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。

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。

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。

铜及铜合金具有优良的导电、导热等特性,3D打印的发展使得青铜合金精密构件在高端制造中的重要性日益突显。本文采用激光粉末床熔融技术在不同扫描速度(200、400、600 mm/s)下制备青铜合金,通过光学显微观察、硬度测试、摩擦实验、三维形貌分析、SEM和EDS表征分析,对其显微结构、力学性能和摩擦学性能展开研究。结果表明：随扫描速度增大,3D打印青铜合金熔覆层孔隙率增大,熔池组织晶粒尺寸减小,晶粒组织更加致密,硬度提高;青铜合金的摩擦学性能提高,摩擦损耗降低。此外,3D打印青铜合金的磨损机制主要为黏着磨损和磨粒磨损,且在较小扫描速度下氧化磨损更严重。

为研究极端电磁热耦合场下电磁发射轨道表面的磨损与防护,基于COMSOL和ABAQUS有限元软件,建立Mo、Ni、W耐磨导电轨道涂层的电磁热模型和热力耦合磨损模型,探索不同耐磨导电涂层对电磁发射的电磁热分布与轨道耐磨性的影响。结果表明：涂覆涂层后,轨道电流密度的分布改变,热效应减小,轨道的整体温度降低。在电磁发射过程中,轨道的机械磨损主要集中于前半段,涂覆涂层能明显降低轨道磨损。无涂层轨道的最大磨损深度为1.142 μm,磨损体积为2.170 mm³;涂覆Mo、Ni、W涂层后轨道的最大磨损深度分别为0.070、0.095、0.042 μm,轨道磨损体积在0.030~0.069 mm³的范围内。其中,由于W的导热性能最好、导电性能优异、硬度高、耐磨性能好,其最大磨损深度和磨损体积皆最低。

Ti-Al合金能有效提升航空发动机的性能,在航空航天领域具有不可或缺的应用价值。然而,该合金在升温、加压等加工过程中可能经历多个有序-无序相变,这会对其力学性能产生显著影响。X射线衍射在材料分析中应用广泛,但难以区分具有相同点阵结构的有序相和无序相(如α₂和α相),相比之下,中子衍射通过入射束流与物质的原子核相互作用产生衍射,具有比实验室传统X射线更强的穿透能力。而且中子衍射与X射线衍射的峰强度分布呈现出差异性,这使得中子衍射不仅能辅助区分Ti-Al合金有序相和无序相,还能进一步测量物相的有序度。中子衍射与X射线衍射技术在衍射图谱上的互补特性,为深入研究Ti-Al合金的有序-无序相变提供了强有力的支持。本文系统阐述了基于中子衍射和X射线衍射技术,计算Ti-Al合金衍射峰强度和有序度的方法,详细介绍了两种衍射技术的实验方法及其在Ti-Al合金相变研究中的应用,并展望了其在相关领域的应用与发展前景。

本文以碳纤维纸(carbon fiber paper, CFP)为载体,通过水热法、原位电化学置换反应和高温煅烧制备不同Ir/Ru原子比的低载量IrO₂-RuO₂/Co₃O₄@CFP催化剂,采用扫描电子显微镜、高分辨透射电子显微镜、X射线衍射仪、X射线光电子能谱仪以及电化学测试等手段,研究催化剂的微观结构和电化学性能。结果表明：当Ir/Ru原子比为4∶1时,催化剂在酸性介质中表现出最佳的析氧反应催化活性和稳定性,在电流密度为10 mA/cm²时的析氧过电位为225 mV,Tafel斜率为45.97 mV/dec,在100 mA/cm²电流密度下连续反应50 h后,性能几乎无衰减。本研究可为低成本、高性能的酸性析氧催化剂的合成提供设计思路和可行方案。

为优化热变形Nd-Fe-B磁体粗晶区的结构并提高其组织均匀性,本文以快淬磁粉和Cr粉为原料,采用热压及热变形工艺制备不同Cr含量Nd-Fe-B磁体,通过扫描电子显微镜、能谱仪、X射线衍射仪等研究Cr含量对磁体显微组织和磁性能的影响,并揭示其磁性能变化的机理。结果表明：适量添加Cr能显著提升Nd-Fe-B磁体的剩磁和最大磁能积。当w(Cr)为0.5%时,磁体的剩磁和磁能积分别可达1.39 T和353 kJ/m³。Cr在磁体中以单个颗粒的形式存在,富稀土相在Cr颗粒周围富集并形成包裹层。这种结构能有效改善Nd-Fe-B中富稀土相的不均匀分布,优化粗晶区的整体宽度和分布情况。磁体的织构因此得到优化,从而实现综合磁性能的提升。

本研究采用非均相沉淀和热处理方法在YCo粉末颗粒表面包覆ZnO,并引入FeSiAl粉末,制备FeSiAl/ZnO@YCo复合材料,对比研究不同YCo复合材料体系的吸波性能及电磁损耗机理。结果表明：FeSiAl/ZnO@YCo复合材料的吸波性能显著优于YCo。在4.6 GHz处 YCo的反射损耗值不足-3.00 dB,而FeSiAl/ZnO@YCo复合材料的最大反射损耗值为-16.50 dB,有效吸收带宽约为1.9 GHz,低频吸波性能得到显著改善。在高频段,FeSiAl/ZnO@YCo复合材料同样表现出优良性能,其在16.2 GHz的反射损耗值达到-24.80 dB,有效吸收带宽为2.1 GHz。FeSiAl/ZnO@YCo复合材料微波吸收性能的提高主要归因于多重损耗机制(界面极化、共振损耗、涡流损耗等)以及显著改善的电磁参数和衰减常数。

本文以气雾化粉末为原料,采用激光粉末床熔融(laser powder bed fusion, LPBF)技术制备304L不锈钢。采用X射线衍射仪、背散射电子衍射仪、扫描电子显微镜、透射电子显微镜等研究激光体能量密度对合金显微组织的影响,并确定最佳工艺窗口。以该工艺参数制备打印角度为0°、45°、90°的不锈钢,研究成形角度对不锈钢显微组织和力学性能的影响。结果表明：LPBF 304L不锈钢主要由奥氏体和少量铁素体组成,在激光体能量密度为93.7 J/mm³时,不锈钢孔隙等缺陷最少,孔隙率最小,硬度最大。打印角度为0°的不锈钢抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为(722.6±2.5) MPa、(580.3±1.5) MPa和(58.6±2.3)%,45°的不锈钢抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为(714.3±2.5) MPa、(572.0±2.6) MPa和(49.2±2.8)%,90°的不锈钢抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为(629.0±2.0) MPa、(527.7±3.1) MPa和(67.4±3.5)%。打印角度为0°的不锈钢表现出更细的晶粒,更高比例的低角度晶界和较大的位错密度,这有助于提高材料强度。LPBF 304L不锈钢中存在胞状亚晶和柱状亚晶两种亚晶结构。晶粒形貌、晶粒取向、位错密度和亚晶结构的差异是LPBF 304L不锈钢表现出力学性能各向异性的原因。

针对P550无磁钢表面激光熔覆高WC含量无磁镍基合金粉末时涂层气孔率过高的技术难题,本文采用响应面法和单因素法设计实验,分析激光熔覆工艺参数对气孔率的影响,并研究主要影响因素。以激光功率、扫描速度、送粉速率和搭接率为输入因子,气孔率为响应目标,建立多元回归预测模型,优化工艺参数。结果表明：当激光功率为1 015 W、扫描速度为5.1 mm/s、送粉速率为0.6 r/min、搭接率为40%时,涂层气孔率降低至0.22%,满足工程应用要求。涂层组织均匀,主要由胞状晶、树枝晶和二次枝晶组成。涂层硬度约为基体的1.6倍,磨损率降低至基体的1.5%。研究结果为无磁钻具表面强化提供了低气孔率、高耐磨涂层的激光熔覆工艺方案,可促进该技术在石油钻探领域的工程应用。

超音速飞行器的减重设计对在300 ℃以上服役的轻质高强Al基材料提出了迫切需求。本文采用粉末热挤压工艺制备原位纳米Al₂O₃增强Al基复合材料,并通过X射线衍射仪、场发射扫描电子显微镜、透射电子显微镜、拉伸性能测试等对其微观结构和高温力学性能进行研究。结果表明：原位生成的纳米Al₂O₃颗粒(约115 nm)均匀分散于Al基体中,基体的平均晶粒尺寸约为640 nm,复合材料的硬度(HV)为148;在500 ℃热暴露100 h后,复合材料的硬度和平均晶粒尺寸基本保持不变;复合材料的室温抗拉强度为482 MPa,伸长率为5.9%,在300 ℃的抗拉强度为240 MPa,这主要归因于原位生成的纳米颗粒能够有效钉扎晶界和阻碍位错运动,使组织保持热稳定,从而显著提高了Al基复合材料的高温力学性能。

发泡是实现电磁波吸收材料轻质化的有效手段,并且电磁波在泡孔中存在多重散射,有利于提高吸波效率。本文利用多形状磁性微粉与泡孔结构的协同作用,采用机械共混与一步发泡法,将片状羰基铁(flake carbonyl iron, FCI)与球状羰基铁(spherical carbonyl iron, SCI)复合添加到聚氨酯(polyurethane, PU)基体中,制备轻质多孔聚氨酯复合泡沫(FCI/SCI/PU),研究不同质量比FCI和SCI对FCI/SCI/PU泡沫在X波段吸波性能的影响与机理。结果表明：FCI和SCI质量比为2∶1时,FCI/SCI/PU泡沫的吸波性能最佳,在12.4 GHz处达到吸收峰值,为-29.17 dB,有效吸收带宽为2.12 GHz,泡沫的密度为0.30 g/cm³。电磁波吸收性能的提高来自涡流损耗、自然共振和界面极化等多种损耗机制,以及泡孔结构带来的良好阻抗匹配性能与多重散射效应。

采用液相还原法合成结构有序,尺寸超小,Cu、Sn、Ni原子比分别为1∶1∶1、2∶1∶1、1∶2∶1、1∶1∶2的4组CuSnNi纳米颗粒催化剂,探究其CO₂电化学还原性能及催化机理。结果表明：4组催化剂都能将CO₂转化为合成气(CO+H₂)和HCOOH,Cu、Sn、Ni原子比为2∶1∶1时,催化产物HCOOH+CO的法拉第效率可达到40%,其中HCOOH选择性可达到29%,合成气中H₂/CO物质的量比在所有电位范围内都保持在4~5;而Cu、Sn、Ni原子比为1∶1∶2时,H₂/CO物质的量比可调范围最大(5~17),H₂/CO物质的量比与元素比有关,而与熵值无关。Cu、Sn、Ni原子比为2∶1∶1的催化剂的稳定性最好。CuSnNi中不同金属原子与表面不饱和位点之间的强相互作用能调节不同金属原子的电子结构,并优化催化剂表面对不同中间产物的吸附和解吸强度。

稀土铪酸盐具有低热导、高熔点、优异的高温相稳定性和良好的抗环境腐蚀性能等优点,在新一代航空发动机热端部件用热/环境障涂层材料中展现出广阔的应用前景。本文重点展开稀土铪酸盐材料作为热/环境障涂层方面的阐述,归纳总结了其抗水蒸气腐蚀、抗熔融钙镁铝硅酸盐(CaO-MgO-Al₂O₃-SiO₂)腐蚀、抗熔盐腐蚀以及抗水蒸气-熔融钙镁铝硅酸盐耦合环境腐蚀等方面的研究进展,并对其未来发展方向进行展望。

本文在5、15、25 ℃对90 ℃的BeSO₄饱和溶液进行冷却结晶,再将BeSO₄粉末煅烧得到BeO粉末,对BeO粉末进行球磨、喷雾造粒、压制、烧结制备出BeO陶瓷,研究冷却结晶温度对BeO粉末形貌和粒度以及BeO陶瓷形貌和性能的影响。结果表明：随冷却结晶温度降低,BeO粉末的粒度减小,同时BeO颗粒的形状更加均匀规则。当冷却结晶温度由25 ℃降低至5 ℃时,BeO陶瓷的密度由2.86 g/cm³提升至2.93 g/cm³,抗弯强度由243 MPa提升至270 MPa,热导率由247 W/(m·K)提升至292 W/(m·K)。

全陶瓷微封装(full ceramic microencapsulated, FCM)燃料的最终性能受制造过程中多种因素的影响,仅依赖实验手段研究这些因素的影响存在较大挑战。本研究采用有限元方法模拟FCM燃料芯块的热压烧结过程,系统分析烧结温度、加载压力、基体孔隙率以及三结构各向同性(tri-structural isotropic, TRISO)颗粒体积分数对烧结过程中各组元应力的影响。同时,借助机器学习方法对不同参数组合的模拟结果进行深入探讨,以揭示各因素与各组元应力之间的关联性,并进行实验验证。结果表明：通过有限元与机器学习方法相结合,可以定性地反映各烧结工艺参数对烧结应力的影响,其结果与实验数据一致性较好。

GH3536合金在高温下能保持稳定的性能,被广泛应用于涡流器、发动机叶片等耐高温零部件。本文采用激光粉末床熔融工艺,以分区块旋转扫描方式制备GH3536合金块体,通过扫描电镜和电子背散射衍射表征合金表面的显微组织,并测试打印态合金室温下的力学性能和显微硬度。结果表明：GH3536合金内部存在少量孔隙和裂纹,水平面(XOY面)和建造面(XOZ面)组织差别较大,前者存在相互平行的扫描轨迹,后者存在熔池,在熔池边界晶粒细小,位错密度较高。合金平行于XOY面和平行于XOZ面的室温抗拉强度分别为878 MPa和762 MPa,伸长率分别为32%和42%。合金拉伸断口处存在大量细小的韧窝,XOY方向和XOZ方向的显微硬度(HV_0.2)分别为308和299。