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  • 材料工程
      2018年, 第46卷, 第1期 刊出日期:2018-01-20 上一期    下一期
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    2018, 46 (1): 0-0.  
    摘要 ( 94 )   PDF (6372KB) ( 50 )   引文文本
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    研究论文
    Er对ZrCuNiAl非晶合金结构、力学性能、热稳定性及非晶形成能力的影响
    李春燕, 尹金锋, 王铮, 寇生中, 赵燕春
    2018, 46 (1): 1-7.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.001421
    摘要 ( 246 )   HTML( PDF (4128KB) ( 132 )   引文文本
    以(Zr0.6336Cu0.1452Ni0.1012Al0.12100-xErxx=0,0.5,1,1.5,2,2.5,3,原子分数,下同)系块体非晶合金为研究对象,通过改变微量元素Er的含量来研究Er对非晶合金的结构、力学性能、热稳定性及非晶形成能力的影响。结果表明:添加Er元素所制备出的试样都是完全非晶结构的合金。随着Er含量的增加,各试样的弹性模量呈现出先增大后减小,压缩塑性应变呈台阶式上升,x=0,x=0.5,x=1试样的塑性应变在4%的范围内波动;x=1.5,x=2,x=2.5试样的塑性应变在11%的范围内波动;x=3试样的塑性应变最高,其值为23.19%,弹性模量为37.76GPa,屈服强度为1604MPa,抗压强度为2068MPa,断裂强度为2060MPa;随着Er含量的增加,锆基非晶合金的热稳定性和非晶形成能力均先减小后增大。
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    重型燃机定向结晶空心叶片凝固过程的实验与模拟
    卢玉章, 熊英, 彭建强, 申健, 郑伟, 张功, 谢光
    2018, 46 (1): 8-15.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2015.001320
    摘要 ( 188 )   HTML( PDF (5487KB) ( 133 )   引文文本
    采用ProCAST软件系统研究HRS(High Rate Solidification)与LMC(Liquid Metal Cooling)工艺下,不同工艺参数对重型燃机用大型定向结晶空心叶片凝固过程的影响。结果表明:与HRS工艺相比,LMC工艺下叶片的糊状区宽度更小,固/液界面形状更加平直。LMC工艺下叶片的纵向温度梯度约为HRS工艺下的3倍;利用LMC工艺制备该燃机叶片时冷却速率为0.3~2.00℃/s,远高于HRS工艺时的冷却速率(0.05~0.16℃/s);LMC工艺下,采用低的保温炉温度仍可保证叶片获得高的温度梯度和冷却速率;而为避免缘板处杂晶对原始晶粒的阻碍,HRS工艺应当采用高的保温炉温度与更低的抽拉速率。实验与模拟结果均表明:与HRS工艺相比,利用LMC工艺制备的燃机叶片,枝晶组织显著细化。
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    初次再结晶组织和渗氮量对低温渗氮取向硅钢二次再结晶行为的影响
    刘恭涛, 刘志桥, 杨平, 毛卫民
    2018, 46 (1): 16-24.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.000178
    摘要 ( 212 )   HTML( PDF (7637KB) ( 258 )   引文文本
    通过控制初次再结晶工艺获得尺寸不同的低温渗氮取向硅钢初次再结晶组织,研究初次晶粒尺寸对二次再结晶行为和磁性能的影响,探索初次晶粒尺寸过大条件下合适的渗氮量,并分析初次再结晶组织中{411}〈148〉织构对二次再结晶行为的影响。结果表明:随着初次晶粒尺寸由10μm升高至15μm,二次再结晶温度升高,Goss织构更加锋锐,成品磁性能提高,当初次晶粒尺寸为28μm时,合适的渗氮量约为6×10-4。初次再结晶组织中{411}〈148〉取向晶粒生长能力更强,极易粗化,阻碍二次晶粒的异常长大,同时{411}〈148〉与黄铜晶粒之间为大于45°的低迁移率晶界,对黄铜晶粒异常长大的阻碍作用更为显著。
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    Ti基金属玻璃复合材料的腐蚀行为
    赵燕春, 毛瑞鹏, 袁小鹏, 许丛郁, 蒋建龙, 孙浩, 寇生中
    2018, 46 (1): 25-30.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2017.000589
    摘要 ( 256 )   HTML( PDF (3606KB) ( 182 )   引文文本
    采用水冷铜坩埚悬浮熔炼-铜模吸铸法制备了直径为3mm的(Ti0.5Ni0.580Cu20金属玻璃复合材料试样,对合金的组织结构进行表征,用电化学工作站三电极体系测试了不同腐蚀介质中的动电位极化曲线,并分析表征电化学腐蚀后的形貌和腐蚀产物。结果表明:合金组织由非晶基体+形状记忆晶体相组成,在铸造过程的温度梯度下呈现梯度组织,边缘为快冷形成的无序密堆非晶结构,心部主要析出相为过冷奥氏体相。在人工海水和模拟人体的PBS溶液中,合金均表现出良好的耐蚀性。与晶态TC4合金相比,自腐蚀电位高,腐蚀的热力学倾向小;自腐蚀电流密度低,极化电阻高,腐蚀的动力学速率低。合金在PBS溶液中由于介质中活性阴离子浓度低,比在人工海水中表现出更优异的抗蚀性。在腐蚀形貌中未发现点蚀坑,边缘区的氧化膜较心部区域更为致密均匀。
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    铝合金中温自反应钎焊机理的研究
    程方杰, 齐书梅, 杨振文, 姚俊峰, 赵欢
    2018, 46 (1): 31-36.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2015.000581
    摘要 ( 207 )   HTML( PDF (2421KB) ( 96 )   引文文本
    在AlF3-CsF共晶钎剂中添加ZnCl2和SnCl2两种活化物质,制备出可用于钎焊薄板铝合金的中温自反应钎剂。研究钎剂中活化物质含量和T形接头连接面积对接头界面组织与力学性能的影响。采用金相光学显微镜、扫描电子显微镜和能谱仪对钎焊接头微观组织、相成分、缺陷及断口形貌进行分析。结果表明:当钎剂中两种活化物质添加量都在4%(质量分数)左右时,钎焊接头连接最致密;钎焊时钎剂中的Zn2+和Sn2+与两侧母材中的Al原子发生置换反应生成液态金属Sn与Zn,与Al互溶度大的Zn迅速向母材扩散,而Sn由于在Al中固溶度小,与少量Zn和Al残留在界面上形成低熔点金属层;自反应钎剂易实现小连接面积接头的连接;接头拉伸断口中有大量韧窝存在,抗拉强度达到(58±5)MPa。
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    CVD-SiC界面改性涂层对气相渗硅制备Cf/SiC复合材料力学性能的影响
    刘荣军, 曹英斌, 杨会永, 严春雷, 龙宪海
    2018, 46 (1): 37-43.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2015.001526
    摘要 ( 222 )   HTML( PDF (3576KB) ( 87 )   引文文本
    在气相渗硅制备Cf/SiC复合材料时,界面改性涂层非常重要。良好的界面改性涂层一方面起到保护碳纤维不受Si反应侵蚀的作用,另一方面起到调节纤维和基体界面结合状况。通过在C纤维表面制备CVD-SiC涂层来进行界面改性,研究CVD-SiC界面改性涂层对GSI Cf/SiC复合材料力学性能和断裂特征的影响,并分析其影响机制。结果表明:无CVD-SiC涂层改性的Cf/SiC复合材料力学性能较差,呈现脆性断裂特征,其强度、模量和断裂韧度分别为87.6MPa,56.9GPa,2.1MPa·m1/2。随着CVD-SiC涂层厚度的增加,Cf/SiC复合材料的弯曲强度、模量和断裂韧度呈现先升高后降低的趋势,CVD-SiC涂层厚度为1.1μm的Cf/SiC复合材料的力学性能最好,其弯曲强度、模量和断裂韧度分别为231.7MPa,87.3GPa,7.3MPa·m1/2。厚度适中的CVD-SiC界面改性涂层的作用机理主要体现在载荷传递、"阻挡"Si的侵蚀、"调节"界面结合状态3个方面。
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    微弧氧化及包埋渗铝法制备的复合涂层高温抗蚀性能
    黄祖江, 蒋智秋, 董婉冰, 童庆, 李伟洲
    2018, 46 (1): 44-52.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.000617
    摘要 ( 196 )   HTML( PDF (9650KB) ( 97 )   引文文本
    采用包埋渗铝技术在C103铌合金基体上制备Al/C103,通过微弧氧化(MAO)处理获得Al2O3陶瓷膜外层。利用X射线衍射仪(XRD)和配有能谱仪(EDS)的扫描电镜(SEM),分析复合涂层高温腐蚀前后的成分和组织结构,并研究其高温氧化和热腐蚀行为与机理。结果表明:包埋渗铝处理的Al/C103经1000℃氧化10h后增重为6.98mg/cm2,微弧氧化结合包埋渗铝制备的MAO/Al/C103增重为2.89mg/cm2;氧化20h后,MAO/Al/C103增重为57.52mg/cm2,高于Al/C103的28.08mg/cm2。在900℃熔融混合盐(75% Na2SO4和25% NaCl,质量分数)中腐蚀50h后,Al/C103和MAO/Al/C103的增重分别为70.54,55.71mg/cm2,表面生成了Al2O3和钙钛矿结构NaNbO3相;部分NaNbO3堵塞MAO微孔,阻碍熔盐向内扩散,MAO/Al/C103试样表现出较优的抗热腐蚀性。
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    激光微织构与自组装对铝合金表面润湿性的影响
    李杰, 王超磊, 刘玉德, 高东明, 张会臣
    2018, 46 (1): 53-60.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2017.000098
    摘要 ( 217 )   HTML( PDF (5748KB) ( 123 )   引文文本
    利用激光加工在铝合金表面进行微织构,通过自组装工艺在微织构表面修饰有机硅烷分子膜,制备得到具有疏水/超疏水性表面。利用扫描电镜、三维形貌仪、接触角测量仪对微织构表面微观形貌和润湿性进行表征。结果表明:激光微织构具有的微米级粗糙结构与自组装分子膜的共同作用对超疏水表面的构建具有重要作用;接触角随激光微织构加工间距(50~100μm)的减小而增大,且与微织构的形貌类型相关。漂浮承载实验表明,超疏水表面符合Cassie-Baxter状态模型,且可有效提高平台的漂浮承载能力。
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    聚多巴胺改性中空玻璃微珠表面化学镀铜的研究
    胡佳勋, 张闻达, 曹琴, 吴叔青
    2018, 46 (1): 61-66.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.000266
    摘要 ( 304 )   HTML( PDF (2370KB) ( 331 )   引文文本
    通过多巴胺在水溶液中的自身氧化聚合,在中空玻璃微珠表面形成聚多巴胺层,聚多巴胺层吸附化学镀铜液中的铜离子,在外加还原剂二甲基胺硼烷(DMAB)的作用下将铜离子还原成单质铜,从而在微珠表面沉积一层金属铜,成功制备镀铜中空玻璃微珠。采用SEM,EDS,FTIR和XRD对复合粉体的形貌、化学组成和结晶形态进行研究和表征。结果表明:中空玻璃微珠表面所镀金属铜完整致密。相对于传统化学镀,这种方法操作简单、成本低、对环境污染小。
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    稀土Er对A356铝合金微观组织和力学性能的影响
    李晓燕, 卢雅琳, 王健, 周东帅, 杨林
    2018, 46 (1): 67-73.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.001066
    摘要 ( 251 )   HTML( PDF (5287KB) ( 232 )   引文文本
    针对传统的A356铝合金,添加稀土元素是改善其微观组织并提高力学性能的有效途径。本工作通过示差扫描量热分析(DSC)、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)等分析手段来研究稀土Er对铸态A356铝合金组织和性能的影响。结果表明,稀土元素Er是一种能够显著改善A356合金铸态组织的优良变质剂。Er的加入细化了初生α-Al相,二次枝晶间距降低,枝晶臂直径减小,同时对铸态组织中的共晶Si起到了变质作用。当Er含量达到0.4%(质量分数,下同)时,细化效果最为显著,二次枝晶间距由53.6μm减小到17.5μm,共晶硅形貌也由粗大的板条状转变为短棒或圆粒状。与A356合金相比,添加0.4% Er的合金样品的抗拉强度和伸长率分别提高了15.1%,29.8%。
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    水蒸气温度对700℃先进超超临界锅炉候选合金GH2984氧化行为的影响
    杨珍, 鲁金涛, 张夏妮, 赵新宝, 袁勇, 党莹樱, 尹宏飞, 谷月峰
    2018, 46 (1): 74-82.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2015.000305
    摘要 ( 155 )   HTML( PDF (8701KB) ( 80 )   引文文本
    采用X射线衍射仪、扫描电子显微镜对比研究GH2984合金在750℃和850℃纯水蒸气中的氧化行为。结果表明:GH2984合金的氧化动力学遵循抛物线规律;温度升高,Cr挥发加速,外氧化和内氧化的速率急剧增加,氧化膜的组成结构发生明显的变化。750℃时,合金表面形成单层致密的(Cr,Mn)2O3膜;温度升至850℃,氧化膜中空洞的数量大幅增加,氧化膜转变为由薄的外层Fe2TiO5和厚的次外层(Cr,Mn)2O3及薄的内层(Nb,Mo)2O5组成的三层结构。Ti,Al优先于晶界处发生内氧化,分别形成TiO2和Al2O3;两种内氧化产物的尺寸和数量均随温度升高而增加。
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    热塑性复合材料自动铺放过程中温度场研究
    宋清华, 肖军, 文立伟, 王显峰, 范珏雯, 石甲琪
    2018, 46 (1): 83-91.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.000147
    摘要 ( 217 )   HTML( PDF (4121KB) ( 182 )   引文文本
    自动铺放成型技术可以实现热塑性复合材料逐层"原位固结",在加工制造大型零部件、提高生产率、降低制造成本方面具有巨大的潜力。由于温度历程对复合材料构件成型质量有较大影响,本工作通过ANSYS软件模拟热源随铺放头移动、铺放过程中预浸料不断被铺叠到底层预浸料上,获得复合材料铺层的温度场分布情况。同时构建基于WinCC flexible的温度场在线测量系统,对铺层温度进行在线采集和存储。实验结果表明,在铺放成型过程中,每一层预浸料的温度曲线出现多个峰值,且随着热气温度的升高,每层峰值温度逐渐增加,热气温度越高,铺层间峰值温度差越大,热电偶测量结果与仿真结果相差越小。通过对实验结果中的峰值温度与有限元模拟结果进行对比,证明了有限元仿真模型的正确性。研究结果表明,随着铺放速率的加快,每层峰值温度逐渐降低,为满足成型要求,当热风枪出口处热气温度最高为600℃时,最大铺放速率为1.2m/min。
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    泡沫铝夹层结构复合材料低速冲击性能
    赵金华, 曹海琳, 晏义伍, 丁莉
    2018, 46 (1): 92-98.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2015.001295
    摘要 ( 221 )   HTML( PDF (4190KB) ( 245 )   引文文本
    以泡沫铝为夹芯材料,玄武岩纤维(BF)和超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE)复合材料为面板,制备夹层结构复合材料。研究纤维类型、铺层结构和芯材厚度对泡沫铝夹层结构复合材料冲击性能和损伤模式的影响规律,并与铝蜂窝夹层结构复合材料性能进行对比分析。结果表明:BF/泡沫铝夹层结构比UHMWPE/泡沫铝夹层结构具有更大的冲击破坏载荷,但冲击位移和吸收能量较小。BF和UHMWPE两种纤维的分层混杂设计比叠加混杂具有更高的冲击破坏载荷和吸收能量。随着泡沫铝厚度的增加,夹层结构复合材料的冲击破坏载荷降低,破坏吸收能量增大。泡沫铝夹层结构比铝蜂窝夹层结构具有更高的冲击破坏载荷,但冲击破坏吸收能量较小;泡沫铝芯材以冲击部位的碎裂为主要失效形式,铝蜂窝芯材整体压缩破坏明显。
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    碳纳米管纸/纳米硅复合电极的锂离子电池性能
    刘珍红, 孙晓刚, 陈珑, 邱治文, 蔡满园
    2018, 46 (1): 99-105.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.000175
    摘要 ( 248 )   HTML( PDF (3317KB) ( 306 )   引文文本
    采用纳米硅和多壁碳纳米管(MWCNTs)复合材料作为活性材料,以纸纤维为基体,MWCNTs为导电剂制得的MWCNTs导电纸代替铜箔集流体应用于硅基锂离子电池。采用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、恒流放电测试、电化学阻抗对复合材料的形貌和电化学性能进行分析。结果表明,采用MWCNTs导电纸-纳米硅复合的锂离子电池在80mA/g的电流密度下,循环50次后比容量达到约1000mAh/g,在2000mA/g大电流密度下仍保持好的循环稳定性。
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    锂离子电池正极材料铁掺杂V6O13的制备及电化学性能
    袁琦, 邹正光, 万振东, 韩世昌
    2018, 46 (1): 106-113.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.001099
    摘要 ( 187 )   HTML( PDF (5681KB) ( 182 )   引文文本
    为有效提高V6O13正极材料在高锂状态下的放电比容量和改善循环性能,使用一种先制备前驱体再水热合成的方法制备铁掺杂V6O13。运用XRD,SEM和XPS表征铁掺杂V6O13的物相、形貌以及表面元素价态,并对铁掺杂V6O13的电化学性能进行研究与分析。掺杂不同数量的铁可以得到不同形貌且电化学性能各异的铁掺杂V6O13。其中0.02样品的有序堆垛纳米片的厚度最大(600~900nm),纳米片之间的空隙最大。铁掺杂V6O13样品的放电性能均好于纯V6O13,其中0.02样品的电化学性能最好,首次放电比容量为433mAh·g-1,100次循环后的容量保存率为47.1%。
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    基于光催化性能的Cu-Ce/TiO2湿性能
    张浩
    2018, 46 (1): 114-118.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.001100
    摘要 ( 176 )   HTML( PDF (1303KB) ( 91 )   引文文本
    以Cu(NO32·3H2O和Ce(NO33·6H2O为改性剂,采用溶胶-凝胶法制备Cu-Ce/TiO2。探讨Cu-Ce负载量、Cu与Ce摩尔比和煅烧温度对Cu-Ce/TiO2性能的影响。利用SEM,LPSA,BET和UV-Vis测试Cu-Ce/TiO2的表面形貌、粒度分布、孔结构和光学性能。结果表明:Cu-Ce负载量3%、Cu与Ce摩尔比1:1、煅烧温度500℃时,制备的Cu-Ce/TiO2具有良好的光催化性能与湿性能。Cu-Ce/TiO2呈近似球体,具有较好的均匀化和分散性,其粒径分布为1202.98~5364.48nm,其中d50为2437.57nm。Cu-Ce/TiO2具有狭小瓶颈的"墨水瓶"型孔结构,其比表面积为105.55m2/g,孔体积为0.1200~0.1246mL/g,平均孔直径为3.44~4.02nm。Cu-Ce掺杂促使Cu-Ce/TiO2内部形成新的能级,提高捕获e-和h+的能力,增强光子的利用效率,促使吸收边带发生红移。
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    AZO@C柔性纳米纤维的制备与性能
    马慧, 高强, 夏永辉, 刘婉婉, 葛明桥
    2018, 46 (1): 119-124.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.000710
    摘要 ( 150 )   HTML( PDF (3523KB) ( 119 )   引文文本
    以聚乙烯醇(PVA)为原料,成功制备了新型掺铝氧化锌包覆碳结构(AZO@C)的柔性纳米纤维。首先通过静电纺丝制备PVA初生纳米纤维,经过热处理工艺提高纳米纤维的耐水性,然后采用水热合成法在其表面包覆一层锌铝氢氧化物,再经过在500℃高温条件下烧结,PVA表面包覆的锌铝氢氧化物发生脱水反应形成致密的掺铝氧化锌(AZO)纳米粒子,同时PVA纳米纤维在高温煅烧中被炭化,形成一种新型AZO@C纳米复合材料。采用红外光谱(FT-IR)、热重分析仪(TGA)、扫描电镜(SEM)等对纳米纤维结构与性能进行测试及表征,AZO@C纳米纤维的平均直径为(320±45)nm。并通过太阳光下降解甲基橙实验证明了AZO@C柔性纳米纤维的光催化降解性能。
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    表面处理对碳纤维基β-PbO2电极性能的影响
    许健, 竺培显, 韩朝辉, 曹勇, 周生刚
    2018, 46 (1): 125-132.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.000590
    摘要 ( 246 )   HTML( PDF (1768KB) ( 132 )   引文文本
    对碳纤维布进行表面处理,采用电沉积法制备碳纤维基β-PbO2电极材料,并对碳纤维基β-PbO2电极材料的导电性能、电化学性能和耐腐蚀性能进行研究。结果表明:通过表面处理,能够显著改善碳纤维的表面粗糙度和化学活性。热空气氧化温度为400℃时,碳纤维表面的化学活性最高;热空气氧化和液相氧化双重氧化发现,碳纤维表面的化学活性进一步提高,表面的沟槽和凹坑更为明显,经此表面处理条件后制备的碳纤维电极界面电阻率最低为6.19×10-5Ω·m,导电性能和电化学性能最好,耐腐蚀性能最强,腐蚀速率仅为1.44×10-3g·cm-2·h-1,由此说明,不同表面处理条件能够极大地影响碳纤维电极材料界面结合性能,从而影响碳纤维基β-PbO2电极材料的导电性能、电化学性能和耐腐蚀性能。
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    综述
    基于仿生原理的几何构型及其功能性的研究进展
    谭娜, 邢志国, 王海斗, 王晓丽, 金国, 徐滨士
    2018, 46 (1): 133-140.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.001017
    摘要 ( 290 )   HTML( PDF (2275KB) ( 195 )   引文文本
    近年来,从生物形态出发的仿生学研究已得到广泛的关注。模拟生物表面形态、分析生物因其自身形态而具备的功能,并将其应用到工程领域中已成为研究热点之一。研究基于仿生学原理的生物体几何形貌及其所具备的功能,能够优化材料表面性能,延长服役寿命,拓宽应用范围,提高材料的应用价值。本文通过分析生物体因体表几何构型而具备的超疏水性、仿生减阻性、减摩耐磨性的原理及应用领域,探究仿生织构化图案实现不同功能的机理,明确其未来着力于仿生图案的制备及机理探索的发展方向,进而对材料表面进行处理,以期具备更优异的性能。
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    镁合金摩擦焊的研究进展
    游国强, 郭伟, 张秀丽, 文恒玉, 沈鹭
    2018, 46 (1): 141-148.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2017.000254
    摘要 ( 264 )   HTML( PDF (3154KB) ( 227 )   引文文本
    介绍了摩擦焊的基本原理及特点,综述了镁合金摩擦焊的研究进展,重点讨论了Mg-Mg同种材料和Mg-Al异种材料摩擦焊工艺、连接机理、接头微观组织及其力学性能。同时分析了目前研究中存在的问题,指出镁合金摩擦焊接头的三维温度场、应力应变场、塑性流变机制等研究尚需进一步完善,此外工艺优化和设置成分过渡层是获得优质摩擦焊接头的发展方向。
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