纳米孪晶纯铜的极值强度及纳米孪晶提高金属材料综合强韧性

多晶材料的强度随晶粒尺寸减小而提高。但理论分析及分子动力学模拟结果显示,当材料晶粒尺寸小于某个临界值后,进一步减小晶粒尺寸可能导致材料软化。多晶体材料极值强度的出现是由于塑性变形的控制机制由晶格位错运动逐步转化为晶界行为。本研究组研究了具有不同孪晶片层厚度的纳米孪晶纯铜的极值强度,结果发现强度随孪晶片层厚度下降而提高。当孪晶片层厚度为15nm时,材料强度达到最大值。进一步减小孪晶片层,强度反而减小、出现软化现象。随孪晶片层减小,样品的塑性和加工硬化能力单调增加。分析表明纳米孪晶铜中极值强度的出现是由于随孪晶片层尺寸减小塑性变形机制从位错孪晶界相互作用主导转变为由孪晶片层结构中预存位错运动主导所致。     

燃烧合成熔化制备块体纳米晶材料

1984年德国科学家Gleiter教授首次采用惰性气体冷凝原位加压法成功制备出块体纳米晶材料,其发表在《材料科学进展》的一篇论文“纳米晶材料”被引用1300多频次(Progress in Materials Science1989,33(4):223—315)。到目前为止,德国政府已投入近5000万马克的经费资助纳米晶材料     

液体-固体-溶液界面相转移和相分离——一种通用的纳米晶体合成策略

如何在纳米介观尺度范围内实现对材料结构与性能的调控,是纳米材料功能化及其应用的关键。单分散纳米晶指尺寸及形状均一、且在特定介质中具有良好分散能力的纳米材料。基于纳米粒子自身的尺寸效应、表面效应、量子效应,载流子在纳米粒子限制维度空间内的传输具有不同于其它维度材料的特性,展现出许多独特的光学、电学等物理化学性质。同时形状及尺寸严格均一的单分散纳米晶可以通过各种物理化学相互作用进行组装,在纳米器件、量子点激光器、非线性光学、磁介质、催化、功能材料及纳米生物技术等方面具有极为广阔的应用前景。然而由于不同化…     

介观尺度金属孪晶变形的强烈晶体尺寸效应

主导许多材料力学行为的孪晶变形是一种局部晶体高度协调一致的非弹性剪切变形过程,其发生原因与时空特性仍然保持着某种神秘色彩。本项研究利用纳米压入仪下微柱体压缩与相应的透射电镜原位定量变形表征技术,发现随所用钛铝合金单晶外观尺度逐步减小到1个μm时,孪晶切变所需应力随之显著提高,表现出很强的尺度依赖性。当晶体的外部几何尺度进一步减小到亚μm量级时,材料的塑性变形方式发生了根本性的转变,孪晶变形完全由通常的位错滑移变形取代,而材料所能承受的最大流变应力亦呈现出一种接近于所用材料理想强度水平的＂应力饱和＂平台现象。本研究提出了以螺位错为媒介的孪晶变形＂受激滑移＂模型,完美地解释了孪晶变形具有强烈晶体尺寸效应的内在原因。     

微尺度薄膜热容测试技术

微纳米薄膜材料广泛应用于微纳器件中,因此微尺度薄膜热容测试技术对于微纳器件热设计十分重要。本文介绍了一种新型的用于薄膜热容测试的自对准双层悬空膜片结构——双层悬臂梁量热计,它主要应用于薄膜材料热容测量和微结构中的近场热辐射研究。同时介绍了双层悬臂梁量热计用于薄膜热容测试的几种测试方法,包括差式扫描量热法、热延迟时间法、脉冲量热法等。     

三维自组装:从多分散的纳米粒子到单分散的超级纳米粒子

如何将具有特殊光、电性能的单个无机纳米粒子按照人类的意愿构建成宏观尺度、具有特定结构和性质的集合体,一直是当今科学界最具挑战性的前沿课题之一。我们发现,尺寸分布不均一的无机纳米粒子能自发组装为尺寸均一、具有核/壳结构的超级纳米粒子。这种多分散纳米粒子的自限制生长过程由纳米粒子自身的库仑排斥力和范德华吸引力间的平衡所控制。对这些相互作用力本质的认识为纳米粒子组装基元的可控设计和合成提供了理论基础,并可用于构建包括具有分级结构的胶体晶体在内的各种自组装结构,为纳米粒子的实际应用提供了新途经。此外,该研究结果对于理解单分散性的病毒等生物体系和聚合物等有机大分子超结构的形成具有指导意义。     

层状金属材料断裂行为的尺度与界面/晶界效应研究

本研究采用三点弯曲实验方法系统地研究了具有不同尺度组元层和界面结构搭配的Cu/Au和Cu/Cr层状材料的断裂行为及其尺度与界面/晶界效应。研究发现,组元性质、尺度和界面/晶界结构是影响金属多层材料变形和断裂行为的主要因素。对于具有"透明"界面的Cu/Au多层材料,其变形和断裂行为表现出显著的尺度效应,而具有"模糊"界面的Cu/Cr多层材料的塑性相对较差,其变形和断裂行为没有明显的尺度效应。基于理论分析,提出了高强高韧层状金属材料的多尺度层状结构设计思路。     

不同前驱体浓度下气相爆轰方法制备纳米TiO2粉体研究

本文主要介绍了以氢气和氧气的混合气体作为爆炸源,以四氯化钛作为前驱体,爆轰方法制备纳米二氧化钛粉体的方法。通过XPD分析所得的产物是金红石相和锐钛矿相的混合晶体,晶粒尺度为纳米级,晶粒直径大约为50～100nm左右。通过TEM分析,探究了四氯化钛的浓度对其晶粒尺寸和晶相结构的影响。结果表明,随着四氯化钛浓度的增大,得到的晶粒的尺寸变小,产生的晶粒多为球状（或为类球状）,也有了较好的分散性,团聚现象也较小,随着四氯化钛的浓度的提高,其金红石相含量增多。     

材料凝固成形多尺度多场量耦合计算机模型化

材料液态成形工艺中的凝固现象是发生在从铸锭 /铸件到原子集团尺寸范围内的多尺度液 固相变过程 ,同时还涉及或受控于多种物理场变化。正是这些多尺度的液 固相变特征与多重场量变化的复杂耦合作用共同决定了材料的凝固行为、结晶组织与缺陷形成以及成形零件 /材料的使用性能。近 2 0年来计算机软硬件技术的飞速发展 ,为多种基础学科交叉的材料凝固理论向着定量化的科学体系发展创造了有利条件 ,这是材料凝固理论今后发展与完善的重要方向之一。本文对基于多尺度、多场量耦合材料凝固成形计算机模型化的必要性及研究进展进行了简要概述 ,介绍了本文作者近 10余年来在该领域所进行的相关研究工作 ,最后就与材料凝固及液态成形计算机模型化相关的几个应重点加强研究的领域提出了几点建议     

能量存储:基于全新原理的“纳米弹簧”

许多机械装置如钟表、玩具等都采用弹簧来驱动,其能量的存储与释放是通过弹簧内部原子间距的变化来实现的。但是这种原子间距的变化(即弹性变形)所能存储的体能量密度相对很低,如何提高能量的转换效率以及材料存储的能量密度是当前材料科学理论和实验研究共同关注的一个问题。本研究利用金属钨单晶纳米线在加载时独特的孪晶变形行为,提出了一个可以在纳米尺度下高效存储与释放机械能的新原理,并据此设计了相应的纳米装置——纳米弹簧。与块体弹簧不同,本文提出的纳米弹簧通过表面原子的重构来实现能量的存储与释放。进一步的计算还表明,由于金属钨孪晶界面的移动阻力非常小,金属钨纳米弹簧的能量转换效率可以达到98%;同时该纳米弹簧存储的体能量密度可以超过钟表发条的1600倍,并具有30%的应变以及3GPa的驱动应力。