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  • 材料工程
      2019年, 第47卷, 第7期 刊出日期:2019-07-20 上一期    下一期
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    2019, 47 (7): 0-0.  
    摘要 ( 67 )   HTML( PDF (3000KB) ( 71 )   引文文本
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    综述
    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
    2019, 47 (7): 1-10.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2018.000876
    摘要 ( 849 )   HTML( PDF (3577KB) ( 1128 )   引文文本
    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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    超支化聚合物(HBPs)改性环氧树脂的研究进展
    陈珂龙, 张桐, 崔溢, 王智勇
    2019, 47 (7): 11-18.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2018.000395
    摘要 ( 334 )   HTML( PDF (856KB) ( 136 )   引文文本
    超支化聚合物在不影响工艺性的前提下对环氧树脂有明显的增强、增韧作用。本文主要概述了超支化聚合物对环氧树脂力学性能、耐热性能的影响,主要包括:聚酯超支化聚合物改性环氧树脂、聚酰胺/聚酰亚胺/聚乙烯亚胺超支化聚合物改性环氧树脂、有机硅超支化聚合物改性环氧树脂以及其他超支化聚合物改性环氧树脂等。此外,还指出了目前超支化聚合物改性环氧树脂的缺点以及未来的发展方向。当前限制HBPs在环氧树脂改性领域内大规模应用的主要缺点在于大多数HBPs合成步骤繁琐复杂,合成成本较高。鉴于此,在未来随着更简单、绿色的合成方法的出现,HBPs在其他新兴领域以及改性树脂中的应用会越来越广泛。
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    异质元素改性聚硅氧烷衍生SiOC陶瓷研究进展
    胡智瑜, 马青松
    2019, 47 (7): 19-25.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2018.000737
    摘要 ( 192 )   HTML( PDF (1002KB) ( 104 )   引文文本
    有机聚合物衍生陶瓷(PDCs)技术是陶瓷材料的主流制备技术之一。作为制备高性价比陶瓷材料的理想原料,聚硅氧烷(PSO)衍生SiOC陶瓷得到很好的发展。通过异质元素改性可进一步提高SiOC陶瓷的热稳定性和拓展功能特性,成为近年来的研究热点。本文在介绍SiOC陶瓷微观结构的基础上,分别从提高热稳定性和拓展功能特性的角度,综述了异质元素改性PSO衍生SiOC陶瓷的研究现状。结合原子局部化学环境的演化行为来揭示异质元素的作用机制以及加强改性SiOC陶瓷的应用研究是后续研究需要重点关注的问题。
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    冷冻浇注制备多孔陶瓷的研究进展
    张颖, 王宁, 杜艺, 石鑫, 王伟超, 张军战
    2019, 47 (7): 26-34.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2018.000053
    摘要 ( 202 )   HTML( PDF (6638KB) ( 127 )   引文文本
    冷冻浇注制备多孔陶瓷具有绿色经济、孔结构可控以及材料性能优良等优点,近年来受到国内外学者的广泛关注。本文在简单介绍冷冻浇注工艺原理的基础上,阐述了冷冻浇注工艺过程中孔结构的形成机理与条件,详细讨论了液相介质与冷冻条件对孔结构的影响,总结了冷冻浇注制备多孔陶瓷的材料体系以及典型工艺条件,最后指出冷冻浇注未来的研究方向是孔结构的有效控制及新型功能化多孔陶瓷的制备。
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    多孔材料性能模型研究2:实验验证
    刘培生, 夏凤金, 程伟
    2019, 47 (7): 35-49.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2018.001411
    摘要 ( 162 )   HTML( PDF (1693KB) ( 77 )   引文文本
    在三维网状多孔材料"八面体结构模型"及其系列基本物理、力学性能相关数理模型和表征方式基础上,本文对传导和拉伸等若干性能指标的数理关系验证进行了综述。重点讨论了数理关系的实践性、修正系数的合理性、对计算结果的影响、对应致密体的许用应力取值和塑性指数取值等问题。按照这种数理关系,通过多孔产品孔率等基本参量即可计算其电阻率等性能指标,实验结果证明了其可行性。本方法可以优越于有限元等复杂计算。
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    研究论文
    表面活性剂对高浓度石墨烯水分散液制备的影响
    王晨, 燕绍九, 南文争, 陈翔
    2019, 47 (7): 50-56.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2018.000566
    摘要 ( 237 )   HTML( PDF (4961KB) ( 106 )   引文文本
    分别选取阴离子型、阳离子型和非离子型3种类型表面活性剂,通过紫外可见光谱研究表面活性剂结构和浓度对高压均质-液相剥离法制备的石墨烯水分散液浓度的影响。通过高分辨透射电镜和激光粒度仪对所制备的石墨烯的品质进行分析。结果表明:长的疏水链段、双键和苯环官能团是促进表面活性剂作用发挥的关键结构,表面活性剂最优浓度略高于其临界胶束浓度。在测试范围内,Tween80效果最佳,其最佳作用浓度为0.012mmol·L-1,所得石墨烯水分散液浓度为564.3mg·L-1。表面活性剂的结构和浓度对石墨烯的品质无明显影响。
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    热分解法制备Cu空心微球及其光热转换性能
    徐斌, 陈程华, 张彩霞, 鲁聪达, 倪忠进
    2019, 47 (7): 57-63.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2017.001102
    摘要 ( 149 )   HTML( PDF (6070KB) ( 82 )   引文文本
    以甲酸铜-辛胺配合物为前驱体,油胺为表面活性剂,在熔化液态石蜡中通过热分解法单步制备Cu空心微球。利用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射仪(XRD)、导热系数仪、紫外-可见-近红外分光光度计(UV-Vis-NIR)及光热转换测试装置表征Cu球,研究其光热转换性能,分析Cu空心微球的合成机理。结果表明:反应温度为110℃、反应时间为3h、油胺物质的量为0.005mol的条件下,能够获得Cu空心微球,其平均粒径为380nm,壁厚约为70nm。Cu空心微球的形成机理:油胺吸附的Cu纳米晶在界面能最小化的驱动下,沿着前驱体热分解反应,生成的气泡和液态石蜡所形成的气-液界面聚合生长而成。Cu空心微球悬浮液的热导率、光热转换性能均优于实心Cu悬浮液的。
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    壳聚糖/羟基磷灰石表面修饰聚己内酯多孔骨支架的制备及性能
    张平生, 辛勇, 曹传亮, 艾凡荣
    2019, 47 (7): 64-70.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2018.000452
    摘要 ( 183 )   HTML( PDF (14447KB) ( 118 )   引文文本
    采用选择性激光烧结技术构建多孔聚己内酯(PCL)骨支架,用原位合成的方法制得壳聚糖/羟基磷灰石(CS/HA)悬浮液,并采用真空浸泡、低速离心和冷冻凝胶的方法使CS/HA黏附在PCL支架的表面,以改善骨支架的生物相容性和细胞增殖活性。通过X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)观测复合支架的物相和形貌,测量支架的压缩强度和杨氏模量,测量支架表面的水接触角,并通过体外细胞实验研究复合支架的生物学性能。实验结果表明,原位合成的方法制得了羟基磷灰石(HA);CS/HA凝胶与PCL骨支架表面黏附良好;CS/HA改善了PCL支架表面的亲水性,提升了骨支架的生物相容性和细胞增殖活性。
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    聚甲基丙稀酸羟乙酯甘油凝胶仿软骨材料的制备与性能
    王聃, 陶德华, 黄秀玲, 华子恺
    2019, 47 (7): 71-75.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2019.000101
    摘要 ( 216 )   HTML( PDF (5643KB) ( 86 )   引文文本
    为了使人体关节软骨损伤后得到修复,采用热聚合的方法制备了一种新型人工仿软骨材料。在水浴保温和引发剂条件下,采用甲基丙稀酸羟乙酯(CH2=CCH3COOCH2CH2OH,HEMA)和医用甘油(C3H8O3)聚合成一种新型凝胶,并对其分别进行了表面形貌观察和猪软骨硬度的对比,以及抗压性、弹性等力学性能测试。使用FTIR红外光谱对其作分析表征,结果表明:凝胶主体仍然是聚甲基丙稀酸羟乙酯(PHEMA),甘油以凝胶态存在;凝胶硬度随甘油比例增加而下降,但凝胶表面粗糙度却增加;当HEMA与甘油质量比例为1∶1~1∶3时,凝胶的硬度较为接近猪软骨;在比例为1∶1和1∶2的条件下,表面光滑。4种比例下的凝胶都具有良好的抗压性和弹性,当质量比为1∶1时抗压性能和综合性能最好。实验结果表明PHEMA与甘油的凝胶聚合物如果作为人工仿软骨材料,具有力学性能良好的优点,将可能提供给临床实验作进一步考察。
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    Ag3PO4/ZnO@碳球三元异质结的合成及可见光催化性能
    赵晓华, 魏崇, 苏帅, 崔佳宝, 周建国, 李彩珠, 娄向东
    2019, 47 (7): 76-83.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2018.000659
    摘要 ( 172 )   HTML( PDF (6244KB) ( 102 )   引文文本
    以片花状的ZnO@碳球(ZnO@C)为前驱物,采用原位沉淀法使Ag3PO4颗粒生长在其表面形成Ag3PO4/ZnO@碳球(Ag3PO4/ZnO@C)三元复合物。利用XRD,SEM,Raman,UV-Vis DRS及瞬态光电流响应等技术对合成样品进行表征,并测试其可见光催化性能。结果表明:ZnO@C的引入能够显著提高Ag3PO4的光催化性能,其中5%(质量分数) ZnO@C与Ag3PO4的复合物AP-Z-5光催化效果最佳。在5mg/L Fe (NO33牺牲剂存在的情况下,AP-Z-5在20min内能完全降解亚甲基蓝,光催化循环4次后仍保持86%的降解能力。AP-Z-5在Cr (VI)与亚甲基蓝混合废水中对亚甲基蓝依然能保持较高的光催化降解能力。
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    湿热环境对碳纤维增强树脂基复合材料力学性能的影响及其损伤机理
    杨旭东, 安涛, 邹田春, 巩天琛
    2019, 47 (7): 84-91.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2018.000307
    摘要 ( 247 )   HTML( PDF (7087KB) ( 119 )   引文文本
    采用加速吸湿法研究经3种湿热环境(湿度为85% RH,温度分别为25,70,85℃)处理后CFRP层合板的吸湿特性,对吸湿前后的碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)层合板分别进行拉伸、压缩、剪切实验,研究其力学性能变化规律,利用扫描电镜和红外光谱分析湿热环境中CFRP层板的损伤机理,最后采用最小二乘法拟合提出湿热环境下CFRP层合板力学性能的预测公式。结果表明:CFRP层合板的吸湿初期特性符合Fick定律;相同湿度下环境温度越高,CFRP的吸湿速率和平衡吸湿率越大,达到吸湿平衡所需时的间越长;3种湿热环境处理后的CFRP层板的90°拉伸和剪切力学性能下降最明显;经湿热环境处理后水分子通过氢键与环氧树脂发生缔合,但CFRP层合板中的各组分未发生化学结构变化;拟合建立的不同湿热条件下力学性能衰退公式与实验结果基本一致。
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    PTFE/Al/MoO3复合材料的力学和反应性能
    黄骏逸, 方向, 李裕春, 刘强, 武双章, 宋佳星
    2019, 47 (7): 92-98.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2018.000062
    摘要 ( 176 )   HTML( PDF (11766KB) ( 116 )   引文文本
    使用模压烧结法制备不同PTFE体积分数的PTFE/Al/MoO3复合材料,借助扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)对材料进行表征,并研究该复合材料的准静态压缩性能和动态冲击性能。结果表明:PTFE/Al/MoO3复合材料的强度随着PTFE的增加先增加后降低,当PTFE体积分数为70%时达到最大的80MPa,且该试样能够在准静态压缩条件下发火,发出巨大的爆炸声和明亮的火光,而其他试件在同等条件下未见发火现象。动态冲击条件下,PTFE/Al/MoO3复合材料均能发生爆炸反应,但随着PTFE的增加,剧烈程度逐渐降低,反应产物为AlF3,Al2O3,Mo,C,表明Al与PTFE和MoO3都发生了氧化还原反应。在材料强度和组分的双重影响下,PTFE/Al/MoO3复合材料发火所需能量随着PTFE的增加,呈现先降后升的趋势。
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    熔体微分电纺PLA/OMMT可降解纳米纤维膜制备及污染处理
    王循, 丁玉梅, 余韶阳, 杜琳, 杨卫民, 李好义, 陈明军
    2019, 47 (7): 99-105.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2018.000428
    摘要 ( 175 )   HTML( PDF (3832KB) ( 108 )   引文文本
    采用无溶剂的熔体静电纺丝技术制备可降解聚乳酸(PLA)纳米纤维,是一种很有前景和挑战性的绿色制备技术。其制备的纳米纤维膜孔隙率高、吸附能力强,可高效地处理环境污染问题。借助自制的熔体微分电纺装置,在PLA中引入了有机改性蒙脱土(OMMT),在260℃下制备了PLA/OMMT纳米纤维膜。探究了OMMT含量对PLA纤维形貌、吸油性能、空气过滤性能及降解性能的影响,并获得了最佳的OMMT配比含量。研究表明:加入OMMT后PLA热稳定性提高,结晶度大幅降低。OMMT质量分数为2%时制备的纤维,其直径为450nm。该纤维膜吸油倍率为133.5g/g,是市售PP无纺布的4~5倍,保油倍率为84.2g/g,具有良好的重复使用性能。针对粒径≥0.3μm尘埃粒子的空气过滤效率为99.31%,达到欧标H11过滤等级。且相比于纯PLA纤维膜降解性能提高,减少了二次污染,符合工业化绿色环保要求。
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    CeO2掺杂对AlCoCrCuFe高熵合金的组织结构与摩擦磨损性能的影响
    马明星, 王志新, 梁存, 周家臣, 张德良, 朱达川
    2019, 47 (7): 106-111.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2017.001519
    摘要 ( 188 )   HTML( PDF (3971KB) ( 103 )   引文文本
    采用熔铸法制备等摩尔比的AlCoCrCuFe高熵合金。利用X射线衍射仪、扫描电镜、能谱分析仪、显微硬度计和摩擦磨损试验机分别测试CeO2掺杂前后对其物相结构、显微组织和摩擦磨损性能的影响。结果表明:AlCoCrCuFe由BCC和FCC双相组成,合金中掺杂1%(质量分数) CeO2后引起衍射峰强度的显著提高。两种合金显微组织均为典型树枝晶,Cu与Ce元素在晶间富集,枝晶内为调幅分解组织。CeO2的加入使合金显微硬度从441.5HV增加到475.3HV,摩擦因数与质量损失率分别从0.55,1.44%降低到0.4,1.28%。
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    Ti60钛合金室温保载疲劳性能及断裂行为
    刘石双, 仇平, 蔡建明, 李娟, 黄旭, 于辉, 刘利刚
    2019, 47 (7): 112-120.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2018.000455
    摘要 ( 266 )   HTML( PDF (17697KB) ( 100 )   引文文本
    研究高峰值应力条件下Ti60钛合金双态组织和片层组织的低周疲劳与保载疲劳性能,利用金相显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)和电子背散射衍射(EBSD)等观察和分析Ti60钛合金的显微组织与疲劳断裂行为。结果表明:显微组织对低周疲劳性能影响不大,但显著影响保载疲劳性能,双态组织保载疲劳敏感性大于片层组织;保载情况下,疲劳寿命显著下降;随峰值应力的提高,疲劳寿命下降,保载疲劳敏感性增加;相同循环周次内,保载疲劳塑性应变累积大于低周疲劳,双态组织的塑性应变累积大于片层组织;低周疲劳裂纹萌生于试样表面,为单裂纹源,而保载疲劳裂纹为内部多源萌生;断口表面均存在准解理小平面,双态组织断口准解理小平面密度大于片层组织。
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    基于Normalized Cockcroft&Latham韧性损伤准则Ti600合金临界损伤值的测定
    张菁丽, 吴金平, 罗媛媛, 赵彬, 郭荻子, 赵圣泽, 杨帆
    2019, 47 (7): 121-125.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2018.000336
    摘要 ( 198 )   HTML( PDF (932KB) ( 74 )   引文文本
    采用物理实验与数值模拟相结合的方法确定材料在给定条件下的临界损伤值,进行Ti600合金1010℃,0.001s-1下的拉伸实验,获得该条件下的真实应力-应变曲线。同时简化Normalized Cockcroft&Latham损伤模型,以真应变ε1代替等效应变ε,极限拉应力σUTS代替等效应力σ,计算得到高温钛合金Ti600在该条件下的临界损伤值。将此损伤值嵌入有限元软件中,对之前的拉伸过程进行数值模拟验证,以确定该临界损伤值的准确性。结果表明:Ti600合金在1010℃,0.001s-1下的临界损伤值为0.643。将其代入有限元软件模拟拉伸过程发现,试样裂纹萌生和扩展位置预测准确,最小横截面变化规律与实验基本相符。这说明基于Normalized Cockcroft&Latham模型和拉伸实验测得的Ti600临界损伤值是较准确的。
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    Y含量对MgZn9YxZr0.5合金热裂敏感性的影响
    贾东瑞, 王越, 刘正, 毛萍莉, 王峰, 王志
    2019, 47 (7): 126-133.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2017.001406
    摘要 ( 144 )   HTML( PDF (7115KB) ( 83 )   引文文本
    基于Clyne-Davies模型,对MgZn9YxZr0.5x=1,2,4,6,质量分数/%,下同)合金热裂敏感性(CSC)进行预测;采用X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)分别对MgZn9YxZr0.5合金的显微组织与断口区域形貌进行观察,并采用"T"型热裂模具测试系统,采集MgZn9YxZr0.5合金凝固收缩应力随温度(或时间)的变化曲线。结果表明:CSC预测值与裂纹体积实测值具有相同的变化趋势,其热裂敏感性从高到低的顺序是:MgZn9Y1Zr0.5 > MgZn9Y6Zr0.5 > MgZn9Y2Zr0.5 > MgZn9Y4Zr0.5;当w(Y)≤4%时,枝晶干涉点温度与热裂纹萌生温度随Y含量增加而降低,而当w(Y)=6%时,枝晶干涉点温度与热裂纹萌生温度随之升高。随Y含量不同,MgZn9YxZr0.5合金凝固过程中析出相类型、含量以及α-Mg枝晶倾向的改变被认为是影响晶界裂纹萌生、扩展和热裂的主要微观机制。
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    Cr4Mo4V轴承钢旋转弯曲疲劳寿命及疲劳裂纹萌生机理
    郭军, 杨卯生, 卢德宏, 李新宇
    2019, 47 (7): 134-143.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2017.000256
    摘要 ( 219 )   HTML( PDF (12822KB) ( 106 )   引文文本
    通过室温旋转弯曲疲劳实验研究Cr4Mo4V轴承钢旋转弯曲疲劳寿命和疲劳裂纹萌生机理。在PQ1-6型旋转弯曲疲劳试验机上进行旋转弯曲疲劳实验,通过升降法测得疲劳极限和S-N曲线,使用SEM对疲劳试样断口进行观察,分析起裂源类型和裂纹扩展行为,通过缺陷所在位置的名义应力幅与测得缺陷疲劳极限强度的比值σ'/σw,defect分析了缺陷尺寸对疲劳寿命的影响。结果表明:Cr4Mo4V轴承钢的安全疲劳极限为1019MPa,Cr4Mo4V轴承钢S-N曲线数据呈下降趋势且分散性较大。断口观察表明,Cr4Mo4V轴承钢起裂类型有5种,即近表面碳化物起裂、近表面非金属夹杂物起裂、内部非金属夹杂物起裂和内部碳化物起裂。内部起裂断口有"鱼眼"特征;疲劳寿命超过107周次,内部起裂源碳化物周围形成GBF区。Cr4Mo4V轴承钢中碳化物在循环应力作用下发生破碎,破碎的碳化物加大了裂纹扩展速率。使用关键碳化物体积密度能够定量地分析碳化物尺寸对近表面起裂的影响。σ'/σw,defect都大于1,σ'/σw,defect越大疲劳寿命越短。
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    黏结层及真空退火对NiCr-30% Cr3C2金属-陶瓷喷涂层性能的影响
    柯鹏, 蔡飞, 胡凯, 张世宏, 王硕煜, 朱广宏, 倪振航, 胡小红
    2019, 47 (7): 144-150.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2017.000381
    摘要 ( 164 )   HTML( PDF (11091KB) ( 75 )   引文文本
    采用两种黏结层(电镀Ni+HVOF NiCr黏结层和电镀Ni黏结层),通过超音速火焰喷涂技术制备NiCr-30% Cr3C2(质量分数)金属-陶瓷涂层,并对含电镀Ni黏结层的涂层在不同温度(800,850,900℃)下进行真空退火处理。利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、电子拉伸试验机、销盘摩擦磨损仪(BOD)以及台阶仪研究了黏结层和退火处理对涂层的物相结构、结合强度和不同载荷下摩擦性能的影响。结果表明:采用Ni黏结层涂层的结合强度达64MPa,且退火后结合强度明显提升;20N载荷下,该涂层的耐磨性优于Ni-NiCr黏结层涂层,且退火后耐磨性明显提升;在5N载荷下,两种黏结层涂层的耐磨性相近,但退火后Ni黏结层涂层的耐磨性降低。
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