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  • 材料工程
      2017年, 第45卷, 第2期 刊出日期:2017-02-20 上一期    下一期
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    2017, 45 (2): 0-0.  
    摘要 ( 192 )   HTML( PDF (6079KB) ( 49 )   引文文本
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    研究论文
    金刚石自支撑膜的高温红外透过性能
    黑立富, 闫雄伯, 朱瑞华, 陈良贤, 刘金龙, 魏俊俊, 廉伟艳, 张荣实, 李成明
    2017, 45 (2): 1-6.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.000792
    摘要 ( 945 )   HTML( PDF (2238KB) ( 190 )   引文文本
    由于金刚石具有低吸收和优异的力学与导热性能使其成为长波(8~12μm)红外光学窗口材料的重要选择。对于许多极端条件的应用,化学气相沉积(CVD)金刚石自支撑膜的高温光学性质至关重要。应用直流电弧等离子喷射法制备光学级金刚石自支撑膜进行变化温度的红外光学透过性能研究,采用光学显微镜、X射线衍射、激光拉曼和傅里叶变换红外-拉曼光谱仪检测CVD金刚石膜的表面形貌、结构特征和红外光学性能。结果表明:在27℃时金刚石膜长波红外8~12μm之间的平均透过率达到65.95%,在500℃时8~12μm处的平均透过率为52.5%。透过率下降可分为3个阶段。对应于透过率随温度的下降,金刚石膜的吸收系数随温度的升高而增加。金刚石自支撑膜表面状态的变化,对金刚石膜光学性能的影响显著大于内部结构的影响。
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    高球形度、高比表面积SiO2/TiO2气凝胶小球的制备和表征
    余煜玺, 朱孟伟
    2017, 45 (2): 7-11.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2015.000780
    摘要 ( 797 )   HTML( PDF (2061KB) ( 203 )   引文文本
    以正硅酸乙酯(TEOS)和钛酸丁酯(TBT)为共前驱体、乙醇为溶剂、乙酸和氨水为催化剂,采用快速溶胶-凝胶过程和超临界干燥制备得到SiO2/TiO2气凝胶小球。对SiO2/TiO2气凝胶小球进行SEM,TEM,XRD,FT-IR,TG-DTA和氮气吸附-脱附分析测试发现,SiO2/TiO2气凝胶小球粒径为1~8mm,平均粒径约为3.5mm,小球具有纳米多孔网络结构,比表面积高达914.5m2/g,TiO2颗粒均匀分布于气凝胶结构中,并在高温下保持锐钛矿晶型。
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    Al2O3掺杂ZnO微米花对丙酮超高灵敏度和优异选择性
    刘唱白, 刘丽, 刘星熠
    2017, 45 (2): 12-16.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2015.000417
    摘要 ( 561 )   HTML( PDF (1757KB) ( 96 )   引文文本
    利用水热合成技术,成功制备具有孔道的纯ZnO微米花和Al2O3掺杂的ZnO (Al2O3-ZnO)微米花。通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、电子能谱(EDS)对样品的形貌和结构进行表征。利用所得的纯ZnO和Al2O3-ZnO样品制备气敏元件,并对其气敏特性进行研究。结果表明:在工作温度为260℃时,基于Al2O3-ZnO的气敏元件对100×10-6的丙酮气体的灵敏度约为82.8,约为同条件下基于纯ZnO的气敏元件对丙酮气体灵敏度(18.0)的4.6倍,其响应时间和恢复时间分别为3s和8s,是同条件下干扰气体中灵敏度最高的乙醇气体的灵敏度(26.2)的3.16倍,该元件具有优异的选择性,能成功区分具有相似性质的丙酮和乙醇。此外,Al2O3-ZnO器件可检测到0.25×10-6的丙酮气体,其灵敏度约为3.1。
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    SiCP/Al-Cu复合材料的高温热变形行为
    程明阳, 郝世明, 谢敬佩, 王爱琴, 马窦琴, 孙亚丽
    2017, 45 (2): 17-23.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2015.000528
    摘要 ( 607 )   HTML( PDF (3150KB) ( 107 )   引文文本
    利用Gleeble-1500D热模拟试验机对SiCp/Al-Cu复合材料进行压缩实验,研究其在温度为350~500℃、应变速率为0.01~10s-1条件下的高温塑性变形行为。由实验得出变形过程中的应力-应变曲线,建立了热变形本构方程和加工图。结果表明:复合材料高温流动应力-应变曲线主要以动态再结晶为特征,峰值应力随变形温度的降低或应变速率的升高而增加。其热压缩变形时的流变应力可采用Zener-Hollomon参数的双曲正弦形式来描述,在实验条件下平均热变形激活能Q为320.79kJ/mol。确定了加工图中的稳定区和失稳区,分析了加工图中不同区域的显微组织结构,失稳区存在颗粒破裂、孔洞等。
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    Nb掺杂对Ti-Al合金化层抗高温氧化性能的影响
    戴景杰, 张丰云, 王阿敏, 陈传忠, 翁飞
    2017, 45 (2): 24-31.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.000748
    摘要 ( 762 )   HTML( PDF (5253KB) ( 111 )   引文文本
    为提高钛合金TC4的抗高温氧化性能,采用激光表面合金化技术在钛合金表面制备不同Nb掺杂量的Ti-Al合金化层。采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、箱式电阻炉等对合金化层的组织结构和高温氧化行为进行分析测试。结果表明,合金化层主要组成物相为TiAl以及少量的Ti3Al相。Nb主要以置换溶质原子的形式固溶于合金化层中。合金化层组织均匀,与基体呈典型的冶金结合,在不含Nb的Ti-Al合金化层中发现大量的表层裂纹及少量的贯穿性裂纹,而在Nb掺杂的合金化层中未发现明显的宏观裂纹。合金化层在800℃保温1000h的氧化增重显著低于基体,表现出优异的抗高温氧化性能。相比而言,随着Al含量和Nb掺杂量的提高,合金化层的抗高温氧化能力也随之提高。Nb掺杂提高Ti-Al合金化层抗高温氧化性能的作用机理包括减少TiO2中的空位缺陷、细化氧化物颗粒及促进Al2O3的形成。
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    多层金属复合板的热轧制备方法
    余伟, 王班, 贺婕, 徐士新, 雷力齐
    2017, 45 (2): 32-38.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2015.000579
    摘要 ( 872 )   HTML( PDF (4281KB) ( 151 )   引文文本
    提高成材率和复合界面质量是制备多层复合板的难题。本工作提出一种多层复合板的高成材率热轧制备方法,即采用氩弧焊固定各层原料板组成坯料,坯料放入金属套后抽真空,再加热到1000~1200℃进行多道次轧制,成功制备出2.5mm厚的67层复合板。通过金相显微镜及电子显微镜观察和分析了界面组织及元素扩散行为,采用拉伸、剪切实验测定复合板的力学性能,并分析其剪切断口。结果表明:采用两步组坯复合和工艺优化,多层复合板的轧制成材率达90%以上。多层复合板具有良好的结合界面,其抗剪强度达到241MPa。9Cr18和1Cr17镍中间层可以较为有效地阻碍界面附近的碳扩散并改善复合板的组织特征。
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    高温熔体反应法制备Al-5Ti-1B细化剂
    李贺, 柴丽华, 马腾飞, 陈子勇
    2017, 45 (2): 39-45.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2015.000588
    摘要 ( 596 )   HTML( PDF (3255KB) ( 92 )   引文文本
    利用高温熔体反应法成功制备Al-5Ti-1B细化剂。通过热力学计算,确定Al-5Ti-1B细化剂的起始反应温度,研究熔体温度对细化剂组织形貌及吸收率的影响。利用X射线衍射,扫描电子显微镜和X射线能谱仪观察细化剂的相组成和形貌,同时对Al-5Ti-1B细化剂铸锭进行高温挤压,并对挤压出的9.5mm丝材进行微观组织分析和细化实验。结果表明:细化剂主要由TiB2,TiAl3,α-Al相组成;850℃制备的细化剂铸锭组织形貌最佳,且Ti和B吸收率达到最佳匹配。挤压后TiAl3相呈细小的块状和TiB2弥散分布在基体内。添加0.2%(质量分数)细化剂后,纯铝的晶粒尺寸由3.99mm细化到0.45mm。
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    基于高温熔凝法Al2O3/ZrO2/YAG共晶陶瓷显微组织演变规律
    付雪松, 孙胃涛, 韩文波, 李康, 陈国清, 周文龙
    2017, 45 (2): 46-53.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2015.000555
    摘要 ( 530 )   HTML( PDF (11409KB) ( 93 )   引文文本
    作为超高温结构材料,共晶氧化物陶瓷的力学性能和显微组织密切相关。采用高温熔凝法制备Al2O3/ZrO2/YAG共晶陶瓷体,研究熔体温度和结晶种子对凝固组织影响规律,运用经典形核机制和Jackson-Hunt共晶生长模型探讨了凝固组织的演变机理。研究表明,随着熔体温度升高(1750~2000℃),凝固体物相组成从α-Al2O3,c-ZrO2和YAG转变为α-Al2O3,c-ZrO2和亚稳相YAP。凝固组织依次经历:非共晶Al2O3/ZrO2/YAG、不规则共晶Al2O3/ZrO2/YAG、纳米纤维状共晶Al2O3/ZrO2/YAG和复杂粗大的亚稳复合陶瓷Al2O3/ZrO2/YAP。分析表明,凝固组织的演变源于异质晶核点不断钝化导致形核过冷度和凝固路径改变,所以合理选择熔体温度和结晶种子是共晶组织调控的关键。
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    烧蚀角度对C/C复合材料烧蚀行为的影响
    查柏林, 高双林, 林浩, 罗雷, 张博文, 朱杰堂, 孙振生
    2017, 45 (2): 54-59.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2015.000527
    摘要 ( 628 )   HTML( PDF (6489KB) ( 99 )   引文文本
    烧蚀角度对C/C复合材料的耐烧蚀性能有显著的影响,采用自主研发的氧-煤油烧蚀实验系统对轴棒法编织的三维四向C/C复合材料进行烧蚀/侵蚀实验,实验的典型角度分别为90°,60°,45°,侵蚀时的粒子浓度为1.37%。测算试样的宏观烧蚀率,并采用扫描电镜(SEM)观察了试样烧蚀后的微观形貌。分析了角度对C/C复合材料烧蚀行为的影响规律,并探讨其烧蚀机理。结果表明:不加粒子进行烧蚀实验时,烧蚀角度90°,60°,45°对应的试样质量烧蚀率分别为0.146,0.123,0.100g/s,随烧蚀角度的减小,质量烧蚀率加速降低;加粒子进行侵蚀实验时,烧蚀角度90°,60°,45°对应的试样质量烧蚀率分别为0.452,0.455,0.432g/s,线烧蚀率分别为1.863,1.323,0.843mm/s,随烧蚀角度的减小,质量烧蚀率基本不变,线烧蚀率逐渐降低。烧蚀角度越小,射流的冲刷作用越强,伴随热化学烧蚀的作用,导致烧蚀/侵蚀实验条件下,径向纤维的烧蚀梯度均增加;烧蚀实验条件下,轴向纤维束外沿的受冲刷区域变大。
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    铝合金活塞铸造过程中模具易失效区域预测
    秦文真, 赵军, 李安海
    2017, 45 (2): 60-64.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2015.000963
    摘要 ( 782 )   HTML( PDF (3257KB) ( 96 )   引文文本
    采用ProCAST软件对铝合金活塞浇铸过程中模具的温度场、应力场进行了有限元仿真。根据热、应力场仿真结果,预测活塞模具的易失效区域,通过与实际失效结果对比,发现仿真结果中易失效区域位置与实际模具失效区域位置相吻合;并通过研究不同模具预热温度对浇铸过程中模具热应力场的影响,发现提高模具的初始预热温度,可以有效降低浇铸过程中模具型腔表面所受的热应力,从而有助于模具寿命的提高。
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    PAN预氧纤维径向结构的光密度法研究
    钟珊, 徐帆, 雷帅, 武帅, 徐樑华
    2017, 45 (2): 65-71.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2015.001275
    摘要 ( 599 )   HTML( PDF (2359KB) ( 84 )   引文文本
    针对聚丙烯腈(PAN)预氧纤维径向结构的分布特点,利用PAN预氧化结构对可见光的吸收作用,以可见光在纤维横截面上的透过率(光密度)为衡量标准,建立一种可定量表征PAN预氧化纤维径向结构的方法,即光密度法。结果表明:当测试样品厚度为400nm、光强为800lx时,光密度法表征纤维预氧化结构的径向分布特征最为准确灵敏。与传统的皮芯结构表征方法相比,该方法不仅可表示不同预氧化条件下纤维在相同区域的预氧化程度,还可获得预氧化程度在径向的分布情况。将该方法应用于PAN纤维的预氧化工艺研究,结果显示此方法可精确表达出工艺与结构的相关性,表明光密度法作为一种PAN预氧化程度表征的新方法,可在PAN预氧化径向结构研究中发挥积极的作用。
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    等腰梯形蜂窝芯玻璃钢夹芯板的面外压缩性能
    郑吉良, 彭明军, 孙勇
    2017, 45 (2): 72-79.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2014.001534
    摘要 ( 565 )   HTML( PDF (5693KB) ( 101 )   引文文本
    利用材料试验机对玻璃钢(FRP)夹芯板面外压缩性能进行实验测试与模拟研究。结果表明:夹芯板面外压缩变形可分为弹性变形与断裂两个阶段。蜂窝芯中part 2胞壁厚度t1与part 2高度h比值t1/h较大时,夹芯板以屈服方式变形;t1/h较小时,夹芯板以屈曲方式变形。蜂窝芯中part 2为夹芯板主要承载构件,蜂窝芯中part 1与part 3对part 2起到固支作用,面板对蜂窝芯起到固支作用。蜂窝芯中part 2胞壁厚度为夹芯板面外压缩抗压强度影响的主要因素,蜂窝芯胞壁边长影响次之,而蜂窝芯中part 1,part 3与面板厚度的影响较小。夹芯板总高度一定时,随着蜂窝芯层数增加,夹芯板抗压强度逐渐增大。
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    橡胶粒子对微发泡聚丙烯复合材料发泡行为与力学性能的影响
    何跃, 蒋团辉, 刘阳夫, 龚维, 何力
    2017, 45 (2): 80-87.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2015.000728
    摘要 ( 648 )   HTML( PDF (7543KB) ( 138 )   引文文本
    利用型腔体积可控注塑发泡装置制备微发泡聚丙烯(PP)/粉末橡胶复合材料,通过橡胶粒子的分散性以及复合材料的结晶行为,研究不同橡胶粒子对聚丙烯复合材料发泡行为和力学性能的影响。结果表明:橡胶粒子的加入使微发泡聚丙烯材料的泡孔分布细密而均匀,微发泡聚丙烯/马来酸酐接枝聚丙烯/粉末丁腈胶(PP/PP-MAH/NBR)复合材料的发泡质量较理想,其泡孔密度和尺寸分别为7.64×106个/cm3,29.78μm;综合泡孔结构和力学性能,微发泡聚丙烯/聚丙烯接枝马来酸酐/粉末羧端基丁腈胶(PP/PP-MAH/CNBR)复合材料的力学性能最优,与纯PP比较其冲击强度提升了2.2倍,拉伸强度仅仅降低了26%,是理想的微发泡复合材料。
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    热等静压及恢复热处理工艺对DZ125蠕变损伤的影响
    王天佑, 王小蒙, 赵子华, 张峥
    2017, 45 (2): 88-95.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2014.001203
    摘要 ( 592 )   HTML( PDF (8536KB) ( 152 )   引文文本
    选用4种不同参数的热等静压及恢复热处理工艺对DZ125蠕变损伤试样进行显微组织演化的研究,并进行力学性能评价。结果表明:DZ125合金经预持久损伤实验后,显微组织出现了γ'相退化、蠕变孔洞形成等,但是碳化物没有出现由MC型向M23C6M6C型分解。此外,热等静压的温度在孔洞愈合过程中作用显著,1200℃及1250℃温度下分别出现了γ'同心筏排结构及合金的初熔现象。同时,通过选取合适的热等静压参数,可以避免内部再结晶的产生。合理的热等静压及恢复热处理工艺可以改善蠕变损伤的显微组织,并使其显微硬度达到原始态水平,且持久寿命得到提高。
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    初始组织对低碳钢IQ&P工艺残留奥氏体及力学性能的影响
    陈连生, 胡宝佳, 宋进英, 张健杨, 郑小平, 魏英立, 田亚强
    2017, 45 (2): 96-101.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2015.000906
    摘要 ( 665 )   HTML( PDF (2325KB) ( 107 )   引文文本
    采用双相区再加热-淬火-碳配分(IQ&P)工艺,研究初始组织为铁素体+珠光体的IQ&P-Ⅰ多相钢和初始组织为马氏体的IQ&P-Ⅱ多相钢的组织形貌、残留奥氏体及力学性能。结果表明:初始组织为铁素体+珠光体的IQ&P-Ⅰ多相钢室温组织中,铁素体和马氏体基本呈块状分布,块状残留奥氏体存在于铁素体与马氏体界面处,薄膜状只存在于马氏体内的板条之间,且残留奥氏体含量较少,TRIP效应不明显,其抗拉强度为957 MPa,伸长率只有20%,强塑积为19905.6MPa·%。初始组织为马氏体的IQ&P-Ⅱ多相钢中铁素体和马氏体大多呈灰黑色的板条状或针状,且细小的针状马氏体均匀地分布在铁素体基体上,残留奥氏体只以薄膜状平行分布在铁素体基体上,体积分数达到了13.2%,且具有较高的稳定性,TRIP效应较明显,强塑积达到21560MPa·%,可以获得强度和塑性的良好结合。
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    综述
    SiC发光特性及其调控研究进展
    王思聪, 季凌飞, 吴燕, 张永哲, 闫胤洲
    2017, 45 (2): 102-111.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2015.001179
    摘要 ( 736 )   HTML( PDF (3553KB) ( 176 )   引文文本
    碳化硅(SiC)作为第三代半导体的代表材料,具有禁带宽度大、热导率高和临界击穿电场高等特点,所制备的光电器件在高温、强辐射等极端、恶劣条件下有巨大的应用潜力。本文综述了国内外SiC发光性质的研究现状,介绍SiC发光的实际应用,阐述了单晶、纳米晶和薄膜不同形态SiC的制备方法及发光特点,并对SiC发光调控的研究进展进行了探讨与展望。利用新兴技术手段,可实现对SiC发光光谱和发光效率等性质的调控。
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    太阳能级硅中轻质元素(C,N,O)研究进展
    谭毅, 秦世强, 石爽, 姜大川, 李鹏廷, 李佳艳
    2017, 45 (2): 112-118.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2015.000700
    摘要 ( 542 )   HTML( PDF (799KB) ( 105 )   引文文本
    C,N,O等轻质元素的存在对太阳能级晶体硅材料的性能有着广泛影响,而硅材料作为太阳能电池的主要原材料,其纯度对电池的电学性能有着决定性作用。本文总结了晶体硅中C,N,O元素的存在形态、分布规律、形成机制及工艺控制等的研究进展,并对未来硅中轻质元素的研究进行了展望,使用各种提纯工艺的优势交叉互补来控制及去除硅中的杂质值得研究及关注,对硅中C,N,O元素的交互作用的深入研究也将会对硅材料质量的提高有着积极作用。
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    近β钛合金高温压缩变形过程中流变软化行为研究进展
    刘少飞, 王柯
    2017, 45 (2): 119-128.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2015.000694
    摘要 ( 619 )   HTML( PDF (1699KB) ( 140 )   引文文本
    综述了近β钛合金高温压缩变形过程中流变软化行为的影响因素、流变软化机制及其分析方法以及基于流变软化机制的本构方程的发展,重点分析了变形工艺参数以及原始微观组织对流变软化行为的影响规律,此外,讨论了动态回复、动态再结晶、变形热等软化机制对软化现象的贡献,并提出了近β钛合金高温变形过程中关于流变软化现象亟待解决的问题,指出定量化及物理模型化是未来近β钛合金高温变形过程中流变软化现象的重要发展方向。
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