通过第一性原理计算,研究过渡金属(transition metal, TM)元素掺杂氮化钽(Ta₇TMN₈,TM=Ti、V、Cr、Y、Zr和Hf)的结构稳定性、力学性能和电子结构。根据对结构和稳定性的计算结果可知,所有的掺杂化合物均能量稳定,Ta₇TiN₈在能量上比其他掺杂化合物更有利;Y、Zr和Hf的掺入使得TaN晶格和体积膨胀,而Ti、V和Cr则相反。通过对力学性能的计算可知,Ti和V的掺入对TaN的剪切模量、弹性模量和理论硬度有较明显的提升,掺Cr对TaN的体积模量有一定的提升,但是会大幅降低理论硬度。基于Ta₇TMN₈总态密度和分态密度计算结果,费米能级附近存在态密度,表明所有化合物都具有金属性质,由于Ti-3d、V-3d和Cr-3d轨道在费米能级上的贡献比其他TM原子大得多,使得Ta₇TiN8、Ta₇VN₈和Ta₇CrN₈具有更高的金属性。

采用相场模拟结合烧结实验,研究溶质元素晶界偏析影响下的纳米氧化铝晶粒生长行为及其动力学规律。通过在氧化铝多晶晶粒生长的相场模型中引入溶质拖拽效应,并将溶质拖拽强度与晶内溶质原子浓度和原子平衡偏聚比联系起来,研究不同溶质原子在晶界上的平衡偏聚比和初始晶内溶质原子浓度时氧化铝晶粒的长大行为,并定量分析不同溶质拖拽强度下氧化铝晶粒的异常长大现象。通过比较晶粒的平均尺寸和形貌演变,证明相场模拟结果与实验中氧化镧掺杂的纳米氧化铝晶粒长大行为相吻合。结果表明：在极强溶质拖拽效应下,氧化铝晶粒的生长受到明显抑制,晶粒生长缓慢,而低溶质拖拽效应对氧化铝晶粒生长的抑制效果不明显。从模拟的微观组织演变结果上看,晶界偏析也有可能引发少数氧化铝晶粒的异常长大,特定晶粒在生长过程中可能克服溶质拖拽效应从而快速长大,造成材料性能的损失。

计算机模拟技术的迅猛发展,为陶瓷刀具材料的性能预报和高通量制备提供了理论和技术支持。本文基于Python软件构建含有石墨烯(graphene, 缩写为G)和碳纳米管(carbon nanotube, CNT)的WC陶瓷刀具材料微观结构的参数化模型与力学性能预报模型,研究G-CNT对WC刀具材料微观组织与裂纹扩展行为的影响规律。结果表明：与单一G相比,三维G-CNT空间结构可进一步提升WC陶瓷刀具材料的性能,G-CNT的质量分数为0.4%时,刀具材料的综合力学性能最优。强韧化机理主要包括G-CNT强弱界面超混杂分布、材料断裂模式转变和裂纹偏转等。

作为电镀和热喷涂的替代技术,超高速激光熔覆技术自问世以来备受瞩目。通过与常规激光熔覆技术对比,阐明超高速激光熔覆的技术原理;与电镀、热喷涂、常规激光熔覆等技术对比,分析其技术特点和优势。从设备、材料、工艺、组织和应用等方面综述超高速激光熔覆技术的研究现状,分析该技术的不足,并对其研究及应用发展提出建议。

本文结合实验和模拟,系统研究了放电等离子体烧结(spark plasma sintering, SPS)制备自钝化钨合金(self-passivation tungsten alloys, SPTAs)块体时的温度场、电流场对其组织均匀性的影响,建立烧结温度、时间、电流密度与块体微观组织的关系。结果表明：不同尺寸SPTAs块体在SPS固结时的温度沿径向分布不均,致使测量温度远低于样品实际温度。结合显微组织表征,发现提高样品烧结时的电流密度可缩短烧结时间,对获得细晶、均质结构样品有积极作用,但需要考虑样品因径向温度梯度引起的晶粒尺寸差异。本研究可为大尺寸SPTAs块体的SPS制备工艺设计提供参考。

采用熔炼铸造法制备复合添加Zr、Cr及复合添加Zr、Cr和Yb的2种Al-Zn-Mg-Cu合金。采用金相显微镜、透射电镜和扫描电镜观察合金的显微组织,并进行力学性能和抗腐蚀性能测试。结果表明：AlZnMgCu-Zr-Cr-Yb合金经固溶处理后始终保持以小角度晶界为主的纤维状组织,这归因于合金中析出的大量细小(10~20 nm)、弥散分布的(Al,Cr)₃(Zr,Yb)相,阻碍了位错和晶界迁移,明显抑制基体再结晶。由于Yb元素的加入,合金的硬度、强度、伸长率和断裂韧性提高,断裂韧性由24.2 MPa·m^1/2提高到32.4 MPa·m^1/2。同时,合金的抗应力腐蚀、晶间腐蚀和剥落腐蚀性能提高,应力腐蚀开裂临界应力强度因子(K_ISCC)由10.6 MPa·m^1/2提高到17.0 MPa·m^1/2,晶间腐蚀深度减小,剥蚀敏感性降低,剥蚀等级由EB+降为EA。

基于高斯热源模型、热传导模型及Flow-3D软件,建立煤矸石、聚醚砜(polyethersulfone, PES)粉末颗粒模型及煤矸石/PES (coal gangue/PES, CPES)复合材料粉末床三维模型,对CPES复合材料选区激光烧结过程进行温度场数值模拟。研究激光功率、扫描速度和扫描间距对单道和双道烧结层成形的影响规律,对烧结工艺参数的取值进行预测,并通过实验进行验证。结果表明：当激光功率为15 W时,熔池平均温度为596 K,烧结件冲击强度为179.4 MPa,熔道较平直,球化现象消失,与粉末结合良好,形成高质量的熔道;当扫描速度为1 800 mm/s时,熔池平均深度为99 μm、平均宽度为200 μm,烧结件冲击强度为173.5 MPa,熔化区域近乎圆形,熔池长度最短,熔道热量累积明显,未发现偏转现象;当扫描间距为100 μm时,熔道搭接率为60.8%,烧结件冲击强度为176.2 MPa,两条熔道之间的搭接区域表面过渡光滑且连续,无孔洞和球化现象发生。仿真结果与实验结果一致,可为复合材料烧结件烧结质量的稳定性提供保障。

本文采用电弧熔炼法制备具有单一C14 Laves相结构的Ti_xZr_1-xMnFe(x=0、0.25,摩尔分数)吸气合金,在660~700 ℃下用自制的简易Sieverts型恒容设备对ZrMnFe进行CO₂气体吸附反应测试,研究其吸附性能及其吸附CO₂气体的行为。结果表明：随温度升高,CO₂吸附量先增大后减小,在680 ℃时的最大吸附量为3.869 mmol/g,此时吸附性能最好。进行Ti掺杂获得Ti_xZr_1-xMnFe吸气合金后,吸附量较掺杂前提升19.2%,但前8 h的吸附速率从0.301 mmol/(g∙h)降低到0.119 mmol/(g∙h)。结合第一性原理对吸附机理进行研究,通过吸附能比较得出最佳吸附位置为ZrMnFe (110)表面水平取向的空位,吸附能为5.531 eV。对态密度进行研究发现,ZrMnFe (110)表面和CO₂气体分子之间的相互作用主要由O的2s轨道和Zr原子的4p、4d轨道的杂化导致。

对陶瓷施加一定的约束和预应力,可以改变陶瓷对冲击的破坏响应,延迟界面击溃,从而提高复合装甲的抗侵彻性能。本文介绍了陶瓷复合装甲的抗弹机理,综述了常见约束模式(轴向约束、径向约束和三维约束)对其抗弹性能的影响,以期对陶瓷复合装甲的结构设计、抗弹机理研究及应用扩展提供一定的 参考。

表面织构是陶瓷材料有效的减摩抗磨手段,能够降低陶瓷在滑动时的摩擦因数以及减少因磨损带来的损耗。本文从陶瓷表面织构的制备、类型、几何参数以及摩擦学机理出发,对其进行综合评述。首先,介绍陶瓷材料表面织构主要的制备方法(激光加工、反应离子刻蚀)。其次,讨论表面织构的类型(凸体、凹坑、凹槽、仿生织构等)以及几何参数(宽度、深度、面积占比等)对陶瓷摩擦学性能的影响。随后,分析表面织构在干滑动以及润滑条件下的摩擦学机理。在干滑动条件下,表面织构能困住磨屑以及减小陶瓷与对磨体的接触面积;在润滑条件下,表面织构能改善陶瓷在滑动时的流体动压和润湿性,这均能提升陶瓷的摩擦学性能。最后,总结与展望陶瓷表面织构目前面临的难题以及未来的研究方向。

用三氯化铁(FeCl₃)提供铁源,分别以2种不同化学结构的聚(4-苯乙烯磺酸-共聚-马来酸)(poly styrene sulfonic acid-co-maleic acid PSSMA)钠盐作为表面活性剂,采用溶剂热法制备磁响应四氧化三铁(Fe₃O₄)纳米颗粒。研究不同结构的PSSMA表面活性剂和反应条件对Fe₃O₄纳米颗粒形貌、粒径与光学性能的影响。结果表明,在强碱环境下,以n(SS)∶n(MA)=1∶1的PSSMA作表面活性剂制备的Fe₃O₄粒子表面粗糙,为近球形,粒径随水量增加而增大;在弱碱条件下,以n(SS)∶n(MA)=3∶1的PSSMA为表面活性剂制备的Fe₃O₄粒子表面光滑,为规则球形,粒径随Fe³⁺含量增加而增大。在弱碱环境下,由于PSSMA(3∶1)表面含有更丰富的磺酸基,更适合生成粒径均一、单分散性好且具有优异超顺磁性的Fe₃O₄纳米颗粒。该Fe₃O₄纳米颗粒分散体系在外磁场作用下可快速形成有序光子晶体纳米颗粒群,获得优异的可调结构色。

以气雾化Al-10Ce-0.4Sc-0.2Zr(质量分数)预合金粉末为原料,采用选区激光熔化(selective laser melting, SLM)法制备Al-Ce-Sc-Zr合金。通过光学显微镜和室温拉伸实验等研究激光功率和扫描速度对合金致密度与力学性能的影响,优化工艺参数;并采用X射线衍射仪、扫描电镜、透射电镜等研究最佳工艺参数下SLM成形的合金共晶组织形貌、物相组成和晶粒尺寸等。结果表明,激光功率和扫描速度跟合金致密度和力学性能之间呈非线性关系;随激光能量密度升高,合金致密度和力学性能先上升后下降。在激光功率为350 W、扫描速度为2 000 mm/s的最优参数下成形的Al-Ce-Sc-Zr合金,致密度达到99.92%,抗拉强度和屈服强度分别为(441±3) MPa和(370±18) MPa,伸长率为(9.4±0.9)%。SLM成形Al-Ce-Sc-Zr合金具有柱状晶和等轴晶交替分布的晶粒组织,晶粒取向较随机,不存在明显的织构。合金由α-Al和Al₁₁Ce₃相组成,Sc、Zr原子主要以固溶的形式存在于α-Al中,共晶Al₁₁Ce₃相为不规则的条带状,平均宽度为35 nm,排列成不连续的复杂网络,共晶组织十分精细,且分布均匀。

传统方法制备复杂构件的硬质合金产品难度大,成本高,影响了硬质合金的持续发展。采用挤出式3D打印成形硬质合金打印样,经溶剂脱脂、热脱脂和气压烧结制备WC-10Co硬质合金样品,研究打印参数、脱脂工艺和烧结温度对样品的显微组织与力学性能的影响。结果表明,采用不同的喷嘴尺寸,可调节打印样的表面粗糙度与尺寸精度,使用溶剂-热脱脂两步法脱脂后脱脂坯形状与尺寸稳定,烧结后该合金的组织分布均匀,在1 450 ℃烧结后合金硬度为87.3 HRA,抗弯强度超过3 500 MPa,性能媲美常规粉末冶金方法制备的合金。

以Si粉和Ta₂O₅粉为原料,采用包埋反应工艺在C/C复合材料表面制备SiC涂层和SiC-TaC复合涂层,通过X射线衍射、扫描电镜和高温等离子火焰(2 300 ℃左右)烧蚀实验,研究TaC对SiC涂层微观结构、高温耐烧蚀性能的影响和影响机理。结果表明：TaC可有效提升SiC涂层的高温耐烧蚀性能。经30 s等离子火焰烧蚀后,SiC涂层的质量烧蚀率和线烧蚀率分别为(0.189 2±0.080 0) mg/s和(1.386 7±0.120 0) μm/s,而SiC-TaC复合涂层的质量烧蚀率和线烧蚀率分别为(0.062 7±0.050 0) mg/s和(0.893 9±0.070 0) μm/s,比SiC涂层的质量烧蚀率和线烧蚀率分别降低66.86%和35.54%。SiC-TaC复合涂层的高温耐烧蚀性能提高主要与涂层的高温稳定性增强及烧蚀过程中熔融Ta₂O₅相的自愈合作用有关。

分别以Fe(NO₃)₃∙9H₂O和Na₂S∙9H₂O作为Fe源和S源,用镍网(nickle mesh, NM)作为Ni源与支撑基底,采用两步水热法合成Ni₃Fe/Ni₃S₂析氧催化剂,通过X射线衍射、X射线光电子能谱、扫描电镜和透射电镜分析催化剂的显微组织与形貌,用电化学工作站进行电化学性能测试。结果表明：两步水热法合成的Ni₃Fe/Ni₃S₂催化剂为丰富立体的纳米花形貌,这种形貌可提升催化剂的空间利用率。Ni₃S₂暴露出高折射率的$\{\bar{2}10\}$晶面,与Ni₃Fe的(111)晶面产生协同效应,从而提升了催化活性。在1 mol/L的KOH溶液(25 ℃)中,10 mA/cm²电流密度下Ni₃Fe/Ni₃S₂/NM的析氧过电位为229 mV,在5.35 mol/L的KOH溶液(80 ℃)中,600 mA/cm²电流密度下的过电位为335 mV,且经6 000圈循环伏安法循环后,过电位衰减率仅为2.39%,说明该催化剂具有良好的析氧性能和稳定性。

选用TiO₂、MgO、CaCO₃作为矿化剂,在空气气氛下采用常压烧结工艺制备多孔氧化铝陶瓷。研究MgO、CaCO₃含量以及保温时间对氧化铝陶瓷室温抗弯强度、烧结收缩率、显气孔率、密度和溶解效率的影响。结果表明：添加MgO、CaCO₃矿化剂均能降低陶瓷的收缩率、室温抗弯强度和密度,提高显气孔率和溶解效率。含有MgO的样品在1 320 ℃/3 h烧结后的收缩率从1.75%降至0.21%,显气孔率由33.49%升至36.86%;在1 320 ℃/6 h烧结后的收缩率从1.88%降至0.38%,显气孔率从32.94%升至35.46%。含有CaCO₃的样品在1 320 ℃/3 h烧结后的收缩率从0.55%降至-0.50%,显气孔率由35.47%升至41.26%;在 1 320 ℃/6 h烧结后的收缩率从1.16%降至-0.21%,显气孔率从35.96%升至42.44%。终烧保温时间由3 h延长至6 h,含有MgO、CaCO₃矿化剂的样品收缩率提高,室温抗弯强度变化不明显,含有MgO的样品显气孔率降低,含有CaCO₃的样品显气孔率提高。MgO、CaCO₃能明显提高陶瓷样品的溶解效率,仅含有TiO₂矿化剂的样品碱煮(加助溶剂LiF)72 h后质量几乎未变;含有MgO矿化剂的样品碱煮(未加助溶剂)24 h均能完全溶解;含有CaCO₃矿化剂的样品碱煮(加助溶剂)72 h后完全溶解。

采用简单固相法制备K掺杂O3型Na_0.9-xK_xCu_0.22Fe_0.30Mn_0.48O₂ (x=0、0.05、0.1)正极材料,通过X射线衍射仪、扫描电镜、透射电镜及电化学实验,分析和研究材料的结构稳定性和电化学性能。结果表明：K掺杂可增强材料的结构稳定性,同时Na⁺的扩散速率和材料的电化学可逆性显著提升。K掺杂使O3→P3相变发生得更早更快,有利于提升O3型正极材料的能量效率。O3型Na_0.85K_0.05Cu_0.22Fe_0.30Mn_0.48O₂正极材料具有优异的循环稳定性,在0.5 C倍率下循环150次后容量保持率为88.6%。K掺杂成本低廉、操作简单,有助于推动稳定的高性能钠离子电池的产业化发展。

为开发高效稳定的析氢电催化剂,采用恒电流电沉积法在镍网基底上制备自支撑的Ni-Sn-B析氢电极,通过扫描电镜、X射线衍射仪、透射电镜、X射线光电子能谱仪和电化学工作站等对电极的形貌结构、元素组成与电催化析氢性能进行表征和测试。结果表明,Ni-Sn-B电极表面由粗糙的胞状颗粒紧密堆积而成,具有非晶态特征结构。在碱性电解质中,Ni-Sn-B电极表现出优异的催化析氢活性和稳定性,在10 mA/cm²电流密度下过电位仅为63 mV,比Ni-Sn和Ni-B电极的过电位分别降低38.2%和59.1%。电极的电荷转移电阻为1.56 Ω,经过5 000次CV循环和72 h电解后,仍保持非常高的析氢活性。粗糙的表面形貌及非晶态结构使电极的电化学活性表面积和催化活性位点显著增加,同时B和Sn对Ni电子结构的调控,可有效降低电荷转移阻力,从而提升电极的电催化析氢性能。

将平均粒径分别为150 μm和50 μm的SiC粉体与平均粒径分别为150 μm和50 μm的石墨粉体混合,得到粗粉末床(150 μm SiC+150 μm石墨)与细粉末床(50 μm SiC+50 μm石墨),粉末床中SiC与石墨的体积分数均为50%。采用粉末床技术对圆柱形Si₃N₄陶瓷预烧体进行放电等离子烧结,研究粗、细粉末床、预烧温度(1 400 ℃和1 500 ℃)和粉末床回收对等离子烧结Si₃N₄陶瓷圆柱体的变形程度、致密度、物相组成和显微结构的影响。结果表明,采用粗粒径粉末床、1 500 ℃预烧温度和回收使用一次的粉末床制备的Si₃N₄陶瓷圆柱体,横截面形状保持度最高,达到93%,维氏硬度和断裂韧性分别为(18.73±0.24) GPa和(3.64±0.23) MPa∙m^1/2。Si₃N₄陶瓷的主相为α-Si₃N₄,晶粒形貌为等轴状。通过引入粉末床可克服放电等离子烧结制备Si₃N₄陶瓷制品的形状限制,有望实现高性能异形Si₃N₄陶瓷的制备。

通过爆炸焊接工艺制备Ni/Cu层状复合板,通过光学显微镜、扫描电镜、电子探针和能谱仪以及拉伸、剪切和硬度实验,研究退火温度对Ni/Cu复合板显微组织和力学性能的影响规律。结果表明：随退火温度升高,复合板界面两侧Ni、Cu基体晶粒尺寸增大,界面元素扩散层厚度增加,退火温度为600 ℃时,元素扩散层厚度达到5.82 μm。200 ℃退火后复合板的硬度分布相比于爆炸态变化不大,退火温度为400 ℃和600 ℃时,界面硬度(HV1)分别为65.1和66.1,明显低于爆炸态(160.2);爆炸态及200、400和600 ℃退火后复合板的抗拉强度分别为351.6、305.9、281.7和284.8 MPa,伸长率分别为2.6%、7.8%、39.1%和39.4%;退火温度为400 ℃时,复合板的剪切强度达到最大值,为191.3 MPa,比爆炸态提高了17.5 MPa。