Si₃N₄陶瓷因其强共价键特性而具有优异的力学性能,但这一特性也使其难以进行二次加工,严重制约了其在工业领域的广泛应用。本研究采用动态热锻(dynamic hot forging, DHF)技术对商用Si₃N₄陶瓷 进行加工处理,研究热锻温度对材料微观结构和力学性能的影响。结果表明：在(60±5) MPa的动态压力和1 800 ℃的热锻温度下,Si₃N₄陶瓷展现出最佳力学性能,其硬度达到13.84 GPa,断裂韧性为6.88 MPa·m^1/2,抗弯强度高达925 MPa,各项性能指标均显著优于原始试样。这种性能提升主要归因于两个关键因素,一是热锻过程中气孔等缺陷的消除,二是动态压力诱导产生的结构织构化效应。本研究开发的DHF技术为高性能难加工陶瓷材料的二次加工与强化提供了一种有效的新方法。

为提高镍基合金熔覆层的高温耐磨性,本文采用激光熔覆技术制备TiC强化Inconel 718复合熔 覆层,通过扫描电子显微镜、能谱仪、超景深显微镜和球-盘式高温摩擦磨损试验机等,探究TiC含量对Inconel 718复合熔覆层组织结构及高温摩擦行为的影响。结果表明：加入TiC后,复合熔覆层内部形成(Nb,Ti)C、NbC和不同尺度的TiC颗粒,复合熔覆层的晶粒细化。w(TiC)=30%的复合熔覆层硬度(HV_0.2)最高,达到660.0,相较于Inconel 718熔覆层(264.0)提升了150.0%;在室温条件下,复合熔覆层的体积损失量相较于Inconel 718熔覆层降低了93.4%;在高温环境下,复合熔覆层仍具有优异的耐磨性能,体积损失量为0.83×10⁸ μm³。随TiC含量增加,熔覆层的磨损机制由磨料磨损转变为黏着磨损。熔覆层的硬度和室温与高温耐磨性能的提升归因于不同尺度碳化物增强相的形成和晶粒细化。

目前钠还原氟钽酸钾制备的钽粉无法满足高端电容器对钽粉形态均匀性和氧含量的要求。本文利用镁还原氧化钽-酸洗工艺制备钽粉,采用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、能谱仪、激光粒度仪、氧氮氢分析仪和电感耦合等离子体发射光谱仪等,研究还原产物酸洗前后的物相组成、微观形貌、元素含量,以及钽粉的粒度分布。结果表明：钽粉颗粒遗传了原料的形貌。当n(Mg)∶n(Ta₂O₅)=5∶1时,由于钽晶粒较细小且具有较高活性,部分钽粉在酸洗过程中吸氢演变为Ta₂H,此时还原剂镁不足,未反应的Ta₂O₅与MgO形成难以与钽粉分离的Mg₄Ta₂O₉;当n(Mg)∶n(Ta₂O₅)=7.5∶1时,氧化钽被完全还原为钽;当n(Mg)∶n(Ta₂O₅)=10∶1时,钽粉中氧的质量分数降低至0.58%,且形态均匀性明显提升。

在严酷的服役环境中,航天器必须经受长期暴露于有氧环境、极端气动加热、高温和高压的严峻考验。热防护材料在高温和强气流的双重作用下展现出优异的隔热、防护、抗压及抗冲击性能,并能保持稳定的化学和物理特性。作为一种防热隔热功能一体化的复合材料,其低热导率能显著减少热传递,同时保留了必要的力学性能,其在航天领域具有重要应用价值,能在高温环境下确保内部设备的稳定运行。本文系统探讨了两种典型的防隔热一体化材料(陶瓷热防护材料和金属热防护材料)的基本原理及关键性能,分析其制备技术与实际应用,全面总结现存的主要问题,并提出未来的发展方向,为该领域的研究提供新的视角和参考。

受自然材料如珍珠贝的高性能得益于其独特层状结构的启发,结合仿生学理念,本文通过冷冻铸造-压力浸渗技术制备仿贝壳层状结构Al/Al₂O₃复合材料。采用扫描电子显微镜和材料试验机研究玄武岩烧结助剂和烧结温度对多孔Al₂O₃骨架微观结构和抗压强度的影响,采用X射线断层扫描仪观察分析复合材料的微观结构和物相体积分数。结果表明：多孔Al₂O₃骨架具有孔道与陶瓷交替排列的层状结构。该结构的形成机理依赖于冰晶的定向生长,冰晶在生长过程中将陶瓷颗粒推到两侧,形成定向层状结构。加入玄武岩助烧剂或提高烧结温度,可显著提高陶瓷骨架的体积收缩率和抗压强度。Al/Al₂O₃界面可以建立化学键合,使熔体与骨架有效复合。Al/Al₂O₃复合材料具有高致密度,呈现出精细的层状结构,较大程度上实现了仿贝壳结构的设计目标。

稀土(rare earth, RE)钽/铌酸盐(RE(Ta/Nb)O₄)作为新一代的热障涂层备选材料,因其优异的性能而备受关注。本文基于机器学习法分析RE(Ta/Nb)O₄ (RE=Sc、Y、Yb、Dy、Gd、Sm、Ho、La、Lu、Tm、Er、Ce、Eu)材料的热导率,并结合贪心算法寻找具有更低热导率的热障涂层材料。利用元素组成、原子特性与参数、晶体结构信息和热力学数据作为特征参数,采用梯度提升决策树作为预测模型对材料进行筛选,并通过实验进行验证。结果表明：(Y_2/7Yb_5/7)(Ta_1/2Nb_1/2)O₄的实验值与预测模型符合较好,梯度提升决策树作为后续热导率预测的机器学习模型,筛选出了多种低热导率的RE(Ta_1/2Nb_1/2)O₄热障涂层材料。多稀土共掺杂和高熵化RE(Ta/Nb)O₄的热学性能比某些单组分RE(Ta/Nb)O₄更突出,是具有潜力的新型热障涂层材料。

为优化银基滑环摩擦副选材,本研究选取AgCu合金、AgCuNi合金和Ag基复合材料作为环体材料,将其与Ag基、Au基刷丝组成摩擦副,进行真空载流寿命实验,采用示波记录仪、数码显微系统、扫描电子显微镜等研究不同摩擦副的电接触性能、磨损表面形貌、磨屑形貌及成分。结果表明：AgCu合金、AgCuNi合金与Ag基、Au基刷丝对磨后均会产生细长丝状的磨屑,其形貌多呈层状挤压特征。在Ag合金环体中引入WS₂、MoS₂二维材料可以改变磨屑形态,形成灰黑色细小薄片状磨屑,从而在材料源头避免了丝状磨屑的产生,有效降低磨屑引发的滑环短路风险。

本文采用真空感应熔炼技术和高速凝固法制备Os质量分数为3%、Co/Cr质量比为6.5∶9.6和9.6∶6.5的两种镍基单晶高温合金CSUSX-Os-1和CSUSX-Os-2,对合金进行固溶时效处理后,将其分别在1 100、1 150、1 200 ℃下热暴露不同时间,研究热暴露时间和温度对合金显微组织的影响,并通过电子空位法和d级轨道电子能级预测法计算TCP相的析出倾向。结果表明：随热暴露温度升高和热暴露时间延长,两种合金的γ′相均发生粗化,并且相同热暴露温度下CSUSX-Os-1合金γ′相的面积分数小于CSUSX-Os-2合金。CSUSX-Os-1合金的TCP相析出倾向大于CSUSX-Os-2合金,而且二者析出的TCP相成分不同,CSUSX-Os-1合金析出的TCP相富含Cr、W、Os、Ni元素,随热暴露时间延长板条状TCP相的尺寸逐渐增大;CSUSX-Os-2合金析出的TCP相富含Ta、Ti,W,形貌也呈板条状。

针对新一代耐高温、抗辐照、抗氧化、高强韧热结构材料的应用需求,通过三维干法球磨,冷等静压制坯,高温氩气气氛烧结制备不同ZrC-AlN含量的Mo基复合材料。采用扫描电子显微镜、X射线衍射仪和同步热分析仪等,研究陶瓷含量对复合粉末分散性以及复合材料微观结构、氧化行为和性能的影响。结果表明：通过三维干法球磨可获得均匀分散的金属陶瓷复合粉末。从室温到1 200 ℃氧化后,随陶瓷相含量增加,复合材料的质量损失率大幅降低,抗氧化陶瓷相的引入改善了复合材料的抗氧化性能。陶瓷相引入后,复合材料的抗压强度大幅升高,最高达1 315.8 MPa,相比纯Mo提高约一倍,这是因为硬度高、模量大、不易压缩的陶瓷相增强了复合材料的抗压性能。然而,闭孔、界面反应、各物相自身力学性能的综合作用使复合材料抗弯强度降低。

铜基体组织调控是突破碳纳米片/铜复合材料强度-塑性倒置关系的有效途径。本文采用粉末冶金技术原位合成碳纳米片/铜复合材料,并对其进行冷轧变形和退火处理,探究冷轧变形及退火温度对原位碳纳米片/铜复合材料微观组织和力学性能的影响及作用机制。结果表明：在轧制过程中,原位碳纳米片/铜复合材料中铜基体的晶粒尺寸随变形量增加而减小,形成{110}〈113〉织构,同时位错密度也显著增大。在晶粒细化、形变织构和位错强化的共同作用下,原位碳纳米片/铜复合材料的强度显著提高,尤其是变形量为40%时,增强效果最明显,复合材料的屈服强度、抗拉强度分别达到332 MPa、375 MPa,较未变形的复合材料分别提高了73.8%和22.1%,但由于织构的形成,复合材料的塑性变形能力降低,伸长率仅保持在6.7%。退火后,由于铜基体内的位错回复或再结晶,晶粒取向也更加均匀,冷变形碳纳米片/铜复合材料的强度略有降低,但塑性回升,在200 ℃时表现出最佳的强度与塑性匹配。此时,复合材料的屈服强度、抗拉强度和伸长率分别达到284 MPa、373 MPa和10.6%,其抗拉强度较初始态提高了21.5%,而伸长率仅降低2.1%。

一维单晶β-Si₃N₄晶须兼具优异的热学、力学、耐高温、耐腐蚀等性能,广泛用作树脂基、金属基及陶瓷基的增强体材料。以氧化物为烧结助剂制备的β-Si₃N₄晶须存在残留杂质多、长径比低等不足,限制了其增强效果。本研究借助熔盐法在较低温度下制备壳层厚度可控的Si₃N₄@MgSiN₂核壳结构粉体,再以此粉体为原料烧结制备β-Si₃N₄晶须,采用X射线衍射仪、能谱仪和扫描电子显微镜研究粉体和晶须的物相组成和微观形貌。结果表明：在高温下,α-Si₃N₄在壳层MgSiN₂形成的液相中通过“溶解析出”机制实现相转变和Ostwald熟化,形成了高长径比的β-Si₃N₄晶须。升高烧结温度及提高原料中Mg/Si₃N₄质量比均可增强液相中的扩散传质,有利于晶须沿[001]方向生长,表现为晶须的长度和长径比增大。同时,MgSiN₂在高温下不稳定的特性促使其分解为Mg、N₂及Si₃N₄,保证了晶须的高纯度。因此,在1 750 ℃烧结1 h可制备高纯度、高长径比、易分散的β-Si₃N₄晶须。本研究提出的晶须新型制备策略经济可行,为高性能β-Si₃N₄晶须的制备提供了新途径。

本文以DyF₃和Dy₂O₃粉末为扩散源,制备高Ce含量(Pr,Nd)₂₀Ce₁₁Fe_bal(Cu,Ga,Zr)_1.0B_0.97 (质量分数)烧结磁体,采用超高矫顽力永磁脉冲测量仪、X射线衍射仪、差示扫描量热仪和电子探针显微分析仪等,研究DyF₃/Dy₂O₃共扩散对磁体磁性能和微观结构的影响。结果表明：DyF₃/Dy₂O₃扩散后,磁体的矫顽力由913.01 kA/m提高至1 237.78 kA/m,提高了324.77 kA/m (35.6%);20~120 ℃的矫顽力温度系数由-0.606 %/℃提高至-0.567 %/℃,热稳定性增强;剩磁的变化量很小,仅为-0.01 T。扩散后磁体表层主要由四方结构(Nd,Ce,Dy)₂Fe₁₄B主相和少量立方结构RE-O-F第二相构成。DyF₃/Dy₂O₃体系中,Dy₂O₃使DyF₃的分解温度降低(<600 ℃),为Dy原子扩散提供了驱动力。DyF₃/Dy₂O₃共扩散时,Dy扩散深度可达800 μm,Dy含量随扩散深度的增加逐渐降低,在表层0~60 μm处出现Dy和F元素富集区,Ce主要富集于0~60 μm处和磁体内部的三角晶界处。在距离表面50~400 μm处,Dy元素在主相晶粒周围形成连续网络状(Nd,Ce,Dy)₂Fe₁₄B壳层结构,该结构可有效增强主相晶粒表面的磁晶各向异性场,抑制晶粒表面反磁化畴的形核,提高矫顽力。

本文结合表面刻蚀和原位氧化工艺,采用X射线衍射仪、扫描电镜、能谱仪、X射线光电子能谱仪、光纤光谱仪、傅里叶变换红外光谱仪等,通过调控氧化温度研究Fe-Mn-Al-Ni-C轻质钢表面氧化产物的变化及其对光热转换性能的影响。结果表明：相较于单一原位氧化工艺,增加刻蚀预处理能促进纳米片状氧化物的生成,有效提高合金的光热转换性能。刻蚀后,随着氧化温度从300 ℃上升到400 ℃,氧化物尺寸增大,合金的光热转换性能提高;在400 ℃氧化2 h后,合金的太阳能吸收率和光热转换效率分别达到峰值96.1%和90.2%;当氧化温度升至500 ℃,热膨胀系数不匹配导致热应力增大,合金表面生成的氧化层轻微脱落,因此材料的光热性能开始下降;600 ℃氧化后,氧化层的严重脱落和Al₂O₃的生成使得光热性能进一步下降。

SiC纤维常用的先驱体聚碳硅烷价格高昂,为降低成本,本文以聚硅氧烷为硅源、聚丙烯腈为碳源制备改性先驱体,采用先驱体转化陶瓷技术和静电纺丝工艺制备聚合物原纤维,通过紫外辐照和空气热交联进行不熔化处理,再在N₂气氛中进行热解制备SiC(O)纤维,并对SiC(O)纤维的微观结构和抗氧化性能进行研究。结果表明：SiC(O)纤维直径为200~300 nm,均匀度好,表面无孔隙,其在600 ℃的抗氧化性能优于C纤维。

针对电子封装用基板材料热导率低、热膨胀系数高的问题,本文采用冰模板法制备层状多孔TiC-Ni支架,并结合真空浸渍法将环氧树脂(epoxy, EP)渗入多孔支架的孔隙中,制备层状TiC-Ni/EP复合材料。采用扫描电子显微镜、万能力学试验机和热膨胀仪等设备,研究Ni含量对层状多孔TiC-Ni支架的孔隙形貌、层状结构特征以及复合材料的微观结构、力学性能、热学性能的影响规律。结果表明：随Ni含量增加,多孔支架的层间距和层壁厚度增大,复合材料的抗压强度和抗弯强度降低,热导率和热膨胀系数增大。φ(Ni)=2%时,多孔支架和复合材料均获得最佳的层状结构特征,复合材料的热导率为2.24 W/(m·K),热膨胀系数为30.23×10^-6 K^-1。

光固化打印技术作为一种新兴的增材制造技术,为电池制造提供了新途径。本文介绍了光固化技术在电池领域的研究现状,阐述光固化技术在电池材料如导电聚合物、碳基材料、金属氧化物、固态电解质材料、隔膜材料中的应用,并对光固化打印电池的发展提出建议及展望,以期为相关领域的科研人员和技术人员提供参考。

激光定向能量沉积(laser-directed energy deposition, LDED)成形Ti-Al合金的微观组织通常表现为贯穿多个熔池的粗大柱状晶,使得该合金较难获得均匀的力学性能。本文选用Nb作为Ti-Al二元合金的添加元素,通过LDED技术成形一系列Ti-6Al-xNb (x=5、6.5、7.5,质量分数)三元合金,采用光学显微镜、X射线衍射仪、扫描电镜和电子背散射衍射仪对合金的微观形貌、室温拉伸性能以及变形机制进行研究,探究Nb含量对LDED成形Ti合金微观组织及拉伸性能的影响。结果表明：不同Nb含量合金的微观组织形貌较为接近,均主要由细长的针状或片层状α/α′相组成,且存在少量的残余β相。当Nb质量分数为6.5%时,合金具有最高的极限抗拉强度((902±35) MPa)和屈服强度((849±20) MPa),这主要归因于晶粒尺寸的减小。此外,随Nb含量增加,合金的伸长率逐渐降低。当Nb质量分数为7.5%时,合金的伸长率最低,为(10.2±1.4)%。

本文采用最新文献报道的Ni-Cr、Ni-W和Cr-W二元热力学参数,结合Ni-Cr-W三元体系实验数据,使用相图计算(calculation of phase diagram, CALPHAD)方法进行热力学评估和优化计算,获得了一套自洽的热力学参数,其中σ相的热力学模型为亚点阵模型：(Cr,Ni,W)_0.533(Cr,Ni,W)_0.333(Cr,Ni,W)_0.134。计算的Ni-Cr-W体系等温截面图(1 273、1 473、1 673和1 813 K)和液相面投影图与实验数据匹配较好,说明本工作的热力学数据库能够很好地再现实验结果,对此体系相关的高元合金设计具有参考意义。

合金溶液的热力学性质是评估合金相稳定性及计算相图的重要数据,准确预测这些数据对开发新合金材料、优化冶金过程、提高产品质量和降低生产成本具有重要意义。本文利用统一外推模型(unified extrapolation model, UEM)计算了Ag-Bi-Cu、In-Li-Sn和Al-Sn-Zn三元合金系在不同组成下的混合焓,并与多种常用的外推模型(Kohler、Muggianu、Toop和通用溶液模型)的计算结果以及文献中的实验数据进行对比。结果表明,UEM的预测结果整体上优于其他模型,在热力学性质预测方面表现出较高的准确性和适用性。

本文选用α-Al₂O₃作为矿化剂制备精密铸造用氧化硅基陶瓷型芯,采用X射线衍射仪、场发射扫描电子显微镜、能谱仪、三点弯曲试验等,研究矿化剂用量与硅溶胶强化处理对型芯的物相组成、显微组织、收缩率、显气孔率、密度和抗弯强度等的影响。结果表明：α-Al₂O₃对陶瓷型芯有双重作用,一方面其作为增强相能阻碍熔融石英的黏滞流动,提升型芯的强度;另一方面其优异的高温稳定性降低了陶瓷型芯的烧结致密度,进而导致型芯的收缩率和强度下降。而硅溶胶强化处理能有效封闭气孔,促进型芯烧结。经硅溶胶强化处理后,w(α-Al₂O₃)=2%的型芯的室温抗弯强度提升至16.6 MPa,高温抗弯强度为37.5 MPa,满足了精密铸造行业用陶瓷型芯的应用指标。