稀贵金属合金系相结构与相关系在热力学计算的研究动态

本文介绍了合金中相的类型与作用,及稀贵金属相结构的研究现状与发展趋势,从研究内容和计算方法方面对存在的问题进行了阐述.提出:(1)贵金属合金相结构的电子、原子层次的结构特征以及相结构的稳定性和形成机制与控制因素;(2)稀贵金属合金相的晶格动力学,热力学性能,热学性能,力学性能及其作为增强相对基体材料性能的影响与其电子、原子结构的关联等研究重点领域及采用的解决方法,并对发展前景进行了展望.     

微观纤维增强高分子复合材料研究：增强相的分散问题及其分子结构设计

本文综述了通过分子结构设计改善微观纤维增强高分子复合材料增强相在基体中的分散性，提高复合材料性能的研究概况，并对有待深入探讨的问题作了扼要评述。     

氮化物陶瓷基复合材料烧蚀透波性能研究

采用前驱体转化法制备了2.5维石英纤维增强氮化物陶瓷基复合材料(2.5D SiO/Si3N4-BN), 在高温等离子体射流环境下研究了复合材料的烧蚀和透波性能, 用X射线衍射、扫描电镜对材料的相组成及烧蚀表面形貌进行测量和观察. 结果表明氮化物陶瓷基复合材料的线烧蚀率为0.33 mm/s, 高温透波率最高达98.6%. 烧蚀过程中, 熔融的石英液态层与基体相互保护, 烧蚀表面无石英熔融层堆积, 烧蚀表面平整     

螺旋形炭纤维的固相催化生长机制

采用纳米级超细镍粉为催化剂, 用基体法催化热解乙炔制备出螺旋形炭纤维. 利用扫描电子显微镜对螺旋形炭纤维的形貌进行了观察, 发现大部分是纤维直径为500～600 nm, 螺旋管径为4～5 mm的双螺旋炭纤维及部分特殊形状的螺旋形炭纤维. 提出了螺旋形炭纤维的生长机制为固相催化生长机制, 分析了在固相Ni颗粒的催化作用下, 乙炔热解生成螺旋形炭纤维的过程.     

Ni2MnGa铁磁形状记忆材料

铁磁形状记忆合金 (FSMA)是在一定温度范围马氏体相稳定同时又具铁磁性的一类特殊的形状记忆合金。Ni2MnGa铁磁形状记忆合金近年来成为呈现磁场驱动大应变的新型驱动材料 ,这些应变来自磁场诱发马氏体孪晶的重排 ,而不是磁场对奥氏体至马氏体相变的作用。孪晶变体的重排在宏观上呈现为正或切应变 ,一非化学计量比Ni2 MnGa单晶于室温加 0 .4T磁场能产生6 %的应变 ,Ni Mn Ga单晶在高至 15 0Hz的交变磁场仍可得到 2 .5 %的应变。本文阐述了与这种磁控形状记忆效应相关的孪晶界迁动的磁学和晶体学理论。马氏体相的大磁晶各向异性能使磁化沿c轴方向有利 ,穿过孪晶界c轴刚好转动 90度 ,同时 ,这个孪晶界也构成了约 90度的畴界。在各向异性的情况下 ,孪晶界的迁动仅有相邻孪晶变体的Zeeman能差驱动 ,μ0 ΔMis·Hi。磁场和外应力对应变的影响通过对一简单的自由能表达式取极小值来表示 ,自由能表达式包括Zeeman能、磁晶各向异性能和外应力以及在某些情况下需考虑的内部弹性能 ,模型的所有参数可通过应力 应变曲线和磁化曲线测量得到。铁磁形状记忆合金的磁场诱发应变可类比传统热弹性形状记忆效应 ,与更为人们所熟知的磁致伸缩现象不同。     

Mg和Ag元素对二元Al-Cu合金时效析出的影响

研究了微量Mg和Ag元素对二元Al-Cu合金时效析出的影响. 研究表明, 单独加入Mg或Ag元素没有显著地改变合金的时效析出相, 但影响了析出相的形核速率和生长速率. 然而, 当Mg及Ag元素共存于二元Al-Cu合金时, Mg和Ag元素相互吸引强烈, 在Al基体{111}面形成原子簇. 这种原子簇促进了Cu原子沿基体(111)面的偏聚与非均匀形核, 降低了给基体带来的晶格畸变能, 从而使得Mg原子簇成为Ω相的优先形核区域, 抑制了θ′相的形核.     

埃洛石纳米管增强聚合物复合材料研究进展

埃洛石纳米管(HNTs)是一种天然无机纳米管,和高岭土有相似的化学组成.由于HNTs储量丰富,价格便宜,且具有高模量和大长径比的优势,被科研人员广泛应用于增强和增韧高分子材料的工作中.本文介绍了HNTs的结构特征及表面化学特性,并从提高HNTs在基体中的分散及与基体界面结合的角度,探讨了对HNTs进行表面改性的方法.总结了近十年来HNTs作为增强填料在各种高分子材料中的应用,包括热固性树脂、聚酰胺、聚烯烃和橡胶等.重点关注了所制备复合材料的力学性能,并对聚合物/HNTs复合材料的研究前景进行了展望.     

活性粉末混凝土钢纤维增强增韧的细观机理

活性粉末混凝土(RPC)是一种新型超高强度水泥基复合材料, 掺入钢纤维可改善RPC韧性, 弥补脆性大的不足. 通过8字型RPC200试件的轴向拉伸试验, 应用带扫描电镜的实时加载和CCD技术详细地观测了钢纤维黏结－滑移拔出过程、RPC基体细观结构变化和物理力学特征, 分析了基体钢纤维掺量对单根钢纤维拔出时表面黏结物的形态、初裂荷载、极限荷载、界面黏结强度以及拔出功的影响, 给出了各物理量随基体纤维含量变化关系的统一表达形式. 分析了界面黏结力的构成以及钢纤维对RPC的增强增韧作用. 指出基体纤维对单根纤维黏结性能的影响存在最优掺量ρ_v,opt=1.5%.     

用Auricchio&Sacco本构模型分析形状记忆合金的力学性能

为研究形状记忆合金材料的超弹性特征,用AuricchioSacco本构模型对形状记忆合金材料的力学特性进行数值模拟研究。结果表明,升高温度会引起四个相的变应力增高,并造成屈服平台上升;屈服平台部分相的应变增长率随温度升高而降低,但变化幅度却较小;随应变幅值的增大,形状记忆合金的相变应力线性增大,屈服平台部分相的应变量随之增加,形状记忆合金的耗能能力和等效阻尼比也明显增大。     

合金化元素Nb在铁 γ 相中的占位倾向及对晶界的影响

利用密度泛函理论框架下的离散变分DV和DMol方法, 根据单杂质固溶模型和结构缺陷复合模型, 研究了微合金化元素Nb在铁 γ 相中的作用. 分别计算了合金化元素Nb在晶体内、晶界和表面的杂质形成能, 结果表明: 与在体内占位相比, 晶界更适合Nb元素占据. Nb在晶界和在表面上的杂质形成能之差为 -0.39 eV < 0, 根据Rice-Wang热力学模型可以判定, Nb在铁 γ 相中可增强晶界结合. 原子间相互作用能和电荷密度计算表明, 当Nb原子占据晶界位置时, Nb与周围的相互作用减弱, 距Nb原子较近的跨晶界的基体原子间的相互作用加强, 从而使得晶界迁移变得困难, 在电子层次解释了Nb在铁 γ 相晶界上的拖拽作用     

三维编织复合材料冲击损伤分布的温度和结构效应

三维编织复合材料是通过纤维束编织和基体成型制备得到的复合材料,能以"近净成型"的方式实现材料结构一体化制造复杂外形结构件,减少装配连接数量.该材料已经在航空航天、高速车辆和重要民用设施中得到广泛应用.我们采用高速摄影记录冲击变形过程,用计算机断层扫描(CT)技术和有限元方法表征三维编织碳纤维/环氧树脂复合材料在多次冲击加载下的内部损伤分布与环境温度、细观结构间的关系.研究发现,温度增加,树脂由脆性失效变为韧性失效,界面黏结强度降低,失效模式变为纤维/树脂界面开裂和树脂脱黏;编织角增加,失效模式由界面开裂转变为树脂脱黏开裂和界面开裂同时发生,抗冲击容限提高,吸收能量增加导致局部温升提高;冲击次数增加,冲击损伤的积累导致增强体变形、界面开裂和树脂脱黏有明显的累加效应.     

相平衡热力学方法在超细碳化物高碳合金钢合金设计中的应用

多元合金高碳钢成分设计合适时,钢中存在多类型碳化物(M3C、M23C6、M7C3、M6C和MC)在常规的锻轧加工和退火工艺条件下,碳化物具有超细化特征.根据Cr-W-Mo-V高碳合全钢的碳化物在退火温度下的变化规律,应用Fe-Cr-W-Mo-V-Si-Mn-C系相平衡热力学计算,给出各温度下的钢中相结构、相成分和相变规律;并根据不同奥氏体化温度下的基体成分,推导合适的热处理工艺,并预测淬火硬度和回火硬度;借助在电子、原子层次上计算马氏体基体的原子间平均结合能,推断屈服强度和韧性指标.按照技术指标对机械性能的要求,对合金元素不同含量的钢的全部计算结果进行比较,最终确定钢的合适的化学成分.用上述方法研制了系列多类型超细碳化物中合金高碳钢和高合金高碳钢,实践结果表明,理论设计计算与少量的生产性实验结合可以达到预期的目的.     

多元合金的电子、原子层次理论计算及应用

本文是在电子、原子层次上进行多元合金设计的一个初步探索。利用量子化学从头计算方法或者第一性原理赝势平面波方法，构建了多元合金的原子间相互作用势。研究表明，由原子间相互作用势计算确定合适的基体成分，选择尝试的合金总成分，通过经验公式计算碳化物体积分数，以相平衡热力学计算取得与合适的相结构对应的合金总成分．由试验检验设计的合理性。这样的一种思路是可行的。     

热固性树脂基复合材料的变革性制造方法研究进展

热固性树脂所特有的共价键交联网络结构,使其及其复合材料的降解回收再利用、连接、损伤修复、3D打印等成为世界难题,也对学术界和工业界提出了重大挑战.人们为此付出了巨大的努力,但并未取得预期效果.最近出现的自适应热固性树脂,为解决这些难题提供了新的机会.本课题组针对典型的自适应热固性树脂,构建了跨尺度热压辅助连接界面力学模型及有限元实现方法,研究了小分子介入的酯键交换反应原理,实现了自适应热固性树脂的无压力连接,连接界面的断裂能可达4000 J/m2,实现了自适应热固性树脂的循环3D打印,自适应热固性树脂基复合材料的损伤修复、基体和纤维的近乎100%的回收再利用,实现了工业用环氧树脂基复合材料中碳纤维和玻璃纤维的回收.这些方法有希望成为热固性树脂基复合材料的变革性制造技术.本文拟综述这方面的最新研究进展,并指出存在的问题和挑战,提出理论研究、材料设计、工业应用等未来发展方向.     

基于椭圆的形状描述与检索方法

研究了基于椭圆逼近形状轮廓的图像检索方法. 对形状进行了规范化研究, 保证了形状的检索与形状的位置、方位和大小无关. 研究发现任何封闭的形状都可以用一组椭圆来描述, 并且用这些椭圆可以惟一地重构原形状轮廓. 提出了用椭圆参数描述形状和检索相似形状的新方法. 根据不同椭圆对形状轮廓贡献的不同, 将形状分为高频椭圆和低频椭圆, 低频椭圆描述了形状的宏观特征, 高频椭圆描述了形状的细节特征, 提出了二阶段的形状检索方法. 实验结果表明, 该方法有较好的查询效果.     

应用超临界流体技术制备聚苯胺/聚氨酯导电复合材料

采用超临界流体技术和原位聚合法合成了聚苯胺-聚氨酯导电复合材料.本法由超临界流体插嵌技术向聚氨酯基体树脂中引入苯胺单体和后期的氧化掺杂技术组成,扫描电镜、电导率测定和热重TGA实验都显示了导电复合物的合成,并且在低压条件下制备得到的产品具有更高的电导性能.总体上复合材料的电导率在10-4～10-3S/cm范围.     

疲劳载荷下C/C复合材料的基体皱褶现象研究

采用专门设计的非常规交替式疲劳试验, 对碳纤维三维整体编织C/C复合材料在拉-拉循环载荷作用下的力学行为进行了探索性研究. 试验中发现, 在C/C复合材料内部热解碳沉积层的某些微区域形成了丝绸状“皱褶”. 进一步对试验过程进行了热力学理论分析, 阐明了产生皱褶现象的原因主要是疲劳振动过程导致热解碳沉积微层之间发生微摩擦, 并进而形成高温微区所致.     

Al_2O_3/TiAl基复合材料在空气中的高温氧化行为

研究了热压烧结的Al2O3/TiAl基复合材料在900℃静止空气中的断续氧化行为.结果表明,随着Nb2O5掺量的增加,氧化增重减小,氧化抗力明显改善,其初始氧化动力学符合线性规律,断续氧化动力学服从抛物线规律.Nb2O5掺量大的材料,因氧化产物中含有TiAl和Ti2AlN相,显示其良好的抗高温氧化性.在900℃温度断续氧化120h后,氧化膜主要由TiO2外表层、Al2O3次表层以及TiO2和Al2O3的混合内层构成,由外向内为富Al向富Ti的氧化物混合层过渡.靠近基体TiO2和Al2O3混合内层为多孔疏松状结构,孔洞是由于形成Ti的氧化物后生成的.整个氧化层厚约20μm.氧化膜表面均未形成均一的Al2O3保护膜,但形成的内层Al2O3膜与外层TiO2膜粘附性高,没有发生氧化膜脱落现象.原位自生的Al2O3微细颗粒,高温下促使其本身成核与生长,使得热力学形成其膜所需的最低Al含量降低;同时,增加了Ti离子由M/MO界面向O/MO界面扩散的势垒,从而降低了TiO2的生成率,提高了抗氧化性能;另外,形成从外向内由富Al向富Ti氧化物混合层过渡的复层结构,降低了O2?的内扩散,改善了复合材料的抗氧化性能.     

全氢聚硅氮烷浸渍裂解法制备高性能3D SiO2/Si3N4复合材料

以低黏度、润湿性好、陶瓷产率高的全氢聚硅氮烷为陶瓷先驱体, 通过多次浸渍-固化-裂解工艺制备了高性能三维石英织物增强氮化硅复合材料. 随着裂解温度的提高(从T₁, T₂到TT₃), 复合材料密度逐渐增加, 而弯曲强度先增后减. 在裂解温度T₂时, 先驱体具有较好的陶瓷化程度, 所制备的复合材料弯曲强度高达144.9 MPa, 且介电性能优良. 这些高性能源于较小的石英纤维损伤, 良好的纤维/基体界面微结构和高纯度致密氮化硅基体.     

金属纳米晶的相稳定性

根据热力学平衡条件, 建立了金属纳米晶的相平衡方程. 应用Fetch和Wagner的界面膨胀模型以及Smith和其合作者建立的普适状态方程, 对纳米晶界面的热力学量进行计算, 由此获得金属高温相可在较低的温度下存在的临界尺寸. 通过对元素Co的β相(fcc结构)和α相(hcp结构)纳米晶Gibbs自由能的计算表明, β相可在室温存在的临界尺寸和纳米晶界面处的过剩体积(ΔV)有关. 当ΔV 取10%时, β相应在35 nm以下稳定存在. 与Katakimi的实验较为符合. 对影响βCo稳定性的因素也作了讨论.