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2022年 27卷 4期
出版日期：2022-08-15
工艺技术
理论研究
理论研究
345
共晶Ga-Sn与10Li-GaSn的第一原理分子动力学研究
丁安, 王建川
DOI: 10.19976/j.cnki.43-1448/TF.2022014
液态共晶Ga
91.6
Sn
8.4
可作为锂离子电池的负极。本文采用第一原理分子动力学方法对Ga
91.6
Sn
8.4
和嵌锂10%(摩尔分数,%,下同)的Ga
91.6
Sn
8.4
(10Li-Ga
91.6
Sn
8.4
)的结构和动力学特性进行对比分析。结果表明,Ga
91.6
Sn
8.4
与10Li-Ga
91.6
Sn
8.4
在结构上没有明显差异,为短程有序,但Li的嵌入使得10Li-Ga
91.6
Sn
8.4
径向分布函数的第二峰出现“劈裂”,表明体系有序度增加,熔化温度提高。10Li-Ga
91.6
Sn
8.4
中,Li的嵌入使得体系中各原子的扩散系数减小,Li-Sn原子间相互吸引力明显强于Li-Ga,充电过程中,Ga
91.6
Sn
8.4
液态金属锂离子电池呈现液体向固体转变的趋势。
2022 Vol. 27 (4): 345-350 [
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351
Zr-Cr-Y体系相平衡的实验测定和热力学计算
乔慧, 胡标, 曾港, 金程刚, 高建
DOI: 10.19976/j.cnki.43-1448/TF.2022028
采用关键实验和相图计算相结合的方法对Zr-Cr-Y体系的相平衡进行研究。采用熔炼法制备8种不同成分的Zr-Cr-Y合金,借助X射线衍射和扫描电镜对Zr-Cr-Y三元系的1 000、900、800和600 ℃等温截面进行实验测定。结果表明,该体系存在BCC(Cr)+HCP(Y)+αCr
2
Zr、BCC(Zr)+HCP(Y)+αCr
2
Zr和HCP(Zr)+HCP(Y)+αCr
2
Zr等3个三相区。根据本工作获得的相平衡数据,对Zr-Cr-Y三元系进行热力学建模,采用CALPHAD(calculation of phase diagrams)方法对该三元系进行热力学优化,获得一套能准确描述Zr-Cr-Y三元系的热力学参数。计算结果与实验数据吻合较好。
2022 Vol. 27 (4): 351-359 [
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360
Al
2
O
3
-MgO和Al
2
O
3
-MgO-SiO
2
体系的热力学优化与计算
马天一, 刘钰玲, 高枫杨, 张亮, 杜勇
DOI: 10.19976/j.cnki.43-1448/TF.2022034
文献中Al
2
O
3
-MgO二元体系的热力学参数在外推至多元系时与实验数据存在偏差,本工作基于热力学数据的严格评估,采用CALPHAD(calculation of phase diagram)方法对该体系进行热力学重新优化,并在此基础上进一步完善Al
2
O
3
-MgO-SiO
2
体系的热力学描述。优化过程中,采用离子双亚点阵模型描述液相,用CEF(compound energy formalism)化合物能量模型描述固相。所得Al
2
O
3
-MgO体系和Al
2
O
3
-MgO-SiO
2
体系的相图热力学计算结果与绝大部分实验数据相吻合,是构建Al
2
O
3
-SiO
2
-MgO-CaO-Fe
2
O
3
-Na
2
O六元体系热力学数据库的基础,并可为大宗铝硅酸盐固废材料化设计与高值化应用提供理论依据。
2022 Vol. 27 (4): 360-371 [
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工艺技术
372
半固态粉末成形温度对Mg-6Zn-
x
Mn显微组织和力学性能的影响
杨上挥, 罗霞, 李铭宇, 刘嘉兴, 吕春阳, 黄静, 包菲菲, 黄本生
DOI: 10.19976/j.cnki.43-1448/TF.2022050
使用金属镁、锌、锰粉为原料,采用半固态粉末成形法在540~600 ℃下制备Mg-6Zn-
x
Mn(
x
=0.5%和1.0%,质量分数)合金,通过光学显微镜、X射线衍射仪、扫描电镜、显微硬度仪、万能试验机、电化学测试等表征和测试手段,研究成形温度对合金物相和晶粒大小、抗压强度和显微硬度,以及耐腐蚀性能的影响。结果表明,随成形温度升高,合金的相对密度和平均晶粒尺寸增加,但显微硬度和抗压强度降低。成形温度从540 ℃升高至 600 ℃,Mg-6Zn-0.5Mn和Mg-6Zn-1.0Mn合金的抗压强度从382.8 MPa和372.1 MPa下降至348.9 MPa和353.1 MPa(分别下降约8.9%和5.4%),主要是由于成形温度升高,晶界处生成更多的氧化物夹杂,从而使合金的抗压强度降低。合金的显微硬度(HV)均在95.1以上,600 ℃成形的Mg-6Zn-0.5/1.0Mn合金具有最好的耐腐蚀性能,电化学腐蚀速率分别为0.263 mm/a和0.183 mm/a。
2022 Vol. 27 (4): 372-381 [
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382
短碳纤维增强铜复合材料的计算细观力学模型及力学性能
何东浪, 方华婵, 李郁兴, 李金伟
DOI: 10.19976/j.cnki.43-1448/TF.2022016
针对粉末冶金法制备的短碳纤维增强铜复合材料(C
Sf
/Cu),采用有限元方法建立细观力学模型,研究材料的拉伸损伤演化和断裂力学行为,并分析弱界面对复合材料拉伸性能的影响。结果表明,C
Sf
/Cu复合材料的拉伸过程可分为弹性阶段、塑性硬化阶段、起始损伤阶段和损伤演化阶段。纤维端部的应力集中造成端部界面脱黏、轴向界面的损伤演化以及纤维桥联,基体损伤及其伴随的界面损伤造成基体破坏是材料断裂的主要机制。碳纤维长度大于60 μm时,纤维的轴向应力分布呈现“w”形,纤维有较强的承载能力;纤维长度为20 μm时,纤维几乎没有承载能力。纤维承受载荷越高,越容易造成界面破坏,随纤维长度从20 μm增加到140 μm,C
sf
/Cu复合材料的抗拉强度从146 MPa下降到102 MPa。
2022 Vol. 27 (4): 382-388 [
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389
致密化温度及界面类型对SiC
f
/SiC Mini复合材料结构与力学性能的影响
王铎, 陈招科, 何宗倍, 张瑞谦, 熊翔
DOI: 10.19976/j.cnki.43-1448/TF.2022010
利用化学气相渗透(chemical vapour infiltration, CVI)在SiC纤维束中引入PyC(pyrolytic carbon, 热解碳)界面和(PyC/SiC)
3
多层界面,并分别在1 050 ℃和1 250 ℃下对含PyC界面SiC纤维束、1 050 ℃下对含(PyC/SiC)
3
多层界面纤维束进行SiC基体增密,制备出不同界面类型和基体结构的SiC
f
/SiC(continuous SiC fiber reinforced SiC matrix) Mini复合材料。研究界面类型和基体致密化温度对SiC
f
/SiC Mini复合材料微观结构和拉伸断裂行为的影响。结果表明,SiC
f
/SiC Mini复合材料内部纤维和基体间的界面清晰,界面厚度约300 nm。1 050 ℃致密化的PyC界面SiC
f
/SiC Mini复合材料的抗拉强度为174 MPa,脱黏主要发生在基体与界面之间。而(PyC/SiC)
3
多层界面SiC
f
/SiC Mini复合材料抗拉强度达到540 MPa,脱黏主要发生在亚层与亚层之间。PyC界面SiC
f
/SiC Mini复合材料随基体致密化温度升高,SiC基体从细小多孔的针状转变为粗大致密的层片状,晶粒尺寸和结晶度显著提高。1 250 ℃致密化的复合材料的抗拉强度为309 MPa,呈典型的脆性断裂特征。
2022 Vol. 27 (4): 389-397 [
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398
单级时效处理对2A97铝锂合金组织、力学性能和腐蚀性能的影响
游任轩, 马运柱, 汤娅, 赵心阅, 刘文胜
DOI: 10.19976/j.cnki.43-1448/TF.2022030
为了确定单级时效制度对2A97铝锂合金组织、力学性能和腐蚀性能的影响,采用室温拉伸、晶间腐蚀、剥落腐蚀、电化学腐蚀和TEM观察等方法,对不同单级时效处理后的合金组织和性能进行表征测试。结果表明：随着时效温度升高,2A97铝锂合金达到最佳力学性能所需时间缩短。随时效温度升高、时效时间延长,合金的抗腐蚀性能下降。165 ℃时效60 h后,合金的抗拉强度、屈服强度和伸长率分别达到549 MPa、484 MPa和8.8%,晶间腐蚀等级为4级,剥落腐蚀评级EC。
2022 Vol. 27 (4): 398-408 [
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409
电磁发射CuCrZr轨道的沉积层特征与磨损机理
李郁兴, 姚萍屏, 李专, 周海滨, 王兴, 赵一博, 康丽, 邓敏文
DOI: 10.19976/j.cnki.43-1448/TF.2022023
对电磁发射实验后的CuCrZr 合金轨道进行拆解,结合扫描电镜、X射线能谱、X射线衍射、X射线光电子能谱及电子背散射衍射等,对轨道表面沿发射方向4个区域的表面沉积层特征和磨损机理进行研究。结果表明,大部分轨道表面被沉积层覆盖,沉积层的厚度沿发射方向由薄变厚再变薄,最厚处的厚度达65 μm,沉积层的主要成分为Cu、Al、Al
2
O
3
和Al
4
Cu
9
等。轨道表面出现剥落、犁沟与流水状组织,呈现附着磨屑、孔洞、塞积和胞状枝晶等典型特征,表现出机械和电气磨损的混合状态。不同区域的沉积层特征差别明显,包括厚度、孔洞尺寸及数量、沉积层内部的微观结构,以及裂纹和表面形貌等。沉积层和轨道之间的界面发生扩散行为,形成扩散界面。沉积层的晶粒取向垂直于轨道表面。
2022 Vol. 27 (4): 409-418 [
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419
热等静压成形Ti-45Al-7Nb-0.3W合金热轧板材的超塑性变形行为
彭昱钦, 李应新, 梁霄鹏, 李慧中, 车逸轩, 郭昕明
DOI: 10.19976/j.cnki.43-1448/TF.2022044
对热等静压法制备的Ti-45Al-7Nb-0.3W合金进行1 270 ℃热轧,得到合金板材,利用扫描电镜(SEM)观察板材的显微组织。对合金板材进行950 ℃、初始应变速率为1×10
-4
s
-1
的高温拉伸实验,根据拉伸应力-应变曲线与拉伸性能,以及拉伸断裂后的显微组织演变与拉伸断口形貌,研究轧制变形合金板材的超塑性变形行为。结果表明：热等静压态合金经热轧后,由近γ组织转变为双态组织,并随轧制变形量增加,热轧板材的平均晶粒尺寸减小,伸长率增加。当变形量为61%时,平均晶粒尺寸最小,为9.8 μm,板材伸长率最大,达到367.5%,抗拉强度为131 MPa。继续增加轧制变形量时,板材晶粒长大,伸长率降低。板材在超塑性变形过程中,α
2
/γ层片晶团旋转分解,并在其周围产生大量动态再结晶晶粒。板材的超塑性变形机制为晶界滑移与动态再结晶。
2022 Vol. 27 (4): 419-425 [
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426
纳米晶TaZr
2.75
C
3.75
固溶陶瓷粉末的制备与表征
蒋杰, 易茂中, 周远明, 彭可
DOI: 10.19976/j.cnki.43-1448/TF.2022019
分别以TaCl
5
和ZrCl
4
为钽源和锆源,酚醛树脂为碳源,采用溶剂热结合碳热还原法合成单相固溶陶瓷粉末TaZr
2.75
C
3.75
(TZC)。通过热力学和原子尺寸效应值计算分析碳热还原法合成TaZr
2.75
C
3.75
粉末的可行性,研究乙酰丙酮含量、金属原子浓度以及溶剂种类等工艺参数对粉末相组成、微观形貌以及粒径的影响。结果表明,通过溶剂热结合碳热还原反应,1 700 ℃可制备晶粒尺寸为纳米级的单相TaZr
2.75
C
3.75
固溶陶瓷粉末。增加乙酰丙酮的含量可以提高粉末的分散性。随着金属原子浓度的提升,粉末从球形转变为不规则形态,平均粒径从微米级(~2.13 µm)减小至亚微米级(~0.140 µm)。相比丁醇溶剂,乙醇作为溶剂可获得分散性更好、颗粒尺寸更小的粉末。
2022 Vol. 27 (4): 426-435 [
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436
真空烧结U
3
Si
2
燃料芯块的微观组织与导热性能
陆永洪, 贾代坤, 粟丹科, 潘小强, 夏季斌, 王一帆, 王挺, 张翔, 王子圳, 邱绍宇
DOI: 10.19976/j.cnki.43-1448/TF.2022064
以U
3
Si
2
粉末为原料,采用真空烧结法制备U
3
Si
2
燃料芯块,研究烧结温度对U
3
Si
2
燃料芯块密度的影响,分析U
3
Si
2
燃料芯块的铀质量浓度和杂质含量,并对燃料芯块的微观组织和导热性能进行分析和测试。结果表明,随烧结温度升高,U
3
Si
2
燃料芯块的密度先升高后降低,在1 550 ℃烧结2 h的U
3
Si
2
燃料芯块相对密度最高,约为96.7%,芯块的铀质量浓度为10.81 g/cm
3
,明显高于现役UO
2
芯块的铀质量浓度;该U
3
Si
2
燃料芯块由U
3
Si
2
、USi和UO
2
组成,芯块的热扩散系数随温度升高而逐渐增大,在500 ℃时的热扩散系数为3.95 mm
2
/s,比UO
2
芯块提高约2倍。
2022 Vol. 27 (4): 436-441 [
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442
3D打印羰基铁粉/聚二甲基硅氧烷柔性复合材料的吸波性能
张雪婷, 周毅, 肖威, 田兆霞, 刘丰华
DOI: 10.19976/j.cnki.43-1448/TF.2022025
分别以片状羰基铁粉(flake carbonyl iron, FCI)和球状羰基铁粉(spherical carbonyl iron, SCI)作吸波剂,与聚二甲基硅氧烷(polydimethylsioxlane, PDMS)混合制备成打印墨水,采用墨水直写3D打印工艺制备羰基铁粉/聚二甲基硅氧烷(CIP/PDMS)柔性复合吸波材料。研究羰基铁粉(carbonyl iron powder, CIP)的形貌和含量对墨水流变行为和3D直写打印工艺的影响,并通过CST Studio Suite电磁仿真软件研究CIP/PDMS复合吸波材料的电磁反射损耗。结果表明：CIP含量越高,复合材料的吸波性能越好,
w
(FCI)为30%时FCI/PDMS复合材料具有最佳的吸波性能,厚度为1.8 mm时对频率为10.9 GHz的电磁波具有最强吸收峰,吸收峰值为–34.8 dB,有效吸收带宽(effective absorption bandwidth, EAB, 反射损耗<-10 dB)为4.8 GHz;
w
(SCI)为80%时SCI/PDMS复合材料具有最佳吸波性能,厚度为
t
=2.4 mm时对频率为7.3 GHz的电磁波具有最强吸收峰,吸收峰值为–41.5 dB,EAB为3.6 GHz。
2022 Vol. 27 (4): 442-452 [
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