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  • 材料工程
      2020年, 第48卷, 第8期 刊出日期:2020-08-20 上一期    下一期
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    2020, 48 (8): 0-0.  
    摘要 ( 115 )   HTML( PDF (1572KB) ( 73 )   引文文本
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    复合材料专栏
    激励响应复合材料的4D打印及其应用研究进展
    曾成均, 刘立武, 边文凤, 冷劲松, 刘彦菊
    2020, 48 (8): 1-13.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000211
    摘要 ( 885 )   HTML( PDF (8418KB) ( 471 )   引文文本
    激励响应复合材料是一种智能材料,通常具有自感知、自主响应、形状记忆、自适应和自修复等特征。本文对4D打印中使用的激励响应材料进行了综述,重点介绍4D打印形状记忆复合水凝胶和形状记忆聚合物(SMP)及其复合材料的应用研究进展。最后,总结了4D打印在生物医疗和航空航天领域的应用现状,并对4D打印的未来发展趋势以及应用前景进行展望。4D打印是一项新兴制造技术,尽管目前已经出现了许多不同的打印方法、可打印智能材料和驱动方式,但是4D打印在实际工程应用中仍然面临许多挑战。新打印技术、新智能材料、新结构设计和建模软件需要发展以促进4D打印在软机器人、生物医学、航空航天和智能电子设备等领域的实际应用。
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    航天飞行器热防护系统低密度烧蚀防热材料研究进展
    冯志海, 师建军, 孔磊, 罗丽娟, 梁馨, 匡松连
    2020, 48 (8): 14-24.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000206
    摘要 ( 721 )   HTML( PDF (8953KB) ( 346 )   引文文本
    当前,树脂基烧蚀防热仍被认为是最有效、最可靠、最成熟和最经济的一种热防护方式,在航天飞行器热防护系统中普遍采用。近些年在载人航天、探月工程、深空探测和新型航天飞行器系列工程的需求牵引下,本团队开发了蜂窝增强低密度材料、新型防隔热一体化材料、轻质烧蚀维形材料等先进防热复合材料,并开展了相应的应用基础以及工程应用研究工作,对烧蚀材料复杂防热机理及多重防热机制的协同作用进行了探索研究。随着再入/进入航天飞行器先进热防护系统需求的发展,功能多样化、兼容与集成是低密度树脂基烧蚀防热材料的主要发展趋势。
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    高分子复合材料在装甲防护领域的研究与应用进展
    魏化震, 钟蔚华, 于广
    2020, 48 (8): 25-32.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000207
    摘要 ( 619 )   HTML( PDF (779KB) ( 256 )   引文文本
    具有高比强度和高比吸能特点的纤维增强树脂基复合材料等非金属材料是装甲装备实现轻量化、强防护的关键材料。针对装甲装备防护构件对高性能抗弹材料的需求,本文综述了高分子复合材料在装甲防护领域的技术进展、应用现状及发展趋势,重点讨论了高性能纤维增强树脂基复合材料在复合装甲、结构装甲、多功能防护构件及聚合物透明材料在透明装甲上的应用,对比分析了我国芳纶Ⅱ、芳纶Ⅲ、PBO、PIPD等高品级有机纤维的研发及应用现状,提出依据纤维技术成熟度和制造成本不同实行系列化发展,用于近、中、远期装甲装备防护结构的基本设想,以及未来加强石墨烯抗弹材料、智能装甲材料等前沿新兴装甲防护材料及其机理研究,建立完善材料评价方法、作用机制模型和数据库。
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    国产高强中模碳纤维及其增强高韧性树脂基复合材料研究进展
    包建文, 钟翔屿, 张代军, 彭公秋, 李伟东, 石峰晖, 李晔, 姚锋, 常海峰
    2020, 48 (8): 33-48.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000208
    摘要 ( 495 )   HTML( PDF (5901KB) ( 588 )   引文文本
    高强中模碳纤维增强复合材料是当前及未来相当长时期内主要的航空结构复合材料。借鉴国外高强中模碳纤维及其高韧性复合材料发展经验,在国内高强型碳纤维复合材料成熟经验的基础上,实现了高强中模T800级碳纤维规模化生产,系统分析了与国产高强中模碳纤维匹配的树脂基体、预浸料及其复合材料技术现状。国产T800H级碳纤维增强高韧性环氧树脂基和双马树脂基复合材料抗冲击性能达到国外同类复合材料的水平,高韧性环氧树脂基复合材料的耐湿热性能优于国外同等韧性的复合材料。国产T800H级碳纤维增强高韧性复合材料预浸料具有优异的工艺性能,可同时满足手工铺贴、自动铺带和自动铺丝3种铺放工艺要求。在T800级复合材料成熟应用的基础上,未来主要发展高压缩强度、高模量和基于BVID的高冲击韧性高强中模碳纤维复合材料。
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    连续纤维增强高性能热塑性树脂基复合材料的制备与应用
    肇研, 刘寒松
    2020, 48 (8): 49-61.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2019.000209
    摘要 ( 611 )   HTML( PDF (4917KB) ( 220 )   引文文本
    连续纤维增强高性能热塑性复合材料以轻质高强、良好的抗冲击性能、成型周期短、可二次成型、废料可回收再利用等独特优点,逐渐受到复合材料工业界的关注。本文从常用的几种高性能热塑性树脂基体为起点,对连续纤维增强高性能热塑性复合材料应用现状进行介绍,并详细阐述了连续纤维增强高性能热塑性复合材料的成型及性能研究。在此基础上,从应用需求、成型工艺、材料性能三方面总结了国内连续纤维增强高性能热塑性复合材料的未来发展趋势,以期推动连续纤维增强高性能热塑性复合材料的结构设计和应用。
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    三维机织复合材料力学性能研究进展
    陈利, 焦伟, 王心淼, 刘俊岭
    2020, 48 (8): 62-72.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000210
    摘要 ( 606 )   HTML( PDF (7400KB) ( 259 )   引文文本
    三维机织复合材料具有结构可设计性强、复杂构件整体近净成型、冲击损伤容限高等优点,成为航空航天领域新材料研制关注的重点。近年来,三维机织复合材料的结构设计、细观建模、性能分析等得到了快速的发展,并取得了实质性成果。多轴向机织结构的开发,精细化建模研究,自动化连续生产是三维机织复合材料的发展趋势。本文介绍了典型的三维机织预制体的结构特点,对比分析了不同预制体结构的三维机织复合材料的准静态力学性能,回顾了三维机织复合材料的细观结构建模、理论分析和数值模拟等方面的研究进展,列举了三维机织复合材料在航空航天领域的典型应用,为三维机织复合材料应用研究提供参考。
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    综述
    GH4720Li合金中析出相的研究进展
    曲敬龙, 易出山, 陈竞炜, 史玉亭, 毕中南, 杜金辉
    2020, 48 (8): 73-83.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000182
    摘要 ( 805 )   HTML( PDF (4600KB) ( 296 )   引文文本
    GH4720Li高温合金因其具有良好的高温强度、抗疲劳和抗腐蚀性能以及长期组织稳定性,被广泛应用于高性能航空发动机涡轮盘等转动部件。本文归纳了GH4720Li高温合金中γ'相的作用机理和演变规律,并分析了γ'相与高温性能之间的关联性和γ'相与残余应力的交互影响规律。此外,还综述了GH4720Li高温合金的改型研究进展,展望了未来分区控冷技术和双组织双性能盘制备技术在高温合金中的应用。
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    电化学法制备石墨烯的研究进展
    高亚辉, 尹国杰, 张少文, 王璐, 孟巧静, 李欣栋
    2020, 48 (8): 84-100.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2019.000704
    摘要 ( 582 )   HTML( PDF (4627KB) ( 360 )   引文文本
    石墨烯优异的导电、导热、光学和力学性能,使其成为制造新一代电子、光电装置材料的理想选择。因此,高质量、规模化、低成本的石墨烯制备技术研究开发尤为重要。电化学剥离石墨制备石墨烯是一种很有前途的湿化学方法,具有可扩展性、溶液加工性和环境友好性等优点。本文综述了电化学法制备石墨烯技术的研究进展,阐述了电化学法制备石墨烯的机制,重点分析了石墨阳极氧化和阴极剥离过程涉及因素变化对石墨烯的剥离效率及产率、形貌、质量和缺陷程度的影响,简要介绍了电化学法制备功能化石墨烯材料及其应用,并指出电化学法制备石墨烯技术的未来发展方向是电解质体系设计、电解条件优化、剥离机理认识及电解池合理设计等。
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    研究论文
    氮/氧共掺杂多孔碳纳米带的可控制备及储能特性
    阚侃, 王珏, 付东, 宋美慧, 张伟君, 张晓臣
    2020, 48 (8): 101-109.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2019.000581
    摘要 ( 491 )   HTML( PDF (4828KB) ( 103 )   引文文本
    采用模板聚合同步活化法可控制备了氮/氧共掺杂的多孔碳纳米带(PCNR)材料。通过SEM,TEM,FTIR,Raman,XRD,BET和XPS对PCNR的形貌和结构进行了表征,结果表明:PCNR呈三维连通的带状结构,碳纳米带表面呈多孔状;800℃活化制备的PCNR800样品比表面积为2342 m2/g、氮含量为10.75%,氧含量为13.90%。PCNR800为电极活性物质组装的超级电容器,其具有优异的储能特性。在电流密度为1.0 A/g时,比电容为58.8 F/g;在功率密度为1.5 kW/kg时,能量密度为73.3 Wh/kg;5000次恒流充放电循环后,比电容为初始比电容的96.5%,库仑效率保持99%以上。
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    Mn2O3/Fe2O3/少层石墨烯/硫锂硫电池正极材料的制备及其电化学性能
    王楠, 齐新, 彭思侃, 陈翔, 王晨, 戴圣龙, 燕绍九
    2020, 48 (8): 110-118.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2019.000246
    摘要 ( 410 )   HTML( PDF (4975KB) ( 145 )   引文文本
    采用熔盐法、层间催化剥离法、退火工艺及熔化扩散法制备出Mn2O3/Fe2O3/少层石墨烯/硫复合材料作为锂硫电池正极材料。高导电少层石墨烯构成三维导电网络,为电极反应过程中电子传输提供通道,有利于提升锂硫电池的比容量。金属氧化物颗粒均匀分布在少层石墨烯表面,对多硫化物具有强烈化学吸附作用,能够有效抑制多硫化物的溶解和迁移效应,有利于增强锂硫电池循环稳定性。结果表明,Mn2O3/Fe2O3/FLG30/S电极显示出高比容量和优异的循环性能。0.1 C倍率下,其初始容量高达886.3 mAh·g-1,100圈循环后容量保持率高达88.1%。
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    Mo元素对LaFe11.5Si1.5磁制冷材料耐腐蚀性能及磁性能的影响
    胡洁, 董中奇, 沈英明, 王杨, 杨俊雅
    2020, 48 (8): 119-125.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2019.000402
    摘要 ( 507 )   HTML( PDF (4266KB) ( 105 )   引文文本
    采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、电化学工作站、振动样品磁强计(VSM)研究Mo元素掺杂对LaFe11.5Si1.5磁制冷材料相组成、耐腐蚀性能和磁性能的影响。结果表明:随着Mo元素的加入,α-Fe相及富La相不断增多。Mo原子分布在NaZn13型结构的相(简称1:13相)及α-Fe相中,并未出现在富La相中。对耐腐蚀性能的研究表明,当Mo含量从x=0提高至x=0.2,LaFe11.5-xMoxSi1.5合金的腐蚀电位升高,腐蚀电流密度降低,说明热力学稳定性以及耐腐蚀性均提高。但是当Mo含量增加到x=0.3时,耐腐蚀性能下降。对磁性能的研究表明,LaFe11.5-xMoxSi1.5在0~3 T磁场变化下的最大磁熵变分别为18.51 J/(kg·K)(x=0),16.24 J/(kg·K)(x=0.1)和5.68 J/(kg·K)(x=0.2)。
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    TiO2粒径对Al-TiO2-C细化剂组织及细化效果的影响
    刘欢, 张瑞英, 李金轩, 杨森, 闫晗
    2020, 48 (8): 126-133.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2019.000650
    摘要 ( 372 )   HTML( PDF (6724KB) ( 107 )   引文文本
    以Al粉,TiO2粉,C粉为原料,通过放热弥散法制备Al-TiO2-C细化剂,其中TiO2的粒径分别为30,60,90,200 nm。研究TiO2的粒径对细化剂组织的影响以及不同细化剂对工业纯铝的细化效果。利用XRD,SEM,EDS技术表征不同TiO2粒径制备的Al-TiO2-C细化剂相组成和显微组织。结果表明:Al-TiO2-C细化剂主要由Al3Ti,TiC和Al2O3相组成。TiO2粒径的变化会直接影响第二相的数量、分布与形貌,当TiO2粒径为30~90 nm时,Al-TiO2-C细化剂中Al3Ti和TiC数量多但有明显的偏聚现象,分布不均匀,其中Al3Ti相呈长条状。当TiO2粒径为200 nm时,第二相分布均匀但数量较少,其中Al3Ti相呈块状。添加30 nm TiO2制备的Al-TiO2-C细化剂后,α-Al形核温度由659.4℃上升到661.8℃,再辉温度由1.2℃下降到0.3℃,平均晶粒尺寸最小为633 μm,细化效果最佳。
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    轧制方式对6016铝合金薄板组织和塑性各向异性的影响
    段晓鸽, 江海涛, 米振莉, 王丽丽, 李萧
    2020, 48 (8): 134-141.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2019.000766
    摘要 ( 463 )   HTML( PDF (7141KB) ( 159 )   引文文本
    利用凸耳实验、X射线衍射仪、EBSD等手段研究了热轧退火后常规轧制(NR)、横向轧制(TR)、交叉轧制(AR)等轧制方式对6016铝合金组织和平面各向异性的影响。结果表明:热轧退火后6016铝合金形成了强烈的立方织构{100}〈001〉。NR,TR冷轧板具有38%~44%的β取向线织构(主要包括铜,S,黄铜织构组分),但是AR冷轧后保留了12.2%的立方织构组分,变形织构组分很弱,因此AR冷轧板材制耳率最差,为7.1%。6016铝合金经过固溶处理后,NR,TR板形成9.12%强烈的立方织构,AR板的织构明显弱化且随机分布,因而AR再结晶退火板制耳率较NR,TR板的6%~8.16%明显降低,为2.76%。固溶处理后6016铝合金板的平均晶粒尺寸分别为23,25,22 μm,AR轧制后合金的晶粒最小且分布最均匀。因此交叉轧制能有效改善6016铝合金板再结晶退火后的组织均匀性和塑性各向异性。
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    退火工艺对Zn/AZ31/Zn复合板材界面微观结构及力学性能的影响
    许凤光, 刘垚, 马文江, 张憬
    2020, 48 (8): 142-148.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2019.000456
    摘要 ( 394 )   HTML( PDF (3591KB) ( 92 )   引文文本
    采用热轧工艺制备Zn/AZ31/Zn复合板材,研究退火温度与时间对板材界面微观组织及力学性能的影响。结果表明:退火温度对界面扩散层的形成影响较大,低温退火无法形成良好的界面扩散层,而在200℃退火,可获得由Mg4Zn7和MgZn2相组成的良好的冶金结合界面。较高的温度(300℃)导致界面脆性Mg2Zn11相的析出,而引发微裂纹。在同一温度下,退火时间的延长仅影响扩散层的厚度,对其相组成没有影响。退火处理使板材的强度降低,但是塑性有所提高,在200℃热处理1 h获得的复合板材综合力学性能较好。
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    Zn对钢/铝异种金属搅拌摩擦焊接头界面组织及性能的影响
    张桂源, 李于朋, 宫文彪, 宫明月, 崔恒
    2020, 48 (8): 149-156.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2019.000446
    摘要 ( 469 )   HTML( PDF (7006KB) ( 145 )   引文文本
    采用离子喷涂方法在钢侧喷涂厚度为0.4 mm的Zn粉,对厚度同为3 mm的6005A-T6铝合金与S420MC钢板进行搭接搅拌摩擦焊实验。采用金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)和显微硬度等方法研究Zn对焊缝界面形貌、微观组织结构、力学性能及界面生长的影响。结果表明:无Zn层钢/铝接头和有Zn层钢/铝接头均在界面处形成了搅拌焊特有的"飞边",并延伸至铝基体中形成机械咬合接头,界面处均有AlFe,AlFe3,Al13Fe4金属间化合物产生。有钢质颗粒弥散分布在无Zn层的钢/铝接头的铝基体中。Zn的添加降低了界面反应层厚度,钢/铝搅拌摩擦焊界面结合方式为"机械+冶金"。接头断裂位置均在界面处,无Zn层钢/铝断裂接头为典型的"韧-脆"混合型断裂,有Zn层钢/铝接头为韧性断裂。最高显微硬度值从无Zn层接头的388HV降低到有Zn层接头的210HV。
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    纯钛表面载银微弧氧化陶瓷膜的制备及性能
    杜春燕, 赵晖, 赵海涛
    2020, 48 (8): 157-162.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2019.000214
    摘要 ( 467 )   HTML( PDF (2265KB) ( 130 )   引文文本
    将微弧氧化和水热处理相结合,在纯钛表面制备载银微弧氧化陶瓷膜,改善其润湿性及耐蚀性,并赋予抗菌性。采用扫描电子显微镜(SEM)、能谱分析(EDS)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱分析(XPS)对微弧氧化陶瓷膜层进行表征,通过接触角测试评价膜层亲水性,采用电化学测试对膜层耐蚀性进行评价,抗菌性实验分析膜层抗菌性。结果表明:载银微弧氧化陶瓷膜的表面形貌仍为火山多孔结构,纳米级Ag颗粒均匀分布在微孔周围。载银微弧氧化陶瓷膜的表面主要为TiO2和纳米Ag颗粒。载银微弧氧化陶瓷膜的亲水性比纯钛的亲水性高77.0%,比微弧氧化陶瓷膜的高68.2%。与纯钛相比,载银微弧氧化陶瓷膜的自腐蚀电位提高了0.44 V,与微弧氧化相比增加了0.31 V。微弧氧化陶瓷膜的抗菌率为32.2%,载银微弧氧化陶瓷膜的抗菌率大于99.9%。
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    AZ91D镁合金表面环境友好直接化学镀镍工艺研究
    宿辉, 刘辉, 张春波
    2020, 48 (8): 163-168.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2019.000977
    摘要 ( 519 )   HTML( PDF (2579KB) ( 133 )   引文文本
    为高效、环保地提高镁合金的耐蚀、耐磨性能。采用无氟、无铬、无氰、无锌直接化学镀镍方法,在AZ91D镁合金表面制备耐蚀、耐磨沉积层。利用SEM,EDS,XRD及电化学工作站等分别表征沉积前后镁合金表面的形貌、成分、物相及性能。结果表明:主盐-还原剂比例为1:1.4、络合剂浓度为16 g·L-1、pH=7、温度为(85±0.5)℃,镁合金表面沉积层平整、致密,由细小、均匀的胞状组织组成,主要成分为Ni,P,其中Ni含量为85.25%(质量分数),为非晶态结构。镁合金硬度由72HV(基体)提高到285HV,腐蚀电位由-1.524 V(基体)提高到-0.513 V,腐蚀电流密度降低了约3个数量级。基体与沉积层间结合力良好,无起皮、脱落现象,沉积层厚度约为38 μm。
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    薄壁结构工业CT尺寸测量误差与极限
    陈子木, 胡正伟, 王倩妮, 史亦韦
    2020, 48 (8): 169-176.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2019.000286
    摘要 ( 369 )   HTML( PDF (2021KB) ( 94 )   引文文本
    针对增材制造复杂构件中薄壁结构的高精度尺寸测量需求,推导了薄壁结构经工业CT系统成像后的图像灰度分布函数及边界位置特征,并对比分析了半高宽法和最大灰度梯度法的适用范围,计算了基于CT成像的尺寸测量极限。通过对校准尺寸的薄壁结构进行工业CT扫描成像实验,测量不同厚度薄壁结构的壁厚尺寸。结果表明:对于尺寸大于CT成像系统可测壁厚尺寸极限的薄壁结构,半高宽法相比最大灰度梯度法测量误差更小。薄壁结构尺寸测量极限可通过实验测量CT成像系统的边扩散函数后利用计算模拟的方法获得。
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