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颗粒增强金属基复合材料的强化机理研究现状
叶想平, 李英雷, 翁继东, 蔡灵仓, 刘仓理
材料工程    2018, 46 (12): 28-37.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.001214
Abstract   PDF (40898KB)
本文总结了较低颗粒体积分数(≤ 14%)的颗粒增强金属基复合材料中主要存在的Orowan强化应力、位错强化应力、颗粒承载强化应力和其他强化应力的理论研究现状,以及各项强化应力之间的耦合关系。得出以下结论:(1)降低颗粒尺寸、提高颗粒体积分数和提高颗粒分布均匀性能够同时提高Orowan强化应力和位错强化应力,提高颗粒体积分数还能够提高颗粒承载强化应力;(2)采用微观非均匀分布的颗粒包围金属基体的材料设计方法,通过提高颗粒承载强化应力和提供塑性形变区,能够进一步提高复合材料屈服强度和延展性;(3)晶界强化效应和晶格摩擦应力对复合材料屈服强度也有贡献,但较少通过增强这两项强化效应提高复合材料屈服强度,通常可忽略复合材料中的固溶强化效应;(4)各项强化应力的耦合关系存在线性叠加、乘积叠加和均方根叠加3种形式。线性叠加和乘积叠加适用于纳米颗粒增强金属基复合材料,其中乘积叠加关系应用效果更好;均方根叠加主要应用于微米级颗粒增强金属基复合材料。
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石墨烯增强金属基复合材料的制备及应用研究进展
王剑桥, 雷卫宁, 薛子明, 钱海峰, 刘维桥
材料工程    2018, 46 (12): 18-27.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2017.001534
Abstract   PDF (69078KB)
石墨烯是一种单原子层构成的二维碳质材料,具有特殊的物理性能和化学性能。石墨烯增强金属基复合材料因其优异的性能受到了越来越多的关注。本文综述了石墨烯增强金属基复合材料的制备方法,综合分析了石墨烯增强金属基复合材料在强度、导热、导电和耐腐蚀性等材料特殊性能方面的研究现状。最后,在指出探明界面结合机制重要性的基础上,展望了石墨烯增强金属基复合材料在提高性能和扩展应用范围等方面的发展趋势。
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碳化硅陶瓷基复合材料在航空发动机上的应用需求及挑战
刘巧沐, 黄顺洲, 何爱杰
材料工程    2019, 47 (2): 1-10.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2018.000979
Abstract   PDF (4836KB)
随着航空发动机推重比的不断提高,急需发展轻质、高强韧、耐高温、长寿命、抗烧蚀、抗氧化的碳化硅陶瓷基复合材料(SiC matrix ceramic composites,CMC-SiC),以满足航空发动机愈加苛刻的服役要求。本文简要介绍了CMC-SiC复合材料的特点和制备方法,综述了CMC-SiC复合材料在国外先进航空发动机热端部件上的应用进展及国内的研究现状。从工程化角度,指出了国内在高性能纤维、构件设计及制备、环境障涂层、无损检测技术、考核验证方法、修复技术等方面存在的差距及需突破的关键技术,指出了今后国内的研究目标与发展方向。
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质子交换膜燃料电池膜电极的结构优化
王倩倩, 郑俊生, 裴冯来, 戴宁宁, 郑剑平
材料工程    2019, 47 (4): 1-14.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2018.001176
Abstract   PDF (17991KB)
膜电极(membrane electrode assembly,MEA)是质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)的核心部件,为PEMFC提供了多相物质传递的微通道和电化学反应场所。为了实现燃料电池商业化目标,需要制备高功率密度、低Pt载量、耐久性好的MEA。在MEA中除了催化剂以外,各功能层结构、层与层之间的界面都对MEA的性能具有重要影响。传统方法(CCS法和CCM法)制备的MEA在结构上有很多缺陷,明显制约了Pt的利用率和系统传质能力。通过优化各功能层结构消除缺陷,将有利于进一步提升PEMFC综合性能。本文从传统MEA结构存在的问题出发,梳理了近年来关于催化层、质子交换膜和气体扩散层结构优化方面的文献,归纳总结了各先进结构的制备方法、构效关系以及优缺点,对未来高性能、低成本和长寿命的MEA的开发具有指导意义。
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石墨烯增强金属基航空复合材料研究进展
张丹丹, 沈洪雷, 曹霞, 叶煜松, 张啸, 叶历, 王梦秋
材料工程    2019, 47 (1): 1-10.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2018.000175
Abstract   PDF (746KB)
本文综述了石墨烯增强金属基航空复合材料的研究现状,归纳了该种复合材料的制备方法,讨论了石墨烯对其性能的影响及机制。指出目前高含量、排列石墨烯增强金属基航空复合材料的研究还比较缺乏,涉及的工艺参数、组织结构、界面化学及高温物理性能等相关问题仍需进一步研究,并提出未来的研究重点应由制备方法等工艺性探讨向微观复合构型设计的思路转变。
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微弧氧化技术的发展及其应用
宋仁国
材料工程    2019, 47 (3): 50-62.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2018.000582
Abstract   PDF (12957KB)
综述了国内外微弧氧化(MAO)技术的发展概况,重点介绍了微弧氧化技术的原理和工艺特点;总结了微弧氧化陶瓷膜显微组织与性能的影响因素以及应用;分析了微弧氧化技术目前存在的问题,并指出微弧氧化技术今后将向低能耗、超大型复杂轻金属构件处理及与其他表面技术复合的方向发展的趋势。
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相变储能材料及其应用研究进展
陈颖, 姜庆辉, 辛集武, 李鑫, 孙兵杨, 杨君友
材料工程    2019, 47 (7): 1-10.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2018.000876
Abstract   PDF (3577KB)
人类在面临化石能源枯竭的同时,对能量的利用率依然还停留在较低的水平。因此,在大力发展新能源的同时,着力研发节能环保新材料新技术具有十分重要的意义。相变材料(phase-change materials,PCM)是一种节能环保的储能材料,它在蓄热与温控等领域具有大规模商业应用的潜力。本文首先对相变储能材料的基本特征、工作原理以及分类等方面作了简要的介绍;并就相变储能材料在温控与蓄热等领域的应用与发展情况进行了具体的分析,指出了PCM的性能是制约其深入广泛应用的主要技术障碍。在此基础上,详细评述了PCM存在的主要问题以及针对这些问题开展的相关研究工作和最新发展动态,指出通过功能复合等新技术优化材料性能、设计新材料体系、拓展新的应用领域将是相变储能材料未来的主要发展方向。
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氧化物/氧化物陶瓷基复合材料及其制备工艺研究进展
杨瑞, 齐哲, 杨金华, 焦健
材料工程    2018, 46 (12): 1-9.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2018.000306
Abstract   PDF (30808KB)
氧化物/氧化物陶瓷基复合材料具有低密度、耐高温、抗氧化等特点,是应用于高温有氧环境的理想候选材料,在航空航天热端部件如发动机燃烧室、尾喷管等部位有着巨大的应用潜力。本文从氧化物纤维、陶瓷基体、复合材料设计以及制备工艺等方面综述了氧化物/氧化物陶瓷基复合材料的研究进展。重点阐述了氧化物/氧化物陶瓷基复合材料的设计方法,包括界面层的选择以及多孔基体的设计,详细介绍了复合材料的制备工艺,特别是预浸料工艺。最后对国外考核情况进行了简述,指出了其在航空发动机高温热端部件上的应用前景。
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石墨烯添加量对铜基复合材料性能的影响
李秀辉, 燕绍九, 洪起虎, 赵双赞, 陈翔
材料工程    2019, 47 (1): 11-17.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2017.001545
Abstract   PDF (7819KB)
采用一步化学还原法结合放电等离子烧结工艺制备石墨烯增强铜基复合材料,利用XRD、SEM、拉曼光谱、拉伸试验机、纳米压痕仪、涡流电导率仪等研究石墨烯含量对复合材料微观组织、力学性能和导电性能的影响。结果表明:石墨烯在复合材料基体中均匀分布,石墨烯的添加能显著增强铜基体的力学性能。与纯铜相比,添加0.025%(质量分数)的氧化石墨烯,可使其屈服强度提高219.8%,抗拉强度提高35.9%,弹性模量提高6.9%,此外,其导电率仍有93.1% IACS。随着石墨烯含量的增加,复合材料的屈服强度、抗拉强度及弹性模量均有所下降,这是因为高石墨烯含量复合粉体中部分石墨烯纳米片未能被铜颗粒包覆,其与铜基体界面结合强度低,石墨烯的剪切应力转移强化效果降低。
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锂离子电池硅基负极界面反应的研究进展
常增花, 王建涛, 李文进, 武兆辉, 卢世刚
材料工程    2019, 47 (2): 11-25.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2018.000450
Abstract   PDF (3319KB)
硅作为一种极具潜力的锂离子电池负极材料,已引起研究者的广泛关注。然而硅材料储锂过程中伴随着巨大的体积变化,导致电极/电解液界面不稳定,是限制硅电极商业化的主要因素之一。深入了解硅负极的界面反应机理,有助于改善硅负极的界面性质,进而提高硅负极的电化学性能。本文综述了硅负极界面反应的演化机制,包括Li-Si合金化过程、硅表面氧化硅的反应和表面纯化膜的形成,并讨论了其对硅电化学性能的影响。
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铁盐对制备MIL-100(Fe)的影响及其光催化性能
张宇, 刘湘粤, 毛会玲, 王晨, 杜嬛, 程琥, 庄金亮
材料工程    2019, 47 (3): 71-78.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2018.001261
Abstract   PDF (3708KB)
三价铁盐和二价亚铁盐作为合成MIL-100(Fe)的铁源,对所合成产物的结晶度、形貌以及尺寸具有重要影响。以二价亚铁盐作为原料,利用室温水相合成法可获得八面体形状、高结晶度、高比表面积MIL-100(Fe)纳米颗粒;以三价铁盐作为原料,只能获得尺寸更小、低结晶度的Fe-BTC金属-有机聚合物纳米颗粒。采用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、傅里叶红外光谱仪、紫外-可见漫反射光谱仪、紫外-可见分光光度计等对MIL-100(Fe)和Fe-BTC纳米颗粒的晶体结构、形貌、光吸收以及对罗丹明B(RhB)吸附和光催化降解性能进行测试表征。结果表明:Fe2+被弱碱性溶液缓慢氧化成Fe3+,进而形成MIL-100(Fe)的无机次级结构单元μ3-OFe(Ⅲ)O6,是合成高结晶度MIL-100(Fe)的关键。以FeCl3为原料时,由于Fe3+与BTC3-快速反应,不利于形成μ3-OFe(Ⅲ)O6次级结构单元,因此产物为Fe-BTC纳米颗粒聚合物。Fe-BTC纳米颗粒粒径更小,且聚集态的纳米颗粒表面具有大孔或介孔结构,更有利于吸附物种以及光降解物种的扩散,因此,Fe-BTC对RhB的吸附和光催化降解性能优于MIL-100(Fe)。
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高能微波辐照合成类石墨烯氮化碳纳米片的结构特征
邹婧叶, 余永志, 顾永攀, 岳夏薇, 孟江, 李淑萍, 王继刚
材料工程    2019, 47 (3): 1-7.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2018.000360
Abstract   PDF (4503KB)
以碳纤维为微波吸收剂,基于微波辐照法直接处理三聚氰胺,快速高效地合成类石墨烯结构的氮化碳纳米片。借助于场发射扫描电子显微镜、透射电子显微镜、原子力显微镜、X射线衍射和傅里叶变换红外光谱等分析手段,对微波合成产物进行表征。结果表明:与常规热缩聚合成的石墨相氮化碳相比,高能微波技术合成产物具有明显的纳米片特征,即成功地制备得到类石墨烯结构的氮化碳纳米片。同时,与超声剥离或氧化刻蚀得到的类石墨烯氮化碳纳米片相比,高能微波技术合成产物表面光滑平整,且可发现脆性断裂的现象,呈现出一定的刚性。
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石墨烯在锂离子电池和超级电容器中的应用展望
崔超婕, 田佳瑞, 杨周飞, 金鹰, 董卓娅, 谢青, 张刚, 叶珍珍, 王瑾, 刘莎, 骞伟中
材料工程    2019, 47 (5): 1-9.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2018.001064
Abstract   PDF (6498KB)
由于独特的结构和优异的性质,石墨烯在锂离子电池和超级电容器领域展现出潜在的应用前景,受到了科学界和产业界的广泛关注,涌现出大量的研究工作。就石墨烯在储能领域的应用进行了分析、同时对未来发展趋势进行了预判,以期加强对石墨烯结构-性能关系的理解。首先就石墨烯在锂离子电池的正极和负极中的应用,以及石墨烯在双电层电容器和赝电容电容器中的应用进行了介绍,其次,针对石墨烯应用于双电层电容器中存在的挑战进行了论述,同时针对性地提出了应用于双电层电容器的石墨烯结构。最后,提出了实现石墨烯基双电层电容器的商业化应用的"三步走路线"。
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脉冲TIG增材制造技术研究进展
郭龙龙, 贺雨田, 鞠录岩, 吴泽兵, 张勇, 吕澜涛, 王文娟
材料工程    2018, 46 (12): 10-17.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2018.000267
Abstract   PDF (30180KB)
脉冲TIG(pulsed tungsten inert gas,PTIG)增材制造技术属于电弧增材制造技术的分支,其最显著的优势是成本低、沉积率和材料利用率高,适用于大尺寸结构件的制造。本工作从实验研究和数值模拟的角度,着重介绍了PTIG增材制造成形件成形质量控制、微观组织及性能控制方面的研究成果,总结了当前研究存在的不足。基于对成形件成形质量、微观组织及性能的准确预测和主动控制,提出了PTIG增材制造技术有待深入的研究方向,即:工艺因素对成形质量的影响机理研究、缺陷形成机制及其抑制措施研究、熔池微观组织演变数值模拟研究、成形件内应力和变形的调控机制研究、微观组织与力学性能关系模型的建立。
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PEMFC用抗溺水性功能化Pt/C催化剂的制备及表征
卢璐, 吴磊, 史继诚, 徐洪峰, 丛涛泉
材料工程    2019, 47 (6): 63-69.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2018.000379
Abstract   PDF (1968KB)
催化剂的碳载体腐蚀是Pt/C催化剂催化性能下降的重要原因,并且亲水性的催化剂增加了质子交换膜燃料电池氧电极发生水淹的风险。利用过氧化氢对XC-72碳进行氧化预处理,负载Pt后,进一步用水合肼对Pt/C催化剂还原,制备耐蚀性和抗溺水性的Pt/C催化剂。对红外光谱吸收峰进行比较可知,经双氧水处理后,XC-72碳表面的含氧官能团数量增加,其接触角小于未经处理的XC-72碳;进一步用水合肼还原氧化后的XC-72碳,接触角较氧化的XC-72碳增大22.4°,抗溺水性增强。由比表面积测定可知,双氧水处理XC-72碳,比表面积下降,但中孔比例增加,有利于Pt的负载。水合肼还原后的Pt/C催化剂较还原之前的Pt/C催化剂抗溺水性增强,接触角增大6.2°。经2000周次循环伏安扫描,水合肼还原后的Pt/C催化剂电化学比表面损失减小,耐久性提高。
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金属基超疏水表面的制备及性能研究进展
张志斌, 尉小凤, 王海涛, 史雪婷, 冯利邦
材料工程    2019, 47 (5): 26-33.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2018.001388
Abstract   PDF (5563KB)
本文综述了金属基超疏水材料的研究进展,重点讨论了金属基超疏水表面的主要制备方法,比较了不同制备方法的优缺点。同时,探讨了金属基超疏水表面的各种功能特性,并分析了金属基超疏水表面目前在制备和应用中存在的主要问题。指出金属基超疏水表面未来的重点发展方向是简化制备工艺、降低成本、提高超疏水表面的耐久性和稳定性以及制备具有自修复性能的金属超疏水表面。
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Al0.1CoCrFeNi高熵合金的力学性能和变形机理
陈刚, 王璐, 杨静, 李强, 吕品, 马胜国
材料工程    2019, 47 (1): 106-111.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2018.000487
Abstract   PDF (10854KB)
Al0.1CoCrFeNi高熵合金由真空磁悬浮熔炼制备而成,利用INSTRON力学试验机进行室温准静态拉伸,采用X射线衍射仪(XRD)、光学显微镜、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和纳米压痕仪对实验前后样品的晶体结构、形貌、成分、组织、硬度和蠕变行为进行了研究。结果表明,经拉伸变形后,合金具有优异的强塑积(约为24GPa·%)、显著的应变硬化效应和更好的抗蠕变行为。试样的断裂模式为典型的微孔聚集型断裂。晶粒内部含有大量的微带组织,其带宽为200~300nm。分析认为,微观组织中的微带诱导塑性效应是合金具有优异的应变硬化能力的一个重要原因。
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碳材料在钙钛矿太阳能电池中的应用
应承展, 吕秋娟, 刘朝辉, 毕松, 侯根良, 汤进
材料工程    2019, 47 (6): 1-10.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2018.000224
Abstract   PDF (2297KB)
钙钛矿太阳能电池具有材料成本低廉、生产工艺简单、光电转换效率高等优点,发展前景十分光明。碳材料因其价格低廉、高导电性、疏水性和化学稳定性等特点,被应用在钙钛矿太阳能电池的各个组成部分,用于提高电池性能和降低成本。本文根据应用在钙钛矿太阳能电池中的碳材料的维数进行分类,分别介绍了零维的C60、碳量子点和石墨烯量子点,一维的碳纳米管,二维的石墨烯及其衍生物、石墨炔和三维的石墨等在钙钛矿太阳能电池中的应用,对于将来实现钙钛矿太阳能电池的低成本商业化和大规模制造具有重要意义。
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石墨烯及碳化硅增强铝基复合材料的冲击力学行为
杨宇凯, 张宝, 王旭东, 张虎生, 武岳, 关永军
材料工程    2019, 47 (3): 15-22.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2017.001457
Abstract   PDF (4757KB)
采用微机控制电子万能实验机和分离式霍普金森压杆(SHPB)对石墨烯增强的铝基复合材料和碳化硅增强的铝基复合材料进行准静态压缩实验和动态冲击实验,研究石墨烯增强铝基复合材料在不同应变率下的冲击力学性能,采用SEM扫描电镜研究石墨烯增强的铝基复合材料和碳化硅增强的铝基复合材料的形貌特征。结果表明:在各个应变率载荷下,添加石墨烯和添加碳化硅都增强了铝合金的屈服强度,其中,添加石墨烯对铝合金的屈服强度提升更加明显,但不影响材料的应变硬化率;相较于在材料中添加碳化硅,添加石墨烯弱化了材料的应变率效应,在高应变率条件下,添加石墨烯降低了材料的强度极限;选取部分实验数据,拟合确定了添加石墨烯和添加碳化硅两种复合材料的J-C和Z-A本构方程的参数,并比较了两种本构模型的预测能力,对于本工作所研究的复合材料,J-C模型的预测能力更好。
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先进复合材料结构胶接体系的研发与应用
乔海涛, 梁滨, 张军营, 刘清方, 陆松, 赵升龙, 张瑞秀
材料工程    2018, 46 (12): 38-47.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2018.000297
Abstract   PDF (779KB)
针对我国飞机所需要的大型复合材料结构胶接体系,开展了结构胶接体系的材料研制、综合验证考核和工程化应用研究。简要介绍了部分胶黏剂的研发过程、胶接性能、工艺操作性能和批量生产的情况。传统金属结构胶黏剂在军用和民用复合材料胶接领域获得了广泛的推广应用,在氰酸酯胶膜和双马树脂胶膜研发及增韧方面取得了一定进展,聚酰亚胺胶黏剂等耐热胶黏剂的研发是将来一个重要发展方向。国内需要进一步开发各种耐温级别、化学组成的胶黏剂品种,以满足不同复合材料胶接的选材需求。
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金属有机骨架在超级电容器方面的研究进展
亢敏霞, 周帅, 熊凌亨, 宁峰, 王海坤, 杨统林, 邱祖民
材料工程    2019, 47 (8): 1-12.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2018.000542
Abstract   PDF (3543KB)
超级电容器是近年迅速发展起来的一种新型储能元件,决定超级电容器性能的最重要因素是电极材料,开发低成本、高性能的电极材料是当前超级电容器的重要研究方向。金属有机骨架(MOFs)是一类多孔材料,由于MOFs材料的组成与结构多样、比表面积大、结构可控和可调的孔径尺寸等优势,使其在超级电容器方面的应用引起了越来越多研究人员的关注。本文综述了原始MOFs、MOFs衍生物(多孔碳、金属氧化物、多孔碳/金属氧化物)及其MOFs复合材料在超级电容器领域的应用进展,讨论了不同结构特征的MOFs及其在电化学储能领域中展现出特殊的性能,指出MOFs构筑的超级电容器在新能源储存与转换领域发挥的重要作用。最后,提出MOFs基材料应用于超级电容器领域面临的挑战和发展前景。
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石墨烯改性PDC-SiCNO陶瓷的制备及其介电性能
余煜玺, 夏范森, 黄奇凡
材料工程    2019, 47 (3): 8-14.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2017.000662
Abstract   PDF (3854KB)
以聚乙烯基硅氮烷(PVSZ)为原料,氧化石墨烯(GO)为碳源,无水乙醇(ETOH)为分散剂,制备石墨烯球增强SiCNO陶瓷(SiCNO-GO)。利用拉曼光谱(Raman)、电子自旋共振(EPR)和扫描电子显微镜(SEM)等表征手段,研究SiCNO-GO陶瓷结构对其介电性能的影响。结果表明:SiCNO-GO陶瓷的微球密度和粒径的大小与GO的含量有关;随着SiCNO-GO陶瓷中GO含量的增加,SiCNO-GO陶瓷的介电常数和介电损耗也随之增大,在GO含量为0.1%(质量分数)时达到最大值,而当GO质量分数为0.3%时,SiCNO-GO陶瓷的介电常数和介电损耗降低。
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石墨烯纳米片增韧Al2O3基纳米复合陶瓷刀具材料
孟祥龙, 衣明东, 肖光春, 陈照强, 许崇海
材料工程    2019, 47 (1): 25-31.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.001384
Abstract   PDF (7560KB)
以石墨烯纳米片作为增强相,采用热压烧结工艺制备石墨烯纳米片增韧Al2O3基纳米复合陶瓷刀具材料。进行石墨烯纳米片分散实验,研究石墨烯纳米片添加量对刀具材料断裂韧度、抗弯强度和硬度的影响,观察其微观结构和形貌。结果表明:聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为石墨烯纳米片的优选分散剂,当PVP添加量为石墨烯纳米片质量的60%时,分散效果最佳;当石墨烯纳米片添加量为0.75%(体积分数)时,刀具材料的断裂韧度和抗弯强度分别达到7.1MPa·m1/2和663MPa,与未添加石墨烯纳米片的组分相比分别提高了31%和15%;石墨烯纳米片呈卷曲状结构弥散分布于基体材料中,其增韧机理为石墨烯纳米片拉断、拔出和裂纹偏转。与未添加石墨烯的刀具相比,添加石墨烯纳米片的刀具的主切削力、切削温度和前刀面摩擦因数明显降低,表现出良好的减摩、耐磨性。
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热塑性复合材料自动铺放过程中红外加热技术研究
宋清华, 刘卫平, 肖军, 陈萍, 杨洋, 陈吉平
材料工程    2019, 47 (1): 77-83.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2017.000346
Abstract   PDF (3308KB)
为保证热塑性预浸料树脂基体在自动铺放(automated fiber placement,AFP)过程中充分熔融,实现热塑性复合材料(thermoplastic composites,TPC)逐层"原位固结"成型,自动铺放成型过程中需精确控制预浸料的加热温度。针对自动铺放过程中铺放速率会在较大范围内变动的特点,本工作提出一种高速率响应的红外线辐射加热技术。通过对红外热源与铺层间能量传输过程的分析,提出红外加热过程中动态恒温控制方程,建立热源辐射强度与铺放速率之间的匹配关系。基于热塑性复合材料自动铺放实验平台,构建红外加热恒温控制系统,该系统采用前馈控制方式,根据动态恒温控制方程,制定相应控制策略,实现对预浸料加热过程中温度的精确控制。实验结果表明自动铺放过程中使用红外加热恒温控制系统满足变速工况下恒温加热要求,且铺放成型实验件的压缩强度及层间剪切强度均接近模压成型实验件。
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δ-MnO2纳米片的制备、表征及电化学性能
陈翔, 燕绍九, 王楠, 彭思侃, 王晨, 吴广明, 戴圣龙
材料工程    2019, 47 (2): 49-55.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2017.000499
Abstract   PDF (3419KB)
分别采用醋酸锰和乙醇还原高锰酸钾,制备2种超薄δ-MnO2纳米片电极材料(δ-MnO2-A与δ-MnO2-B)。通过XRD、XPS、SEM/TEM、比表面积分析等手段研究材料的晶体结构、化学成分、微观形貌和孔径分布特征。电化学性能测试表明:2种材料具有相似的比电容和倍率性能。但是相比于δ-MnO2-A,电极材料δ-MnO2-B具有更高的钾含量和锰空位含量,片层状结构更加清晰、稳定,因而充放电循环稳定性更好。在0.5mol/L Na2SO4电解液中,1mV·s-1扫描速率下δ-MnO2电极材料的比电容可达227F·g-1。100mV·s-1扫描速率、5000次循环后,电容保持率为87.6%。
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基于微波辐照合成类石墨烯氮化碳的研究进展
王继刚, 余永志, 邹婧叶, 孟江, 李淑萍, 蒋南
材料工程    2019, 47 (4): 15-24.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2018.001164
Abstract   PDF (7248KB)
类石墨烯氮化碳具有与石墨烯非常相似的结构特征,已在光催化、润滑等领域表现出极优越的性能,成为二维纳米功能材料领域的新热点。本文重点介绍了基于微波辐照合成类石墨烯氮化碳的研究进展,并通过与氧化刻蚀、液相超声剥离、热聚合等传统合成方法的比较,分析了微波合成在制备效率、效果上的优势;并指出采用高功率微波设备和石墨粉、短切碳纤维等对微波具有强烈响应的微波吸收剂,通过增强能量传递与吸收效率,强化微波电磁场环境下合成反应的非稳态程度,有助于提高合成效率、效果,并获取得到特殊形态、结构的新产物。
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石墨烯负载花球状二氧化锰复合材料制备及其电容性能研究
陈翔, 燕绍九, 南文争, 王楠, 彭思侃, 王晨, 戴圣龙
材料工程    2019, 47 (1): 18-24.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2017.001023
Abstract   PDF (5308KB)
利用高锰酸钾与乙醇之间的氧化还原反应,在多孔石墨烯表面沉积纳米二氧化锰花球,获得了一种新型的复合电极材料。通过XRD,TG,SEM,TEM等分析手段确定了材料的晶体结构、化学成分、微观形貌特征。电化学性能测试表明:纳米二氧化锰花球具有优异的比电容,但是倍率性能和循环性能不足。通过在石墨烯表面负载纳米二氧化锰花球,能够显著增加石墨烯的比电容,同时改善纳米二氧化锰花球的倍率性能和循环性能。采用0.5mol/L K2SO4电解液,进行三电极循环伏安测试,复合电极材料在2mV·s-1扫速下的比电容高达295F·g-1,在1000mV·s-1扫速下,比电容仍然可达102F·g-1,同时100mV·s-1,1000次循环后,电容循环保持率可达96.3%。这表明石墨烯负载花球状二氧化锰材料是一种极具潜力的超级电容器电极材料。
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设计稳定和可逆的锂-空气电池阴极催化剂的研究进展
胡安俊, 龙剑平, 舒朝著
材料工程    2019, 47 (3): 30-41.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2017.001563
Abstract   PDF (3498KB)
锂-空气电池具有极高的理论能量密度,成为下一代最有希望的电化学能量储存技术之一。锂-空气电池的性能主要取决于空气阴极表面发生的电化学反应,因此,合理设计具有高稳定性和可逆性的阴极是实现商业化可行的锂-空气电池的关键所在。然而,传统碳基电极的不稳定性导致的副反应会限制电池容量及其循环性能,因此,需要寻找能够替代碳基电极的新型电极。本文首先结合锂-空气电池的结构和阴极反应原理,提出了目前锂-空气电池面临的挑战,然后基于碳基阴极的不稳定性分析总结了设计稳定和可逆的锂-空气电池阴极的方法,最后提出了阴极催化剂的合理设计和催化机理的深入理解对锂-空气电池阴极的性能改善起着决定性作用的观点。
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硅溶胶改性水性丙烯酸树脂对镀锌三价铬钝化膜的封闭作用
孙伟, 朱立群, 李卫平, 刘慧丛
材料工程    2018, 46 (12): 110-116.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.001247
Abstract   PDF (35837KB)
为提高镀锌三价铬钝化膜的耐腐蚀性能,研究硅溶胶改性水性丙烯酸树脂对镀锌三价铬钝化膜的封闭效果。通过Tafel极化曲线、电化学交流阻抗谱(EIS)、盐水浸泡实验和中性盐雾实验(NSS)测试镀锌钝化膜封闭后的耐腐蚀性能和200℃高温处理后的热稳定性,采用SEM,FT-IR及TGA对封闭膜层的形貌及特性进行表征。结果表明:与未改性和未封闭的镀锌钝化膜相比,硅溶胶改性的镀锌钝化封闭剂可以显著提高钝化膜的阻抗值,有效减缓镀锌钝化膜在盐水中的腐蚀速率,延长耐盐雾腐蚀时间,且硅溶胶的引入可以显著提高镀锌钝化膜封闭后的耐热性能。
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第四代粉末高温合金热变形后的“项链”组织
侯琼, 陶宇, 贾建
材料工程    2019, 47 (3): 94-100.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2018.000322
Abstract   PDF (18063KB)
利用扫描电镜、透射电镜及电子背散射衍射技术研究新型第四代粉末高温合金等温锻造后的"项链"组织,对其形成机理和消除方法进行了探讨。结果表明,实验合金经过多火次等温锻造后,锻坯大部分区域为再结晶后的等轴细晶组织;然而与模具接触的上下端面得到再结晶不完全的"项链"组织,在非等轴变形晶粒周围分布着大量细小的再结晶晶粒,变形晶粒内含有较高密度的小角度晶界,缠结了大量位错。对存在"项链"组织的试样进行不同温度(1080~1180℃)的退火处理,随着温度的升高,再结晶体积分数和再结晶晶粒尺寸均不断增大。合金锻坯经过1150℃再结晶退火后,可基本消除"项链"组织,获得组织较均匀的细晶盘坯,满足双组织热处理的要求。
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