提升,并且该骨料与普通硅酸盐水泥制成的混凝土试块抗压强度得到提升。核壳结构磷石膏基骨料和水泥形成的界面与未包壳层的相比,在水化早期,降低了界面处Ca(OH)₂的含量,优化了界面处的孔隙结构,提高了界面处显微硬度,降低了界面过渡区宽度,并且该壳层可降低骨料内核S元素向界面处扩散的概率;在水化后期,界面处水化反应基本稳定,该壳层仍可减缓内核S元素向界面扩散的趋势,降低了界面处膨胀和开裂的风险,增加了磷石膏基骨料在普通硅酸盐水泥体系中应用的可行性。

针对建筑固废利用率较低的问题,本文对使用不同获取方式和取代方式的再生微粉与再生粗骨料制备的混凝土抗压强度进行了试验研究,并建立了同时掺入再生微粉和再生粗骨料混凝土的早期抗压强度时变规律预测模型,并分析了制备混凝土的碳足迹。研究包括超量取代与常量取代的对比,以及研磨获取的再生微粉与筛分获取的再生微粉的对比。结合扫描电子显微镜和压汞法对混凝土试样进行了微观测试,分析了混凝土强度变化微观层面的原因。结果表明,再生微粉对混凝土力学性能的影响比再生粗骨料明显。随着再生微粉掺量从0%增加到30%(质量分数),试块早期抗压强度的发展逐渐减慢,孔隙率则迅速增加,且多害孔的占比也会增加。此外,以再生微粉和再生粗骨料取代率为参数建立的再生混凝土早期抗压强度时变规律预测模型拟合程度良好,可在工程实践中作为参考。

早期自收缩大和开裂风险高是限制碱激发矿渣(AAS)胶凝材料推广应用的重要难题,利用高吸水树脂(SAP)进行内养护是解决这些问题的有效方法之一,但这种方法会降低AAS的力学性能。本研究将多孔活性稻壳灰(RHA)与SAP复配形成复合内养护组分(SAP-RHA, SR),对比分析了SR与SAP内养护对AAS工作性能、收缩特性、水化产物及力学性能的影响。结果表明,相比于单独使用SAP内养护,SR内养护不仅进一步降低了AAS的自收缩,还有效提高了AAS的抗压强度,在一定程度上解决了SAP内养护所导致的力学性能降低的问题。

建筑废弃物资源化利用具有较显著的碳减排效果和低碳示范效应,但相关减排项目开发缺少适用方法学。本研究旨在开发建筑废弃物再生骨料替代天然骨料的碳减排核算方法学。在界定适用范围为建筑废弃物资源化利用工厂的项目活动后,方法学构建采用障碍分析法识别并论证基准线情景,采用基准线排放与项目排放差额对比法及碳排放因子法核算减排量。监测方法规定了设计阶段和实施阶段所需的参数和数据,其中实施阶段应重点监测资源化利用生产线的各类能源消耗、废弃物处理量及再生骨料产出量。以江苏省某实际项目为案例,研究验证了方法学的有效性和可行性。研究结果不仅填补了建筑废弃物资源化利用领域温室气体自愿减排方法学的空白,也从碳减排核算的角度丰富了建筑废弃物资源化循环利用的市场化行动方案。

六方氮化硼(h-BN)陶瓷作为一类性能优异的结构功能一体化陶瓷材料,在航天航空、微电子、冶金等领域具有广阔的应用前景。但h-BN具有特殊的层状结构与层间共价键,在烧结过程中存在难致密的问题。为了促进h-BN陶瓷烧结致密,提升材料的各项性能,研究人员一方面在无压烧结(PLS)、热压烧结(HPS)、放电等离子烧结(SPS)、反应烧结(RS)等传统烧结技术基础上提出新的策略,另一方面开发出了多种新型烧结技术,包括冷烧结(CSP)、振荡压力烧结(OPS)及交联无压焊接等。本文从传统烧结技术及新烧结技术两方面综述了h-BN陶瓷致密技术的新进展,比较各类传统烧结与新烧结技术,结合h-BN陶瓷的典型应用阐述现有烧结技术的发展方向及应用前景,旨在为h-BN陶瓷的烧结致密技术的发展与应用提供参考。

短切碳纤维增强碳化硅复合材料(C_sf/SiC)是一种高性能陶瓷基复合材料,光固化3D打印工艺能够弥补传统工艺在复杂精细结构C_sf/SiC部件精密制造方面的不足。本文以短切碳纤维(C_sf)、碳化硅(SiC)微粉和光敏树脂为原料制备了光敏树脂基C_sf/SiC浆料,通过光固化3D打印工艺得到了刮刀运动方向平行和垂直于试条长度方向的试条(分别记为A和B),比较了两种试条脱脂前后抗弯强度、韦伯模数、尺寸和质量的变化。研究表明:A试条具有更高强度和结构均一性,其密度、抗弯强度和韦伯模数分别为1.81 g/cm³、10.68 MPa和13.22;脱脂后坯体密度、抗弯强度和韦伯模数分别降至1.40 g/cm³、7.32 MPa和9.45,在X、Y、Z方向上的脱脂收缩率分别为1.22%、3.35%和4.24%,坯体脆性增加,韧性降低。化学气相渗透(CVI)工艺能够实现C_sf/SiC样品的致密化、强韧化和均一化,脱脂后的C_sf/SiC样品经CVI渗碳后增重约50%,密度、致密度、抗弯强度和韦伯模数分别为2.02 g/cm³、93.88%、121.22 MPa和21.04。

压电陶瓷是电子元器件中的重要材料,其个性化和复杂化制造对提高压电功能器件的性能具有重要意义。然而,由于陶瓷的高脆性和高硬度,传统成形工艺在制备复杂结构时面临较大挑战。增材制造基于逐层叠加原理,理论上可制备任意复杂结构,为压电陶瓷复杂构件的制备提供了新方案。本文采用立体光刻(SLA)增材制造工艺,成功制备了锆钛酸铅(PZT)复杂结构压电陶瓷骨架,研究了浆料固含量对PZT陶瓷浆料流变性能,PZT陶瓷烧结体微观形貌、相对密度及电学性能的影响。结果表明,陶瓷固含量的增加有助于晶粒在高温下的生长以及坯体的致密化,但同时增加了浆料的表观黏度,降低了浆料的固化性能,不利于复杂结构PZT的制备。本研究制备了相对密度为98.26%、压电系数d₃₃为341 pC/N的PZT基陶瓷烧结体,为增材制造高性能压电陶瓷及其复合材料提供了参考。

采用活性金属法在真空焊接炉中分别封接同组分的非氧化物陶瓷-非氧化物陶瓷(Si₃N₄-Si₃N₄、AlN-AlN、SiC-SiC)及不同组分的非氧化物陶瓷-金属材料(Si₃N₄-4J29、Si₃N₄-304不锈钢、Si₃N₄-无氧铜、SiC-4J29、SiC-304不锈钢、SiC -无氧铜、AlN -4J29、AlN -304不锈钢、AlN-无氧铜),测试样品的封接强度并采用SEM和EDS对封接界面的形貌和元素成分进行测试。结果表明:活性金属法可适用于Si₃N₄-Si₃N₄、AlN-AlN、SiC-SiC、Si₃N₄-4J29、Si₃N₄-304不锈钢、Si₃N₄-无氧铜、AlN-304不锈钢、SiC-304不锈钢及SiC-无氧铜的封接,其中非氧化物陶瓷-非氧化物陶瓷封接样品中SiC-SiC的封接强度最大,达到129.4 MPa;非氧化物陶瓷-金属材料封接样品中Si₃N₄-304不锈钢(101.9 MPa)、SiC-304不锈钢(135.7 MPa)、AlN-304不锈钢(79.1 MPa)的封接强度较大;活性金属法的核心机理在于焊料中的Ti在封接温度下会发生迁移,一部分从焊料中心区域向陶瓷界面扩散,并与N、C等元素形成TiN、TiC等化合物,从而形成较为致密的界面层,还有少量从焊料中心向金属扩散,与金属发生固熔反应,形成金属间化合物,进而形成实现异质材料之间的高强度封接。

在深井煤层气藏开采过程中,力学结构强度及导流能力俱佳的陶粒支撑剂是高效开采煤层气藏的重要前提。陶粒支撑剂合成原料的二次加工有利于使其获得优质综合性能以满足在复杂的地层环境中的应用。本文对低品位铝矾土和煤矸石固废料进行陈腐处理,制备了煤层气用陶粒支撑剂,深入分析了水分浸润作用对矾土矿石原料、煤矸石添加剂等烧结性能的影响,同时探究了陈腐水化作用与支撑剂结构致密性、孔隙特征、物相尺寸等参数的变化规律。最终合成了满足煤层气开采的高品质陶粒支撑剂,为我国今后矿产资源的高效利用及煤层气藏的快速稳定开采提供了研发基础。

玻璃基板凭借优异的高频电学性能、热稳定性和化学稳定性,有望成为先进封装技术中的关键材料。本文通过分析玻璃基板在封装过程中的作用与优势,探讨了玻璃基板在中介层、扇出型封装、微机电系统封装和集成天线封装等先进封装技术中的应用,总结了未来芯片封装用玻璃基板的常见成分体系及主要理化性能参数,并对玻璃基板未来的应用发展进行了展望。

高铝硅酸盐玻璃因具有优异的机械、光学和化学钢化性能而备受关注,但高熔化温度会导致玻璃内气泡和条纹难以消除,这限制了高品质玻璃的制备。As₂O₃是一种低价、高效的玻璃澄清剂,但受安全因素影响已被禁用。本文选取先前研究中制备的已固化12%(质量分数)As₂O₃的钠钙玻璃作为澄清剂,利用红外光谱和拉曼光谱分析了含砷钠钙玻璃的引入对高铝硅酸盐玻璃网络结构的影响。此外,采用超景深显微镜,研究了不同As₂O₃引入量(0%~0.5%,质量分数)对高铝硅酸盐玻璃澄清效果的影响。结果表明,随着含砷钠钙玻璃添加量的增加,高铝硅酸盐玻璃网络结构的聚合度降低。此外,随着As₂O₃引入量的增加,高铝硅酸盐玻璃中气泡缺陷显著减少;As₂O₃引入量为0.5%时,澄清效果最佳,气泡熔占比低至0.14%。

近年来,高精度、高强度的复杂件连接方式受到广泛关注。本文以无定形磷酸盐胶粘剂为基体,掺杂Si、B₄C和ZrW₂O₈等填料及固化剂,通过调整不同比例,成功制备了一系列具有不同热膨胀系数的磷酸盐无机胶粘剂。这些胶粘剂被应用于β-锂霞石微晶玻璃的粘接,并有效调控了其热膨胀系数。通过X射线衍射、傅里叶变换红外光谱、同步热分析仪、扫描电子显微镜、粘接强度测试及热膨胀系数测试等方法对粘接件进行了全面的测试和表征。测试结果显示,经ZrW₂O₈改性的磷酸盐胶粘剂在粘接β-锂霞石微晶玻璃时展现出卓越的性能,经过热处理的粘接件在20~100 ℃的热膨胀系数可达0.12×10^-6 K^-1,而粘接强度最高可达6.5 MPa。

Al₂O₃-SiO₂气凝胶(ASA)因具有孔隙率高、密度低、比表面积高等特性,耐高温和隔热性能较为突出,在航空航天隔热领域具有广阔的发展前景。然而,ASA的力学性能相对较差和高温下对红外辐射吸收和散热能力较弱等问题,限制了其在高温隔热领域的应用;元素掺杂和纤维增强是目前改进ASA隔热性能和力学性能的常用方法。本文从ASA的制备技术、ASA性能的影响因素、元素或物质掺杂ASA的研究及纤维增强ASA复合材料四个方面进行了综述,并对ASA未来发展方向做出了展望。

本文系统地研究了Cr元素对FeNiCuCoCr_x(x=0,0.5,1.0,1.5,2.0)高熵合金粉末的相组成、微观形貌、高温烧结过程中的相演变及块状高熵合金耐高温氧化性能和抗腐蚀性能的影响。结果表明,机械合金化后的高熵合金粉末均由面心立方(FCC)相和体心立方(BCC)相组成,随着Cr含量的增加,BCC相特征峰的强度增强。高熵合金FeNiCuCoCr_x(x=0,0.5,1.0,1.5,2.0)的BCC相在高温烧结过程中溶解在基体中,FCC相则分解转变为富Cu相(FCC1相)和缺Cu相(FCC2相),合金组织成分均匀度较高。在900 ℃的等温氧化过程中,FeNiCuCoCr_0.5高熵合金氧化膜连续且致密,与基体紧密结合,当膜厚度为25 μm时,其耐高温氧化性能最优异。3.5%(质量分数)NaCl溶液中的电化学测试结果表明,FeNiCuCoCr_0.5高熵合金的抗腐蚀性能最好,其腐蚀电流密度为5.56×10^-8 A/cm²,电荷转移电阻为6 821 Ω·cm²,相较于其他FeNiCuCoCr_x(x=0,1.0,1.5,2.0)高熵合金腐蚀电流密度低了1个数量级;相较于其他FeNiCuCoCr_x(x=0,1.0,1.5,2.0)高熵合金,FeNiCuCoCr_0.5高熵合金的转移电阻分别提高了51.9%、18.8%、233.4%和265.3%。研究结果为构建抗腐蚀FeNiCuCoCr高熵合金的成分设计提供了新思路。

为了改变路面工程中混凝土浆体大量富余、骨料沉降分布不均匀的问题,采用抛填骨料工艺将C25流态混凝土转变为正混凝土,研究粗骨料抛填率对正混凝土力学性能、干燥收缩和抗渗性能的影响,并通过调节减水剂掺量改变粗骨料最佳抛填率,最后对正混凝土的界面过渡区和孔结构进行分析。结果表明,抛填骨料工艺可以优化正混凝土中的骨料分布,增大抛填率可使正混凝土内部粗骨料分布均匀,并改善界面过渡区微观结构,减小平均孔径,降低孔隙率。在减水剂原有掺量上增加10个百分点,可使粗骨料的最佳抛填率增大5个百分点;粗骨料抛填率的范围在0%~25%时,正混凝土的强度随着抛填率的增大呈先升高后降低的趋势。

为研究生物酶土壤固化剂与水泥复合固化红砂岩土的性能,探究复合固化红砂岩土用于高速公路底基层的可行性,以及研究生物酶土壤固化剂掺量对固化土力学性能与耐久性能的影响,并结合扫描电子显微镜微观试验分析稳定机理。结果表明:生物酶土壤固化剂的掺入可提高固化土的无侧限抗压强度、劈裂强度、抵抗贯入强度和弹性模量,最佳掺量为2‱;相同应力比下,复合固化土的疲劳寿命相比水泥单一固化土增长不明显,相同应力下,复合固化土的疲劳寿命相比水泥单一固化土显著增加。本研究为复合固化红砂岩土用于高速公路底基层提供参考。

为分析有机-无机复合注浆材料在高温环境中的适用性,本文以水玻璃、甘油和催化剂为A组分,以异氰酸酯、塑化剂、阻燃剂为B组分,制备了双组分硅酸盐改性聚氨酯注浆材料,讨论了环境温度对新型注浆材料力学性能的影响,研究了硅酸盐改性聚氨酯浆液强度的环境温度响应规律;以石英砂岩为注浆基体材料预制裂隙,采用新材料进行注浆加固,结合微观表征分析了浆-岩界面胶结特征。结果表明,受高温环境的影响,硅酸盐改性聚氨酯浆液固结体的强度与弹性模量出现下降趋势,25 ℃下浆液固结体抗压强度、抗拉强度、抗压弹性模量与抗拉弹性模量分别达到48.16、15.47、507.47和520.10 MPa,当环境温度升高至90 ℃时分别降至38.13、9.63、387.57和410.84 MPa,材料对环境温度敏感性较低。环境温度升高打破了双组分之间化学反应的平衡,降低了有机相交联固化程度与固结体密实度,材料强度下降。