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2021年 26卷 5期
出版日期：2021-10-15
工艺技术
理论研究
理论研究
387
Ni、Co、Al掺杂尖晶石LiMn
2
O
4
的第一性原理计算
李旭, 王建川, 杜勇
针对分别掺杂Ni、Co、Al的尖晶石LiMn
2
O
4
,采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,分析反铁磁层和铁磁层沿[001]方向交替排列的磁性构型的合理性。结果表明,此磁结构下表现出Mn
3+
/Mn
4+
沿[001]方向交替排列的价态分布。Ni、Co、Al三种掺杂原子都倾向于替换Mn
3+
层上的Mn,占据16d位后价态表现为Ni
2+
、Co
3+
和Al
3+
。Al与Ni掺杂均能抑制掺杂点位的Jahn-Teller畸变,且Ni掺杂后其最近邻的Mn
3+
被氧化为Mn
4+
,使结构更稳定,而Co掺杂可能导致更严重的Jahn-Teller畸变。Al
3+
和Co
3+
可显著降低Li离子的两条路径扩散能垒,Ni
2+
在Mn
4+
的协同作用下可进一步降低低能垒路径的能垒。
2021 Vol. 26 (5): 387-395 [
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396
Cr-Al和Cr-V体系BCC相的扩散动力学研究
靳有良, 刘钰玲, 杜勇, 刘辉新, 文诗艺, 闵倩辉, 都昌发, 张书彦, 初铭强
实验制备Cr/Cr-Al和Cr/Cr-V扩散偶,结合电子探针显微分析技术,通过Sauer-Freise方法计算获得Cr-Al和Cr-V体系体心立方相(BCC相)在1 273~1 473 K温度范围内随成分变化的互扩散系数,并利用误差传递公式计算互扩散系数的误差区间。同时基于文献报道的Cr-Al和Cr-V体系的热力学参数、自扩散和杂质扩散原子移动性参数以及实验获得的互扩散系数,采用CALPHAD(calculation of phase diagrams)方法在DICTRA(diffusion controlled transformation)软件中优化获得Cr-Al和Cr-V体系BCC相的原子移动性参数,并进一步预测扩散偶在不同条件下扩散退火后的互扩散系数和成分距离曲线。通过将预测结果与实验数据进行对比,发现预测的互扩散系数和成分距离曲线与实验数据具有较好的一致性。结果表明,利用DICTRA软件优化获得的原子移动性参数可靠,可以很好地预测Cr-Al和Cr-V体系BCC相在不同温度下的扩散过程。本文对Cr-Al和Cr-V体系BCC相扩散动力学的研究结果丰富了钛基合金的动力学数据库。
2021 Vol. 26 (5): 396-403 [
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工艺技术
404
旋锻钨合金的残余应力及动态力学性能
林泽华, 康俊, 周永贵, 周承商, 闫文敏
以W、Ni、Fe粉末为原料,采用冷等静压成形和真空烧结工艺制备成分为95W-3.5Ni-1.5Fe的钨合金,然后进行变形量分别为15%、30%和40%的旋锻变形,利用扫描电镜观察、电子背散射衍射分析、X射线衍射分析、霍普金森压杆(SHPB)及实弹靶试等手段分析和测试合金的微观组织、动态力学性能和应力分布。结果表明：钨合金经旋锻变形后,钨颗粒被拉长,从球状变为橄榄状。经过40%变形量的旋锻加工,钨合金的静态抗拉强度与硬度(HRC)分别从983 MPa与28.9提升至1 434 MPa与46.1,伸长率从11.9%下降至4.6%。合金内部存在残余压应力,主要分布在钨颗粒与颗粒之间,以及Ni-Fe黏结相中。旋锻钨合金在应变速率约为1.2×10
3
s
-1
下冲击时具有较高的应变率,为4.9%,且在侵彻钢靶时表现出“自锐”性。
2021 Vol. 26 (5): 404-411 [
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412
放电等离子烧结电场下Ni-Al体系FCC相的扩散行为
王飞, 刘钰玲, 都昌发, 闵倩辉, 刘辉新, 文诗艺, 杜勇
采用熔炼法制备Ni-9Al(摩尔分数,%)合金和纯Ni,然后组成Ni/Ni-Al/Ni FCC单相扩散偶在放电等离子烧结炉中进行扩散退火,结合电子探针显微分析(electronic probe micro analysis,EPMA),得到Ni-Al体系FCC相在1 173~1 373 K时SPS电流作用下扩散后的成分距离曲线(即Al含量分布曲线),并采用Sauer-Freise方法与经验公式计算扩散系数,同时基于无外场影响下的原子移动性参数模拟无电流作用的成分距离曲线并计算扩散系数。将模拟的成分距离曲线与实验得到的成分距离曲线进行对比。结果表明,电流对Ni-Al合金原子扩散存在促进作用。电流方向对Ni-Al合金扩散无明显影响,不同电流方向下的成分距离曲线与扩散系数重合度高,故电迁移对Ni-Al合金扩散的影响可忽略。施加电流对扩散频率因子影响不大,但使扩散激活能明显降低。
2021 Vol. 26 (5): 412-418 [
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419
Ti-Cr-Mn三元系的相关系实验研究
李佳辉, 胡汀, 蔡格梅
通过对Ti-Cr-Mn平衡合金进行电子探针(EPMA)和X射线衍射(XRD)分析,构建Ti-Cr-Mn三元系在1 373、1 173和973 K的等温截面。结果表明,Cr在TiMn
2
(Laves C14)中具有很大的固溶度(摩尔分数),在973 K约为 57.8%,在1 373 K时达到60.5%,由于晶体结构的差异,TiMn
2
和TiCr
2
,不能形成连续固溶体。TiMn
1-
x
相在1373K稳定存在。Ti在高温σ-H相中的固溶度(摩尔分数)为6.7%,高于其在低温σ-L相中的固溶度。在973~1 373 K温度范围内,Ti-Cr-Mn体系中没有发现三元化合物。本研究测定的Ti-Cr-Mn三元系在973~1 373 K范围的相关系可对应用于该温度范围的Ti-Mn基储氢合金制备提供一定的理论指导。
2021 Vol. 26 (5): 419-427 [
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428
添加Fe-Ni粉对Fe-4Ni-0.4C低合金钢组织与性能的影响
王新月, 李松林, 刘向阳, 于永亮, 袁勇, 郑日升
添加Fe-20Ni预合金粉末替代部分还原Ni粉作为Ni源,制备粉末冶金Fe-4Ni-0.4C低合金钢,测定低合金钢的密度、硬度与抗拉强度,并通过光学显微镜(OM)、X射线能谱分析(EDS)及扫描电镜(SEM)观察和分析材料的显微组织与结构,研究添加纳米晶Fe-20Ni预合金粉末对低合金钢组织和性能的影响。结果表明,添加Fe-20Ni预合金粉末可使Fe-4Ni-0.4C低合金钢组织分布更均匀,减少Ni的富集。当Fe-20Ni预合金粉的添加量 (质量分数,下同)为10%,压制压力为800 MPa时,合金的综合力学性能最好,与不添加Fe-20Ni预合金粉末的材料相比,抗拉强度提高14.9 MPa。
2021 Vol. 26 (5): 428-435 [
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436
启闭机活塞杆表面高焓等离子喷涂Cr
2
O
3
·5SiO
2
·3TiO
2
/CoNiCrAlY梯度陶瓷涂层性能
程新闯, 伏利, 陈小明, 赵坚, 毛鹏展, 刘伟, 张磊
为了解决曹娥江大闸期启闭机活塞杆的磨损问题,利用高焓等离子喷涂技术制备黏结层为CoNiCrAlY,面层为Cr
2
O
3
·5SiO
2
·3TiO
2
的梯度陶瓷涂层,表征和分析了CoNiCrAlY/Cr
2
O
3
·5SiO
2
·3TiO
2
梯度陶瓷涂层的微观组织结构、显微硬度、孔隙率、结合强度、冲击韧性、抗磨损性能等,并分析陶瓷涂层的磨损机理。结果表明：涂层的平均孔隙率约为0.52%,平均显微硬度约为1 334.6 HV
0.2
,结合强度均值达到61.7 MPa,抗摩擦磨损性能约为基体45
#
钢的87.4倍,Cr
2
O
3
·5SiO
2
·3TiO
2
涂层具有优良的抗磨损性能。Cr
2
O
3
·5SiO
2
·3TiO
2
涂层磨损机理为磨粒磨损和断裂剥落。利用高焓等离子喷涂CoNiCrAlY/Cr
2
O
3
·5SiO
2
·3TiO
2
梯度陶瓷涂层已经在曹娥江大闸启闭机活塞杆上取得了良好的应用效果。
2021 Vol. 26 (5): 436-441 [
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442
表面活性剂对Mg
2
TiO
4
微波陶瓷注射成形喂料流变性能的影响
石原, 刘绍军
分别添加硬脂酸(SA)、油酸(OA)、γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷(KH560)和γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(KH570)等4种表面活性剂对Mg
2
TiO
4
粉末进行改性,通过红外分析和粒度测试,研究表面活性剂对Mg
2
TiO
4
粉末粒径分布的影响和作用机理。并用改性前后的Mg
2
TiO
4
粉末制备装载量(体积分数)为44%的注射成形喂料,通过表征粉末喂料的黏度、最大装载量
φ
max
、流变激活能和屈服应力来研究不同改性剂对喂料流变性能的影响。结果表明：表面活性剂通过化学吸附与Mg
2
TiO
4
粉末相接,可有效减少粉末团聚。用OA对Mg
2
TiO
4
粉末进行改性可使喂料黏度从39.55 Pa·s显著下降到5.43 Pa·s(剪切速率为100 s
-1
),激活能从62 kJ/mol下降到38 kJ/mol,并且在170 ℃得到最低的屈服应力12 Pa (改性前为1 832 kPa)。 用KH560改性的喂料
φ
max
最大,为135%。
2021 Vol. 26 (5): 442-450 [
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451
聚酰胺酸盐法制备聚酰亚胺/绢云母复合胶黏剂的性能
向雨, 郎峰, 魏梦玲, 李笃信
为了获得性能稳定的聚酰亚胺(polyimide,PI)胶黏剂,在3,3′,4,4′-二苯酮四酸二酐(BTDA)、2,2′-双[4-(4-氨基苯氧基)苯基]丙烷(BAPP)和4,4′-二氨基二苯甲烷(MDA)三元单体共缩聚合成聚酰亚胺的基础上,添加三乙胺(TEA)合成聚酰胺酸盐(polyamic acid salt, PAAS)前躯体,并用有机绢云母进行改性,得到PI/绢云母复合胶黏剂。对胶黏剂进行DSC分析、黏结强度测试和动态力学性能测试。结果表明：与纯PI胶黏剂相比,PI/绢云母复合胶黏剂的储藏稳定性、热稳定性、黏结强度及阻尼性能均显著提高。DSC分析过程中,绢云母含量(质量分数)为3%的复合黏结剂在质量损失5%时的温度(
T
5
)和质量损失10%时的温度(
T
10
)比PI黏结剂分别提高25 ℃和21 ℃,同时黏结强度高达约20.0 MPa,比纯PI提高29.7 %。
2021 Vol. 26 (5): 451-455 [
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456
钛过渡层对铝/钢爆炸复合板界面特性与力学性能的影响
张文鼎, 李慧中, 梁霄鹏, 曾智恒
采用爆炸复合工艺制备具有Ti过渡层的Al/钢复合材料,得到Al/Ti/钢(1060/TA1/Q235B)三层爆炸复合板,对该复合板进行界面特性表征与力学性能测试。结果表明：Al/Ti/钢复合板中的Al/Ti界面为正弦波形,Ti/钢界面为锯齿形,界面结合良好。Al/Ti界面和Ti/钢界面间均形成漩涡状熔融区,未出现脆性金属间化合物区域。Al元素和Fe元素在钛层的热扩散层厚度分别为3 μm和3.2 μm,相较于Al/钢界面的热扩散层厚度分别提高76.5%和77.8%。Ti过渡层的加入使Al/钢复合材料的界面拉脱强度由149.88 MPa提高至178.22 MPa,界面剪切强度由75.20 MPa提高至Al/Ti界面的95.55 MPa和Ti/钢界面的332.65 MPa。
2021 Vol. 26 (5): 456-464 [
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465
CeO
2
-C复合空心球改性硫正极的电化学性能
李能, 秦碧徽, 黄苏萍, 肖奇
本文以酚醛树脂(APF)和六水合硝酸铈(Ce(NO
3
)
3
·6H
2
O)为原料,采用无溶剂模板法制备CeO
2
-C复合空心球,并通过X射线衍射仪、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、傅里叶红外光谱等测试方法对其进行表征。以商业化导电碳黑作为硫载体,将CeO
2
-C复合空心球作为添加剂改性硫正极材料,并进行循环伏安(CV)、恒电流充放电、电化学阻抗(EIS)等电化学性能测试。结果表明：CeO
2
-C复合空心球改性后的硫正极材料具有较好的电化学性能,其在0.2C下的初始放电容量可达到1 125 mAh/g;在1C下循环500圈,每圈的容量损失率仅为0.083%。以商业化导电碳黑作为硫载体,通过添加少量CeO
2
-C复合空心球改性剂制备硫正极,能够在不改变目前锂硫电池制备工艺的前提下,有效提升锂硫电池的电化学性能,显示出巨大的应用潜力。
2021 Vol. 26 (5): 465-474 [
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475
钛酸锶微/纳米颗粒的体外炎症反应
刘文涛, 吴宏, 周吉祥
采用细胞与材料直接作用的方式研究钛酸锶微/纳米颗粒刺激RAW 264.7细胞产生的生物学反应。利用扫描电子显微镜(scanning electron microscope, SEM)、激光粒度仪、X射线衍射仪及比表面积测定仪表征材料的理化性质。采用CCK-8检测和活/死细胞染色法评估钛酸锶微/纳米颗粒对RAW 264.7细胞增殖活性的影响;采用SEM观察细胞的形态变化;采用RT-qPCR技术检测在钛酸锶微/纳米颗粒刺激作用下RAW 264.7细胞炎性细胞因子基因的表达;采用免疫荧光染色技术检测RAW 264.7细胞诱导型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase, iNOS)的表达。结果表明,微米和纳米钛酸锶颗粒成分组成均一,皆为不规则形状,微米钛酸锶颗粒平均粒径为1 085.0 nm,比表面积为1.72 m
2
/g,纳米钛酸锶颗粒平均粒径为505.2 nm,比表面积为2.94 m
2
/g。微米和纳米钛酸锶颗粒对RAW 264.7细胞第24 h、72 h活性并无影响。在微/纳米钛酸锶颗粒的刺激下RAW 264.7细胞向多边形发展,并具有更大的贴附面积。微米钛酸锶颗粒刺激RAW 264.7细胞高表达iNOS、白细胞分化抗原(cluster of differentiation, CD)86、肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor, TNF)-α和白细胞介素(Interleukin,IL)-6基因。纳米钛酸锶颗粒刺激RAW 264.7细胞高表达iNOS和TNF-α基因,而IL-10基因的表达显著下调。微米和纳米均刺激RAW 264.7细胞高表达iNOS,诱导RAW 264.7细胞向M1表型极化,产生炎症反应,并且微米钛酸锶颗粒诱导的炎症反应更显著。
2021 Vol. 26 (5): 475-482 [
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