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西安交通大学在冷烧结技术的研究中取得新进展

西安交通大学在冷烧结技术的研究中取得新进展

成果简介

界面结构的调控为提高材料的物理和化学性质提供了一条有效的途径。然而,有机物和无机物在高温下不相容,很难通过传统烧结技术进行有机-无机混合界面设计形成陶瓷基复合材料。近日,西安交通大学材料科学与工程学院汪宏教授、郭靖副教授带领研究团队提出了一种策略,通过冷烧结技术将聚醚醚酮(PEEK)与几种纳米金属氧化物集成到氧化锌陶瓷基体形成复合压敏电阻。纳米尺度的混合添加剂分散在高密度的氧化锌晶粒结构之间,形成肖特基势垒,显著提高了复合材料的电学性能,在0.1mA mm2的击穿电场超过了13kV mm1。此外,该复合材料表现出类似于功率开关器件的“类开关效应”,具有极高的非线性系数,最高可达375。研究显示,随着有机材料PEEK含量的增加,复合材料的弹性模量呈现减小的趋势,从而提高了复合材料的柔性。

鉴于聚合物和金属氧化物掺杂剂可选择的多样性,这项工作提供了一种独特的高击穿电场、高非线性系数的陶瓷基复合材料设计方法。相关成果以“Cold sintered composites consisting of PEEK and metal oxides with improved electrical properties via the hybrid interfaces”为题发表在国际复合材料领域著名期刊《Composites Part B:Engineering》(IF: 9.078)。该论文第一作者为博士研究生司明明,通讯作者为郭靖副教授/特聘研究员,西安交通大学材料科学与工程学院&材料强度国家重点实验室为论文第一作者和通讯作者单位。此外,本研究得到了美国宾夕法尼亚州立大学Clive A. Randall教授和重庆大学赵学童副教授的合作帮助。该研究得到了国家自然科学基金、西安交通大学青年拔尖人才计划等项目的支持。

该项研究的其他相关工作已发表在国际著名期刊《Aata Materialia》(IF: 8.203)。Mingming Si, Jianyu Hao, Enda Zhao, Xuetong Zhao, Jing Guo*, Hong Wang, Clive A. Randall. Preparation of Zinc Oxide/Poly-ether-ether-ketone (PEEK) Composites via the Cold Sintering Process. Aata Materialia. 2021(215), 117036.

图文介绍

图1. PEEK和金属氧化物添加剂制备氧化锌基复合材料冷烧结工艺示意图。

图2. 直流电学性能。a,现有文献压敏电阻和本项工作中冷烧结样品的性能对比。b,纯氧化锌、Z0P0.25、Z3P1、Z3P3、Z6P0.5的E-J曲线。c,不同样品的非线性系数和击穿电场Eb@0.1mA mm2。d,样品Z3P1在不同区域的E-J曲线与电击穿试验(Time-E曲线)的比较。e,45-125°C的E1/2-lnJ曲线和激活能。

图3. 交流电学性能及有限元分析。a-b,100 Hz-10 MHz频率范围内的相对介电常数(a)和损耗(b)。c,冷烧结复合材料在室温下的阻抗谱。d,样品Z6P0.5变温阻抗谱。e,Arrhenius激活能拟合曲线。f,热-电耦合有限元模型、有限元计算的晶界处空间电流密度变化曲线以及25°C和100°C处的空间电流密度云图。

图4. 冷烧结Z6P0.5样品的高分辨率TEM和EDS图像。

论文信息

Mingming Si, Jing Guo*, Jianyu Hao, Xuetong Zhao, Clive A. Randall, Hong Wang, Cold sintered composites consisting of PEEK and metal oxides with improved electrical properties via the hybrid interfaces, Composites Part B: Engineering, 226 [1] 109349, 2021.

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