Thin-film Li-LiMn2O4 batteries

Thin-film rechargeable Li-LiMn₂O₄ batteries have been fabricated and characterized. Following deposition by electron beam evaporation of LiMn₂O₄, the amorphous as-deposited cathode films 1 cm² in area by 0.3to 4-μm thick were annealed at 700°C to 800°C in oxygen in order to form the crystalline spinet phase. The specific capacity of the cells between 4.5 V to 3.8 V ranged from 50 μAh/mg to 120 μAh/mg. When cycled over this range, the batteries exhibited excellent secondary performance with capacity losses as low as 0.001% per cycle. On charging to 5.3 V, a plateau with a median voltage of 5.1 V was observed. The total charge extracted between 3.8 V to 5.3 V corresponded to about 1 Li/Mn₂ O₄     

钛基稀土激光熔覆层组织细化机制及性能

采用通快TruDisk 4002光纤激光器在TC4合金表面分别制备了0wt% Y₂O₃和3wt% Y₂O₃的TC4+Ni45+Co-WC钛基耐磨复合涂层。利用XRD、SEM、EDS、EPMA、显微硬度计和摩擦磨损试验机等分析了涂层组织、显微硬度和摩擦学性能。结果表明，两种涂层表面均无裂纹孔隙等缺陷，且生成相一致，主要包括TiC、TiB₂、Ti₂Ni、WC和α-Ti；0wt% Y₂O₃涂层组织存在明显偏析，析出相尺寸粗大且方向性明显；3wt% Y₂O₃涂层组织呈均匀弥散状态分布，细化特征明显；经Bramfitt二维点阵错配度计算，（100）_Y2O3和（100）_Ti2Ni、（111）_Y2O3和（110）_TiC、（110）_Y2O3和（1010）_TiB2间的错配度分别为5.75%、6.72%和10.10%，Y₂O₃作为异质形核核心对Ti₂Ni、TiC和TiB₂的细化能力依次为Ti₂Ni > TiC > TiB₂；0wt% Y₂O₃和3wt% Y₂O₃涂层显微硬度分别为600~630 HV_0.5和470~480 HV_0.5，较基材分别提高了约62%和26%；3wt% Y₂O₃涂层耐磨减摩性最优，其磨损体积和摩擦系数较0wt% Y₂O₃涂层分别下降了约47.8%和5.0%，磨损机制主要为磨粒磨损。     

TiC-TiB2复合相钛基稀土激光熔覆层组织与性能

采用通快同轴送粉4002光纤激光器,在TC4表面熔覆制备了不同含量Y₂O₃的TC4+Ni45+Co-WC+Y₂O₃钛基复合耐磨涂层。采用XRD、SEM、EDS、EPMA测试研究了涂层微观组织,利用显微硬度计、摩擦磨损实验机和白光轮廓仪分析评价了涂层的显微硬度和摩擦学性能。结果表明,涂层生成相不随Y₂O₃含量变化而改变,主要包括Ti₂Ni、TiC、TiB₂以及α-Ti;未添加Y₂O₃涂层,生成相尺寸粗大,方向性明显;随着Y₂O₃的加入,涂层组织逐步细化,生成相方向性减弱;当Y₂O₃为3wt%时,涂层析出相以颗粒和短棒状相为主,合成了大量TiC-TiB₂依附生长复合相,经二维点阵错配度计算,TiB₂（0001）与TiC （111）错配度δ为0.912%,TiC与TiB₂形成了共格界面,可有效增加涂层组织分布均匀性;Y₂O₃含量为0wt%、1wt%和3wt%时,涂层显微硬度逐渐减小,磨损体积先增大后减小,摩擦系数逐渐降低;在TiC-TiB₂复合相的作用下,3wt% Y₂O₃涂层的耐磨、减摩性最优,涂层磨损机理为磨粒磨损。     

航天飞行器轻质纳米材料高温隔热性能

纳米隔热材料是一种新型航天飞行器热防护材料。本文使用自行研制的高速飞行器热试验系统,对Al₂O₃纳米材料的高温隔热性能进行试验研究及数值计算,为高速航天器热防护系统的安全可靠性设计提供重要依据。研究结果表明,厚度仅为10 mm的Al₂O₃纳米材料板,当前表面温度为1 200℃时（1 800 s）,前后表面的温度差高达880.9℃,后表面温度降低了73.4%,且隔热性能稳定。另外与某空天飞行器轻质陶瓷材料进行了隔热性能的对比试验,结果显示轻质陶瓷材料板的背壁温度要比Al₂O₃纳米材料板高56%。说明Al₂O₃纳米材料的高温隔热性能非常优异,在航天器和高超声速飞行器热防护中具有重要的应用价值。由扫描电镜（SEM）图像知,当温度超过1 200℃后,Al₂O₃纳米材料颗粒快速聚集生长,颗粒间的空洞尺寸显著增大,材料内部纤维出现熔融现象,裂纹数量增多、深度及宽度显著增大,影响材料表观导热率。另外,当温度高于1 200℃时,纳米材料板边界出现了较大的收缩变形和弯曲变形。基于试验结果可知,Al₂O₃纳米隔热材料应该在小于1 200℃的热环境中使用。     

Sm2Zr2O7基热障涂层材料研究现状

由于航空发动机不断向高效率、高推重比方向发展,发动机热端部件表面热障涂层的服役条件也越来越苛刻。稀土锆酸盐作为新型热障涂层材料,其开发和应用受到越来越多国内外学者的关注。Sm₂Zr₂O₇材料在一系列稀土锆酸盐中具有烧绿石结构稳定、低热导率和高热膨胀系数等优点,具有良好的应用前景。为满足热障涂层更高的服役要求,Sm₂Zr₂O₇的掺杂改性及性能研究也成为了研究热点。首先,对热障涂层材料进行了简要概述,然后就Sm₂Zr₂O₇基陶瓷材料及其涂层的晶体结构、热物理性能、力学性能以及抗腐蚀性能等的研究进展进行了详细的介绍,为该材料在热障涂层领域的研究及应用提供参考。     

Gd2SiO5纳米粉体的并流化学共沉淀法合成

以Gd₂O₃和正硅酸乙酯(TEOS)为原材料,采用并流化学共沉淀法合成Gd₂SiO₅粉体材料。研究Gd₂SiO₅前驱体的热响应特征、Gd₂SiO₅粉体的物相组成和微观形貌,并对Gd₂SiO₅粉体的合成机理进行初步探讨。结果表明:前驱体的低Gd/Si摩尔比和反应体系的高pH值会导致Gd₂SiO₅粉体生成Gd_9.33(SiO₄)₆O₂杂质相,相反则会导致生成Gd2O3杂质相。当Gd/Si摩尔比为20∶11、pH值为9~10、合成温度为1000~1300℃时,合成的粉体纯度较高,Gd₂SiO₅颗粒呈不规则形貌特征,平均粒度为100~200 nm。Gd₂SiO₅合成过程中,前驱体以一种—[Si—O—Gd]—网络结构存在,在煅烧过程中逐渐转化为Gd₂SiO₅晶体以及Gd_9.33(SiO₄)₆O₂和Gd₂O₃杂相。     

TMO复合催化剂对AP推进剂燃速催化作用研究

系统地考察了4种TMO催化剂(CuO、Fe₂O₃、Co₂O₃和Cr₂O₃)及其等质量比(1∶1)的6种TMO复合催化剂对AP/HTPB和AP/Al/HTPB两类复合固体推进剂燃烧性能的影响。实验结果表明, TMO复合催化剂对推进剂燃速的影响可分为正协同效应、无协同效应和负协同效应3类;具有正协同效应的TMO复合催化剂提高燃速效果最佳, TMO复合催化剂对AP复合推进剂燃速的影响取决于推进剂的种类, 协同效应的类属和单一TMO催化剂的催化活性。      

阳极氧化对TiAl合金高温氧化行为和力学性能的影响

采用电化学阳极氧化技术在含NH4F的乙二醇电解液中对TiAl合金进行阳极氧化处理。研究阳极氧化对TiAl合金高温氧化行为和力学性能的影响。结果表明:由于“卤素效应”,阳极氧化处理的TiAl合金经高温氧化后表面形成致密、连续的Al₂O₃氧化膜,有效阻止了氧的内扩散,进而显著提高合金的抗高温氧化性能。经1000℃氧化100 h后,阳极氧化试样增重由未经阳极氧化处理试样的85.86 mg/cm²降至0.67 mg/cm²。另一方面,阳极氧化TiAl合金表面硬度和弹性模量随高温氧化时间延长呈先降低后升高的趋势。阳极氧化TiAl合金在高温服役后,合金的摩擦系数较未经阳极氧化处理试样上升,但表面耐磨性先降低后升高。这是由于TiAl合金经阳极氧化后,表面形成了一层富铝含氟氧化膜,由于氧化膜中F元素在高温氧化过程中与Ti、Al结合形成卤化物,卤化物蒸气选择性扩散在原始氧化膜处形成致密的Al₂O₃保护膜。阳极氧化对TiAl合金力学性能的影响主要是由于氧化膜中Al₂O₃的含量变化所致。     

固体火箭发动机Al_2O_3凝结及颗粒破碎的数值模拟

Al2O3凝结对固体火箭发动机Al颗粒的燃烧效率及燃气流动有很大影响。结合拉格朗日方法,建立Al2O3凝结模型,分析了在Al2O3烟雾凝结及颗粒自身破碎作用下,不同初始直径Al颗粒的燃烧效率及燃烧室流场的变化规律。计算结果与同条件下的测试数据有较好的吻合,颗粒分布符合相关实验现象。结果表明,小颗粒燃烧后,流场温度及Al2O3烟雾分布均匀;随颗粒初始直径的增加,径向出现明显分层现象;在发动机出口,小颗粒燃烧效率较高,颗粒中Al2O3质量分数较大,但破碎程度较小;随初始直径增加,颗粒燃烧效率逐渐降低,颗粒中仍含有大量未燃烧的Al,破碎程度提高,颗粒数目急剧增加。     

CrON扩散阻挡层对NbCrAl涂层与Nb基高温合金元素互扩散的影响

利用磁控溅射技术在C103型Nb基高温合金上制备了含和不含CrON扩散阻挡层的NbCrAl涂层,对比研究了2种涂层分别经900℃和1000℃真空热处理后的元素扩散行为。结果表明:NbCrAl涂层以Cr₂Nb和AlNb₂相为主,含非晶态组织;真空热处理后生成了NbAl₃和(Nb,Cr)沉淀相。热处理温度由900℃升至1000℃时,NbCrAl涂层中元素扩散速度加快。不含扩散阻挡层样品中Cr和Al元素扩散至基体的含量分别为2.76wt%和1.21wt%,而含扩散阻挡层样品中Cr和Al元素扩散到基体的含量分别仅为2.52wt%和0.84wt%。扩散阻挡层保持连续,且与涂层及基体的界面结合良好,经高温处理后主要以密排六方结构的Cr₂O₃和Al₂O₃相为主,有效地抑制了元素互扩散。     

DSM11镍基高温合金表面三种涂层高温性能

DSM11镍基高温合金表面制备Al-Si、Al和Co-Al三种涂层,研究三种涂层在900℃下的涂盐（质量分数为5% NaCl+95% Na₂SO₄）热腐蚀性能和800℃下的疲劳性能。实验结果表明:在900℃热腐蚀200h后,Al-Si涂层和Co-Al涂层表面腐蚀区均形成了以Al₂O₃为主的连续且致密的氧化层,抑制热腐蚀反应的进行,具有一定的抗热腐蚀性能;Al涂层表面腐蚀区形成了混合型氧化层,热腐蚀反应会持续进行,抗热腐蚀性能较差。在800℃的疲劳实验后,Al-Si涂层表面生成大量的微裂纹,涂层容易发生开裂,进而引起合金试样快速断裂;Co-Al涂层和Al涂层的合金试样表现较好的抗高温疲劳性能。在高温合金的防护涂层使用中,要充分考虑到涂层的服役环境,对相关性能进行综合评价,选出最适合的防护涂层。      

热障涂层NiAl黏结层掺杂改性研究现状

目前,航空发动机和燃气轮机的使用温度均已超过1000℃,传统黏结层材料MCrAlY的性能逐渐无法满足需求.NiAl具有熔点高、密度低、成本低和抗氧化性能优异等特点,因此有很大的应用潜力.然而NiAl高温强度低,氧化层附着性较差,需要对其掺杂改性以提高NiAl的高温性能,主要包括掺杂铂族元素(Pt、Ru、Pd等)和活性元...     

半潜入喷管收敛段碳/酚醛材料烧蚀特性

采用流固热耦合数值方法,以及Abaqus的ALE（arbitrary Lagrangian-Eulerian,任意拉格朗日欧拉方法）自适应网格技术,对位于半潜入喷管收敛段的碳/酚醛的烧蚀现象进行了预估,与试验结果进行了对比分析。结果表明:在收敛段,Al/Al₂O₃液滴或颗粒对材料的传热烧蚀起到了关键作用,当气流与材料表面平行时,液滴或颗粒的影响很小;从碳/酚醛热分解角度出发,基于完全碳化即被剥蚀的假设,基本能够预估碳/酚醛材料的烧蚀特征,烧蚀速率大约为0.3 mm/s;后效碳化对材料碳化过程的影响明显,发动机工作期间,分解层的厚度大约为2.0 mm,考虑后效作用,分解层厚度可能会增加至4.0 mm左右;与喉衬接触的材料区域,喉衬的传热会明显加剧材料的碳化过程。      

热障涂层的激光表面改性参数优化和结构设计

热障涂层是航空发动机涡轮叶片关键核心技术之一,但在服役条件下常受环境沉积物、熔盐等的腐蚀而过早失效。激光表面改性是一种提高涂层抗腐蚀性能的有效办法,但改性涂层的激光工艺优化和结构设计亟待研究。本文采用脉冲Nd：YAG激光系统对Y₂O₃部分稳定ZrO₂（YSZ）热障涂层进行表面改性,研究了激光功率、扫描速度以及光束长度对改性层厚度、微观结构的影响。结果表明,激光改性层呈致密的柱状晶结构,并有纵向裂纹贯穿其中。改性层的厚度与激光功率成正比,受扫描速度影响不大,与光束长度成反比。激光功率过高,则改性层裂纹增加明显;光束长度过大,则改性层与下方涂层的界面缺陷增多,不利于界面结合。优化的激光改性参数为：激光的功率为75~80 W,扫描速度8 mm/s,光束长度为160 mm。设计了双层激光改性层,每层中的纵向裂纹不连续,使得整个改性层中无贯穿的纵向裂纹,有助于抑制高温腐蚀熔体的内渗。     

Lightweight (AlGaAs)GaAs/CuInSe2 tandem junction solarcells for space applications

Mechanically stacked tandem cells consisting of GaAs thin-film upper cells and CuInSe₂ thin-film lower cells have been developed to meet the increasing power needs projected for future spacecraft. The authors report the fabrication of the first highly efficient lightweight GaAs/CuInSe₂ tandem cell on a 2-mil thick substrate, update recent performance improvements in thin-film GaAs/CuInSe₂ tandem cells, and discuss their application to space power systems. The efficiency of 4-cm² cells has improved to 21.6% AM0, the highest ever reported for a thin-film photovoltaic cell. Lightweight 4-cm² tandem cells have been successfully fabricated with efficiencies as high as 20.8%. These cells weighed about 180 mg without optimized substrate trimming. Radiation and operating temperature effects on GaAs/CuInSe₂ tandem cells are also discussed, and an interconnect scheme to form a voltage-matched string is described     

Evaluation of nickel-hydrogen battery cells for space-based radar

A study conducted in 1991 on nickel-hydrogen (NiH₂) battery cells, to assess their use for space-based radar satellites, is discussed. Current NiH₂ and related programs were investigated. Cell performance data were assessed, focusing on pulsed-load operation, cell design factors, and life expectancy. A need for pulsed-load testing of candidate cells, especially to characterize their effective series resistance, dynamic impedance, and possible degradations, was identified. A NiH₂ cell test program was planned, and test preparations started in mid-1992     

JF-12激波风洞在火星进入环境下的运行特性

火星探测是目前国际深空探测的热点,而火星着陆是火星探测的关键技术之一,火星着陆器发展中面临的一个严峻的挑战是其气动环境远远不同于地球大气的空气。然而,现阶段大多数地面试验设备都是以空气为试验气体来设计的,而不是火星大气的CO₂。本文利用高温热化学反应流动数值计算技术,对JF-12反向爆轰驱动激波风洞在火星进入环境下（主要气体成分是CO₂）的运行特性进行了计算模拟,通过调整激波管中驱动/被驱动气体的初始参数和高/低压段的截面积比,来模拟其中的波系产生、传播过程以及反射激波与接触面的相互作用机制。研究发现,相同情况下驱动CO₂的缝合激波马赫数要明显高于空气,通过减小驱动气体的声速和低压段的直径,可以在驱动CO₂时获得驻室压力稳定的试验气体。     

Advanced lithium ion solid polymer electrolyte battery development

Lockheed Martin Missiles & Space (LMMS), Ultralife Batteries, Inc. (UBI), Eagle Picher Technologies, LLC (EPT), Sandia National Laboratories (SNL) and Rentech, Inc. (RTI) are developing lithium ion solid polymer electrolyte (Li-ion SPE) batteries. Under a new Advanced Technology Program (ATP), this team will develop new high-energy density cells and batteries for space and portable electronics applications. These new batteries will utilize new high-energy density anode and cathode active materials developed by SNL and RTI. UBI will incorporate these new materials into an optimized Li-ion SPE electrode laminate. EPT will develop batteries for aerospace applications based on this electrode laminate technology while LMMS will design the battery charge management controller and provide system expertise     

高超声速飞行器脆性透波材料大热流冲击下断裂性能试验

高超声速飞行器在俯冲段、高机动变轨或瞬间外露定位探测设备时,快速变化的高热流密度气动热会对天线窗、天线罩等部件产生强烈的热冲击。判断脆性材料透波部件在大热流密度冲击下是否出现断裂破坏及确定断裂时间点,对于高超声速飞行器能否最终锁定并击中目标具有极为重要的意义。本文建立石英灯红外辐射式大热流冲击试验系统,最大冲击热流密度可达1.5 MW/m²,并对SiO₂和Al₂O₃2种脆性材料进行了高速热冲击试验。热流冲击模拟准确,控制结果与预设热流的相对误差小于1.0%。同时,采用数字图像相关方法实时采集热冲击过程中脆性材料表面散斑图像的动态变化,成功捕捉并获得了断裂时间点这一重要关键参数。通过对散斑图像的分析计算,得到了脆性试验件断裂前的表面应变的变化。试验结果为高超声速飞行器透波天线窗等信号探测定位部件在高速大热流热冲击下的安全可靠性设计提供了重要依据。     

Lithium micro-battery development at the Jet Propulsion Laboratory

Recent successes in the effort to miniaturize spacecraft components using MEMS technology, integrated passive components, and low power electronics have driven the need for very low power, low profile, low mass micro-power sources for micro/nanospacecraft applications. Recent work at JPL has focused upon developing thin film/micro-batteries compatible with temperature sensitive substrates. A process to prepare crystalline LiCoO₂ films with RF sputtering and moderate (<700°C) annealing temperature has been developed. Thin film batteries with cathode films prepared with this process have specific capacities approaching the practical limit for LiCoO₂, with acceptable rate capabilities and discharge voltage profiles. Solid-state micro-scale batteries have also been fabricated with feature sizes on the order of 50 microns