《界面电子结构与界面性能》

作者:刘志林,李志林,刘伟东出版日期:2002年1月出版社:科学出版社定价:35.00元 本书阐述了合金中异相界面电子结构的计算方法,定义了表征合金相及相界面性质的电子结构参数——相结构因子和界面结合因子,讨论了相结构因子、界面结合因子与力学性能及相变增韧、弥散强化、加工硬化、表面改性。析出强化、相变与再结晶的关系,最后阐述了利用相结构因子、界面结合因子进行合金设计的方法. 本书可作为从事合金研究及设计的科技人员及材料。物理等相关专业的研究生和高校教师的参考书.《界面电子结构与界面性能》     

ε-FexN/BN磁性纳米复合材料的制备及热力学和动力学分析

磁性纳米复合材料一般是由非磁性绝缘体和分散在它内部的磁性纳米颗粒(10～100nm)组成的。纳米颗粒的小尺寸效应和与基体的高浓度界面以及基体的绝缘性,使得磁性纳米复合材料表现出许多优异的物理和化学性能,在高密度信息存储、磁致冷等领域有着重要的应用价值。由于Fe-N合金在耐磨、抗氧化和抗腐蚀等方面优于纯铁,且具有较高的平均原子磁矩(如Fe_4N为2.21μ_B,Fe_3N为2.01μ_B),尤其是近2年发现α″-Fe_(16)N_2的巨磁性现象(平均原子磁矩达3.2～2.8μ_B),使得Fe-N合金及其复合材料的研究工作引起了广大材料学家和物理学家的高度重视和极大的兴趣。最近几年,人们通常以N_2,NH_3和NH_3/H_2气体为氮源,利用气相沉积、磁溅射并结合热处理的方法,制备各种结构的Fe-N合金薄膜和Fe-N合金纳米复合材料膜。然而,利用其他技术和材料制备Fe-N合金及其复合材料尚无报道。在本实验中,我们将采用一种新的实验方法,即以六方氮化硼(hBN)为氮源,利用高能球磨技术制备Fe-N/BN磁性纳米复合材料。在此方法中,Fe-N合金在Fe与hBN的球磨过程中原位生成,并均匀分布在绝缘BN基体上与BN基结合牢固且界面清洁。晶粒尺寸和相成分可通过球磨参量控制,经热烧结可制成块状材料,具有实用价值。     

合金异相界面电子密度的计算

材料的表面与界面历来为人们所重视.利用原子间势能函数由最低能量去模拟晶界原子结构并考虑弛豫等因素的计算机模拟正陆续有文章发表.其中王崇愚院士成功地描述了缺陷复合体的原子结构及电子状态,在晶界偏析导致的脆化方面除S,P外又发现了Se等一些组元.程开甲院士在改进的TFD理论中提出了“固体中原子间的边界条件”.在这些工作的     

直流电对Sn-Pb/Cu润湿性的影响

在铸造法制金属基复合材料过程中,金属基体与增强相间相互润湿是一个非常重要的条件解决金属液/增强相间润湿性问题的途径主要有物理方法和化学方法两种,施加电流是一种物理方法,与化学涂层、添加合金元素等化学方法相比,它不会给金属液带来成分的变化,或在界面上产生严重的化学反应,使得界面的强度受到破坏;该法与其他物理方法如压力浸渗。搅拌铸造、超声振动相比,将避免气体或氧化膜的混入,而且所需设备简易.然而,电流对金属液/固相润湿的作用很少有报道.在金属基复合材料大家族中,金属基体多采用共晶系合金,如Al-Si,Al-Mg,Fe-C系等;增强相常用石墨、钨丝、碳纤维等导体材料.故本文选择典型二元共晶系Sn-Pb合金作为金属液,导体纯铜作为固相衬板,用座滴法来研究电流对液固两相润湿过程的影响,本文用Gouy-Chapman和Stern双电层理论来分析相关现象.     

Sc和Ti对纯铝细化机理的价电子结构分析

传统的相图理论和晶体界面共格理论无法从本质上解释Sc和Ti对纯铝及铝合金的细化作用差别的机理. 运用固体与分子经验电子理论(EET)研究了Al-Ti, Al-Sc两种合金的价电子结构, 通过计算共价键电子对数、界面电子密度差, 指出两种合金形核质点的晶体共价电子对数目多少、第二相颗粒与基体界面电子密度差的不同等因素, 是造成Sc, Ti对纯铝细化作用差别的本质原因.     

颗粒增强材料热应力分析的空间周期函数法

陶瓷增强金属基复合材料、复相陶瓷等材料自制备温度冷却下来时,不可避免地要产生热应力.这种热应力对材料的力学性能有着重要的影响,因此,陶瓷增强金属基复合材料和复相陶瓷中热应力问题的研究已引起这一领域科学工作者的普遍重视.迄今有关的研究工作主要是以增强相(颗粒等)嵌入到空心基质模型为基础的,这种模型对于从整体上认识复合材料的热应力分布和增强体间相互作用等显得有些不足.本文建立了一个弹性模量和热膨     

含CuZr相Zr_(49)Cu_(44)Al_7块体非晶合金复合材料高压下的稳定结构

制备了含CuZr纳米相的三元Zr49Cu44Al7块体非晶合金复合材料,该材料具有1.6%的弹性变形和1.78GPa的抗压强度,利用角散射同步辐射研究了该三元块体非晶合金复合材料高压下的结构变化.结果表明,室温下非晶合金基体直至40.8GPa仍保持稳定的非晶结构,没有压力诱发CuZr纳米相的消失或长大.根据Bridgman状态方程获得了该复合材料体弹模量B0为115.2GPa.     

碳纳米管/碳纤维跨尺度界面增强体系构建的研究进展

伴随着国防工业、先进装备制造等领域的不断发展,人们对复合材料的应用要求不断提高.碳纤维增强复合材料因其具备高强度、轻量化、长寿命的特点,与该领域材料的使用要求产生了高度适配.但在实际应用过程中,碳纤维惰性表面与聚合物基体间的弱界面结合严重影响了复合材料优异性能的充分发挥.构建微尺度、多维度碳纳米管/碳纤维界面增强体系被认为是提高相间结合能力的有效技术手段.本文综述了化学气相沉积、电泳沉积、化学接枝、浸涂喷涂4种较为成功的构建路线,讨论了碳纳米管在碳纤维表面的差异化微观沉积形貌所对应的不同界面增强机理,探讨了界面增强体系对复合材料综合性能的影响,并对该体系未来的构建和研究方向进行了展望.     

静高压对Al/Fe-Mo-Si-B纳米合金多层复合材料的影响

工作已取得较大的进展.将这种薄带纳米合金与具有较好韧性的金属粘接,制成金属/纳米合金多层复合材料,既具有较好的力学性能,又不破坏纳米合金的结构和性能,因而有利于纳米合金材料的实际应用.研究静高压在多层复合材料的制备过程中对纳米晶体的形成、性能、金属/纳米合金界面相的形成及扩散反应速率的影响,在理论研究上和实际应用上都具有重要的意义.     

CNT-C_f/SiC多级增强复合材料微区力学性能

利用催化化学气相沉积工艺在炭纤维(Cf)表面原位生长碳纳米管(CNT),经聚合物浸渍-热解(PIP)致密化后制备了CNT强化的Cf/Si C复合材料.结合微米压痕和纳米压痕测试方法在微米、纳米尺度研究了CNT强化的Cf/SiC复合材料界面、微区基体以及纤维-CNT-基体组元区域的力学响应机制.结果表明,CNT生长点具有较高的结合强度,界面脱黏出现在纤维/热解碳界面处,原位生长的CNT显著强化了纤维-基体界面结合强度.PIP工艺对CNT造成损伤,致使CNT强化的微区基体的模量和硬度下降,而CNT的拔出、裂纹桥连等行为阻碍了微区基体的裂纹扩展,进而提高了微区基体的破坏容忍度.理论计算结果显示,由CNT带来的韧性贡献约为310.8 J/m2.界面强化效应和微区基体裂纹扩展阻碍效应使纤维-CNT-基体组元的抗损伤能力得到了提高.利用微纳米测试连用手段可深入了解多级增强复合材料的纳米效应.此外,理论计算表明,CNT/基体的界面修饰及对CNT的有效保护会进一步提高CNT对微区基体的韧化效果.     

氧化物的非化学计量性和催化作用

非化学计量化合物是针对组分成定比的化学计量化合物而言的。晶体化合物发生化学计量偏离是由于晶体内存在着原子或电子缺陷的关系。这对化合物的电、磁、光等性质发生影响是不言而喻的。不过更重要的还是因此在固体表面和相、粒界面上产生与体相不同的化学组成。近年来,正在研究和开发的一系列高技术材料,诸如压敏电阻(Varistor),正温度系数热敏电阻(PTCR Thermistor)、超导材料、光敏传感器件等,就是利用相界面和晶面上由这一效     

纳米晶体材料的有效弹性模量与界面效应

纳米晶体材料的很多性质与界面效应有关，从材料的微观结构特点出发，研究界面对材料的有效弹性性质的影响，首先，将纳米晶体材料看作一种两相复合材料，基体是具有不规则原子结构的界面相，夹杂是具有理想晶格的晶粒相，用Mori-Tanaka方法给出了有效模量的表达式，进而用应变梯度弹性理论，通过对纳米晶体材料的代表性胞元的分析，考察了应变梯度对材料变形行为的影响，分析了界面效应影响材料性质的两种微观物理机制，其一是界面相不规则原子结构的软化效应，其二是界面附近边界层存在引起的硬化效应。     

单层WS2(1-x)Se2x中的有序相和无序相

调节组分和结构是调节二维材料的电子性质的重要手段.以WS_(2(1–x))Se_(2x)为例,通过理论计算研究了阴离子替代形成的过渡金属硫化物半导体合金.通过第一性原理计算结合特殊准随机结构(SQS)模型和团簇展开结构搜索(CE)法,探索了单层半导体合金WS_(2(1–x))Se_(2x)的有序相和无序相的热动力学特性.发现在x=1/3, 1/2和2/3时,有序相向无序相发生相变,相变温度分别为27, 28, 25 K.通过第一性原理能带计算和能带反折叠法,发现价带顶附近带边和导带底附近带边状态主要来源于W的d轨道,带隙随Se组分呈现线性变化趋势,与原子的有序排列或无序排列无关;同时发现电子和空穴的有效质量与原子的有序排列或无序排列密切相关.     

三维原子探针--从探测逐个原子来研究材料的分析仪器

材料是科学技术和国民经济发展的重要基础,研究和开发先进材料,满足科学技术发展的要求,是材料研究工作者的永恒主题.材料的成分和加工工艺,决定了材料的显微组织,而材料的性能又与显微组织有着密切的关系.因此,研究材料的显微组织是研究开发先进材料的工作基础,而充分并正确利用现代的各种分析仪器,是研究显微组织的关键.本文介绍了一种能够分析逐个原子的仪器——三维原子探针,用这种仪器可以了解金属材料中不同合金元素在微区中不均匀分布的问题;可以了解合金元素在各种界面及晶体缺陷处的偏聚分布;可以了解显微组织变化初期时只有数十个不同原子发生团聚时的过程.三维原子探针是目前最微观的分析仪器,能够进行成分的定量分析,在研究金属材料的许多问题时都可以发挥重要的作用.     

相图在复合材料和表面处理中的应用

本文通过对三元相图及扩散通道的分析,来探讨在进行表面处理时及用扩散法制备复合材料的过程中,中间层各相的形成过程及演化过程.拟讨论的问题是:已知基体金属及表层合金材料的成分,在给定温度下互相扩散,中间会生成什么相;这些相如何随热处理时间而消长;为获得某些具有特殊性能的相,或为避免某些有害相的出现,应如何选择扩散元材料及有关工艺参数等.     

碳纤维树脂基复合材料的高性能化

碳纤维及复合材料是关乎国家安全必须自主保障的关键战略材料,而树脂基(含量在35%以上)是碳纤维树脂基复合材料的两大材料基元之一,直接决定着复合材料的服役性能与成型工艺性.北京化工大学先进复合材料研究中心(AdvancedCompositesCenter,ACC)团队针对碳纤维用高性能树脂基体国产化存在品种缺乏及不成系列等突出问题,面向国家重大战略需求,在解决国家碳纤维树脂基复合材料的"无"和"有"的"顶天立地"方向上开展了一系列基础理论和应用基础研究,推动了国产碳纤维从"能用"向"好用"的质的飞跃,支撑了国内碳纤维树脂基复合材料研究由跟踪仿制的"跟跑"到自主创新的"并跑"的根本转变,取得了一系列重要创新成果.本文简述了ACC团队近10年在碳纤维专用树脂分子结构模拟设计及交联网络调控、碳纤维树脂基复合材料界面相容新机制的探究、碳纤维树脂基复合材料多级增韧增强方法学的构建、碳纤维高性能树脂基体的制备技术发展及碳纤维树脂基复合材料成型工艺的创新及其产品工程等方面的基础研究成果及关键技术突破,并对碳纤维树脂基复合材料高性能化的发展方向进行了展望.     

Mg-Gd二元合金中β′-Mg7Gd沉淀相的第一性原理计算研究

亚稳β′相是Mg-Gd系合金中最有效的沉淀强化相. 采用基于密度泛函理论的第一性原理计算研究了Mg-Gd二元合金中β′-Mg7Gd沉淀相的晶格常数、弹性性质以及电子结构. 计算结果表明,β′-Mg7Gd与β′-Mg基体的晶格错配能够合理解释实验观察到的β′相的形貌. 采用弹性常数分析了该相的力学性能及其成键特性. 结果表明, β′-Mg7Gd为硬质脆性相. 电子结构表明β′-Mg7Gd相中存在强烈的共价键, 同时解释了其力学性能. 本文的理论计算结果同实验观察的结果吻合.     

纳米填料的分散以及界面作用对橡胶复合材料动态性能的影响

绿色轮胎与传统轮胎相比,具有滚动阻力小、生热低、耐磨等优异的特性,突显出了低碳环保、绿色节能的优势.因此,绿色轮胎的研究和开发具有十分重要的意义.为了使橡胶复合材料性能满足绿色轮胎的要求,纳米填料的填充对其性能具有关键性作用,因此,利用新型纳米填料提高橡胶的动态性能,如抗湿滑性、滚动阻力、耐磨性以及生热等成为了学术界及工业界研究的热点之一.然而,影响橡胶复合材料动态性能的因素较复杂,本文主要从填料的分散以及填料与基体间的界面相互作用展开,探讨不同改性方式对传统纳米填料(如炭黑、白炭黑等)和新型纳米填料(如石墨烯、黏土等)在橡胶基体中分散状态的影响,以及填料分散和填料-基体界面相互作用对橡胶复合材料动态性能的影响.     

FeAl有序相与液相高温相平衡的电子理论计算

FeAl合金是金属间化合物研究的热点之一,高温相平衡是其研究的重要基础.Kikuchi提出的CVM和NIM为合金相平衡及热力学性质的理论计算提供了一种广为利用的方法.吴非和郑伟涛等用此方法曾计算了Fe-Mn,Ag-Au和Au-Cu二元合金相图,取得了较好的结果,但他们的计算仅限于无序固溶体的相平衡.本文在提出计算有序相键能的“部分平均原子模型”的基础上,将Kikuchi的CVM和NIM与余氏电子理论相结合,计算FeAl有序相与液相之间的平衡参数,结果令人满意.     

不同压电材料反平面应变状态的电渗透型界面裂纹

将压电材料中的电渗透型裂纹处理成静电学的连接界面 ,按上、下两表面的切向电场强度连续和法向电位移连续建立裂纹处的电学边界条件 ,精确分析了不同压电材料反平面应变状态的共线界面裂纹问题 ,给出了单个界面裂纹和双界面裂纹的复型封闭解 .结果表明 :在裂尖处应力、应变、电场强度和电位移均有(1/2 )阶的奇异性 ,裂纹扩展能量释放率仅与应力、应变强度因子有关 .其退化结果与文献结果一致