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  • 材料工程
      2020年, 第48卷, 第12期 刊出日期:2020-12-20 上一期    下一期
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    2020, 48 (12): 0-0.  
    摘要 ( 8 )   HTML( PDF (452KB) ( 48 )   引文文本
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    综述
    CNTs-纤维增强树脂基复合材料纳米-介观尺度数值模拟研究进展
    廖向娜, 贺雍律, 张鉴炜, 鞠苏, 江大志, 刘佳音, 刘钧
    2020, 48 (12): 1-11.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000154
    摘要 ( 394 )   HTML( PDF (10498KB) ( 305 )   引文文本
    CNTs的高刚度、高强度使得其成为复合材料领域极有前景的纳米增强体之一。然而,单纯依靠实验获得CNTs对复合材料力学性能影响规律的方法是不可行的,需要辅之以合适有效的数值模拟方法去解理和分析CNTs各个因素对于复合材料力学性能的影响机制和规律。本文首先依据实验中真实存在的CNTs形态确定了模型为纳米-介观尺度模型,然后基于建模方式和研究对象的差异综述了三种常见的纳米-介观尺度模型数值模拟方法,最后根据目前的数值模拟结果,从CNTs本征性能,CNTs的含量和分布两大方面综述了CNTs对复合材料力学性能的影响机制,为数值模拟研究提供了可靠支撑,同时也为实验性研究提供了有力的理论依据。此外,由于数值模拟方法和CNTs变量的多样性,CNTs-纤维增强树脂基复合材料的数值模拟仍存在着巨大的研究潜力。
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    基于层层自组装技术的复合聚电解质及其应用研究进展
    张帅, 黄燕萍, 赵国敏, 潘明珠
    2020, 48 (12): 12-23.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2019.000763
    摘要 ( 292 )   HTML( PDF (9780KB) ( 129 )   引文文本
    聚电解质是一类在分子链上带有可电离基团的长链高分子。利用聚电解质之间的静电作用,可以在溶液中缔合形成具有三维高分子结构的复合聚电解质。由于在分子生物学方面的重要地位,近几十年来复合聚电解质已经成为科学研究中最具吸引力的课题之一。本文综述并讨论了基于层层自组装技术的复合聚电解质的形成机理、影响因素、自组装方式及其在纳米反应器、药物缓释、生物传感器、纤维和织物阻燃领域的研究进展。最后指出简化复合聚电解质生产工艺,精确控制其形态结构,实现复合聚电解质的多功能化将是未来的研究热点。
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    三维石墨烯的制备及其在电阻型气体传感器领域的应用
    安飞, 孙冰, 李娜, 王世强, 王浩志
    2020, 48 (12): 24-35.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000605
    摘要 ( 264 )   HTML( PDF (13341KB) ( 76 )   引文文本
    传统的电阻型气体传感器大多基于金属氧化物半导体材料,其能耗高、响应灵敏度较差,无法满足工业气体检测的需求。随着近几年三维石墨烯材料研究的深入,三维石墨烯及其复合材料凭借其高的比表面积和电导率,成为近几年气体传感器的研究热点之一。本文从三维石墨烯的制备方法着手,对三维石墨烯基电阻型气体传感器的性能和应用进行了综述。同时针对目前三维石墨烯基气体传感器存在的响应恢复速度慢、生产规模小等问题,提出传感芯片微型化、生产智能化等解决方法,使其成为未来工业物联网的感应前端。
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    汽车领域纤维复合材料构件轻量化设计与工艺研究进展
    陈一哲, 赵越, 王辉
    2020, 48 (12): 36-43.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2019.001103
    摘要 ( 312 )   HTML( PDF (3500KB) ( 126 )   引文文本
    纤维复合材料由增强纤维与基体材料复合而成,具有强度高、密度小、耐腐蚀性好、可设计性强的优点,在汽车领域得到了广泛应用。随着汽车领域向低成本、高效率、自动化不断发展,复合材料构件成型制备面临更高的轻量化要求。从材料、结构、工艺三个方面综述汽车领域纤维复合材料构件轻量化研究进展,介绍连续纤维复合材料零部件的发展和应用,重点给出汽车领域纤维复合材料轻量化结构设计与加工工艺,对纤维复合材料发展的机遇和挑战进行展望。在节能减排的背景下,纤维复合材料在汽车轻量化设计中将有更广泛的应用。同时,如何降低复合材料制品成本也将成为新的挑战。
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    高导热金刚石/铝复合材料的研究进展
    刘园, 崔岩, 郭开金, 曹雷刚, 杨越
    2020, 48 (12): 44-52.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2019.000781
    摘要 ( 235 )   HTML( PDF (5023KB) ( 113 )   引文文本
    综述热管理用高导热金刚石/铝复合材料的主流制备技术和影响其导热性能发挥的关键因素,重点介绍真空热压烧结、放电等离子烧结、无压浸渗、真空气压浸渗和挤压铸造等制备工艺,并评述各自的优缺点及其适用性。探讨金刚石颗粒特性、基体合金元素和金刚石表面镀层对复合材料的界面组态与导热性能的影响规律,指出通过基体合金化和金刚石表面金属化可改善复合材料的界面结合状态,提出改善金刚石/铝复合材料的导热性能应重点关注界面微结构调控及其对复合材料界面热传导的作用机制。
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    研究论文
    自支撑三维多孔Cu@SnO2膜电极的制备及储锂性能
    杨欢, 乔志军, 张志佳, 康建立, 于镇洋
    2020, 48 (12): 53-59.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2019.000986
    摘要 ( 306 )   HTML( PDF (11775KB) ( 70 )   引文文本
    针对传统电极制备中纳米活性材料负载量低的问题,采用非溶剂致相分离法和还原/烧结工艺继承高分子膜的三维多孔结构获得高负载自支撑三维多孔Cu@SnO2(3DCu@SnO2)膜电极。通过扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和电化学工作站对自支撑膜电极的形貌、结构和电化学性能进行表征,明确了材料比例和烧结温度对自支撑膜电极结构和性能的影响。结果表明:铜粉含量60%(质量分数,下同)且经600℃烧结的膜电极拥有三维双连通多孔结构,SnO2负载量高达30%。在100 mA·g-1的电流密度下,可逆比容量可达715 mAh·g-1,循环50次后,仍可保持在433.9 mAh·g-1,电流密度增大到600 mA·g-1,其比容量保持率可达72%。与传统涂布电极相比3DCu@SnO2膜电极的电阻降低了70%。
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    可注射海藻酸钠/泊洛沙姆复合水凝胶的制备及药物缓释研究
    候冰娜, 郑泽邻, 赵梓年, 李进, 倪凯, 赵琳琳, 李征征
    2020, 48 (12): 60-67.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000283
    摘要 ( 337 )   HTML( PDF (7373KB) ( 146 )   引文文本
    泊洛沙姆是一种温敏性合成聚合物,随着温度改变能够实现溶胶-凝胶转变,但其相对分子质量低,水凝胶结构很难长期保持。本研究以泊洛沙姆为基体,通过与海藻酸钠溶液混合制备了温敏性海藻酸钠/泊洛沙姆复合水凝胶(SA/P407)。通过傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、试管倒置法、扫描电子显微镜(SEM)、旋转流变仪和紫外-可见分光光度计(UV-Vis)对海藻酸钠/泊洛沙姆复合水凝胶的结构、温敏性、微观形态、动态黏弹性和体外药物释放性能进行了表征,此外还研究了海藻酸钠/泊洛沙姆复合水凝胶的溶胀性能。结果表明:海藻酸钠/泊洛沙姆复合水凝胶具有温敏性,通过加入海藻酸钠能够降低泊洛沙姆在体温下的成胶浓度(质量分数为6%);通过控制海藻酸钠与泊洛沙姆的质量比,能够使溶胶-凝胶转变温度处于室温与体温(25~37℃)之间,并且缩短凝胶化时间为84 s;海藻酸钠/泊洛沙姆复合水凝胶具有高度孔隙化且孔隙之间相互连通的结构特点,其孔径大小处于20~80 μm范围内;随着海藻酸钠添加量的增加,海藻酸钠/泊洛沙姆复合水凝胶的溶胀率逐渐降低;海藻酸钠/泊洛沙姆复合水凝胶对抗癌药物吉西他滨具有缓释作用,药物释放时间可达72 h。海藻酸钠/泊洛沙姆复合水凝胶在可注射药物缓释载体方面具有重要的应用前景。
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    明胶辅助共沉淀法合成硫化铜纳米材料及其光热消融癌细胞
    余宛键, 耿鹏, 文玫, 陈志钢
    2020, 48 (12): 68-74.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2019.001037
    摘要 ( 262 )   HTML( PDF (15608KB) ( 88 )   引文文本
    以明胶(Gelatin)为配体,通过共沉淀法合成CuS-gelatin纳米材料。研究明胶用量、反应温度和时间对CuS纳米材料的形貌、晶相、光吸收等方面的影响。遴选出最优材料,探索其光热转换性能、细胞毒性和癌细胞光热消融效果。结果表明:最佳明胶用量为0.25~0.5 g,提高温度或增加时间会使CuS样品的尺寸增大且结晶度提高。当明胶用量为0.5 g,80℃下反应6 h得到的CuS-gelatin纳米颗粒具有最强的近红外光吸收能力。用功率密度为1.0 W/cm2的1064 nm激光照射0.1 mL浓度为0.4 mg/mL的CuS-gelatin纳米颗粒分散液,在300 s内CuS-gelatin分散液升温约30.8℃,光热转换效率达到35.7%。与纯CuS相比,CuS-gelatin表现出较低的细胞毒性,在1064 nm激光照射10 min后其能有效地光热消融癌细胞。
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    退火温度对PECVD法制备SiO2/Si3N4光学薄膜性能的影响
    吴立宇, 李小强, 王斌, 屈盛官
    2020, 48 (12): 75-81.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2019.000894
    摘要 ( 256 )   HTML( PDF (5690KB) ( 91 )   引文文本
    基于多层光学薄膜的基本原理及算法,采用等离子体增强化学气相沉积方法在GaAs衬底上制备SiO2/Si3N4双层减反射膜,通过原子力显微镜(AFM)、傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)、椭圆偏振仪、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱分析(XPS)、紫外-可见分光光度计对薄膜的形貌、结构及光学性能进行表征,研究不同退火温度对薄膜性能的影响。结果表明:退火前后薄膜均为结晶态;随着退火温度升高,薄膜反射率及粗糙度逐渐降低,700℃时薄膜平均反射率及粗糙度最低,分别为12.65%和1.64 nm;退火后光谱曲线往短波方向移动了30 nm,呈现典型的"蓝移"现象,表明退火后薄膜光学厚度逐渐降低。
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    g-C3N4纳米片光电极的制备及其光电催化降解四环素性能
    胡晓峰, 彭清琪, 张文华, 叶文华, 王辉虎
    2020, 48 (12): 82-89.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2019.000576
    摘要 ( 197 )   HTML( PDF (10043KB) ( 60 )   引文文本
    通过简便的滴涂法制备g-C3N4纳米片光电极,研究前驱体原料及偏压对光电极光电协同催化降解四环素性能的影响规律。结果表明:由尿素及二氰二胺混合前驱体煅烧所制备的光电极(DUCN)呈现出最佳的污染物去除效果,这可能是由于DUCN光电极具有最好的成膜性和更高的光生电子-空穴分离效率所致。此外,在光电催化(PEC)过程中,光催化(PC)和电催化(EC)相互促进和优化,表现出明显的协同效应。DUCN光电极在1.0 V偏压下对初始浓度为5 mg/L的四环素污水溶液去除率最高,分别是光催化与电催化去除率的5.6倍和3.8倍。去除效果增强的原因可能是在光电协同效应下,外加偏压使得光生电子能够有效地转移至对电极,促进了光生电子-空穴的分离。
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    掺杂锆对CeO2-ZrO2-Al2O3复合氧化物还原热处理性能的影响
    杨黄根, 谭喻方, 韦庆敏, 晏全, 陈渊, 朱立刚, 覃利琴, 肖益鸿
    2020, 48 (12): 90-96.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2019.000455
    摘要 ( 190 )   HTML( PDF (4373KB) ( 82 )   引文文本
    采用共沉淀法制备铈锆铝复合氧化物CZxA(Ce,Zr,Al摩尔比为1:x:2,其中x=0,0.5,1,1.5,2)新鲜样品,分别在空气和10% H2/Ar气氛下进行热处理,利用X射线粉末衍射、N2吸脱附BET法、O2脉冲吸附、H2程序升温还原(H2 temperature-programmed reduction,H2-TPR)等手段研究复合氧化物的结构及性能。结果表明:CZxA系列样品随着Zr含量的增加,经1100℃还原热处理的CZ1.5A-H2-1100和CZ2A-H2-1100样品没有观察到CeAlO3晶相;其储氧量分别为713,548 μmol·g-1,远大于CZA-H2-1100的23 μmol·g-1;H2-TPR耗氢量分别为1995,2087 μmol·g-1,而CZA-H2-1100样品H2-TPR耗氢量显著减小,仅为310 μmol·g-1,CZxA储氧性能受还原热处理时CeAlO3形成的影响,与H2-TPR耗氢量的变化结果相吻合。研究发现CA样品经还原热处理更易生成CeAlO3,而在CA中掺杂一定量Zr元素后的CZ1.5A,CZ2A样品能抑制CeAlO3的形成,从而显著改善材料的储氧性能和H2-TPR耗氢量,且铈锆铝材料经还原热处理,均具有更好的低温还原性能。
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    相变蜡@聚乙烯醇储能调温整理液的制备及其在棉织物上的应用
    刘国金, 石峰, 张国庆, 周岚
    2020, 48 (12): 97-102.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2019.000959
    摘要 ( 225 )   HTML( PDF (8510KB) ( 79 )   引文文本
    以相变蜡为储能调温材料、聚乙烯醇(PVA)为包覆材料,经高速剪切乳化制备储能调温整理液,并通过浸轧-焙烘方式整理棉织物。分析相变蜡的基本性能和PVA的成膜性能,探讨相变蜡与PVA的配比及乳化剂用量对整理液性能的影响,并采用扫描电子显微镜(SEM)、热差示扫描量热仪(DSC)、热重分析仪(TG)、迷你温度记录仪和水洗实验表征调温棉织物的表面形貌、储能调温性能和耐洗牢度。结果表明:相变蜡的熔融温度为30.24℃,热焓值为190.0 J/g,过冷度为5.82℃,PVA在70℃以上成膜速率快,成膜性良好且与基材的黏附性较强;当相变蜡与PVA的投料比为5:1,乳化剂用量占相变蜡4.8%(质量分数)时,所得储能调温整理液较为稳定;通过浸轧-焙烘整理,所得调温棉织物的纤维表面包裹明显的储能调温薄膜,相变热焓值为20.51 J/g,相转变温度为27.67℃,在同等降温条件下表现出优异的储能调温功能,可经受住约30次的水洗。
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    中间退火前的冷轧变形量对6A16铝合金组织与性能的影响
    闫丽珍, 张永安, 熊柏青, 李锡武, 李志辉, 陈凯欣
    2020, 48 (12): 103-110.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2019.001064
    摘要 ( 289 )   HTML( PDF (42622KB) ( 90 )   引文文本
    通过EBSD和力学性能测试等手段研究中间退火前不同的冷轧变形量对6A16铝合金板材后续加工过程中组织和成形性能的影响规律。结果表明:随中间退火前冷变形量的增加,退火后的晶粒尺寸减小,完全再结晶比例增大,冷轧后板材具有明显变形态组织的特征,晶粒尺寸逐渐增大。冷轧态板材经过T4P处理后,晶粒尺寸随中间退火前冷变形量的增加而逐渐增大,加工硬化指数n10%~20%值无变化,而塑性应变比r10%值呈增加的趋势,说明当中间退火前冷轧变形量为66.67%时,板材的成形性能最好。
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    6061铝合金膨胀-连续剪切变形行为
    项瑶, 卢立伟, 吴木义, 马旻, 康伟, 刘欢, 唐伦圆
    2020, 48 (12): 111-118.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2019.001043
    摘要 ( 292 )   HTML( PDF (16330KB) ( 83 )   引文文本
    采用膨胀-连续剪切变形新技术制备6061铝合金板材,利用有限元模拟探讨6061铝合金挤压变形行为;通过电子背散射衍射、拉伸实验、扫描电子显微镜等测试分析手段,对6061铝合金微观组织及力学性能进行研究。结果表明:膨胀-连续剪切变形可协调铝合金变形过程中金属流速的稳定性;剧烈塑性变形使坯料内部产生大且均匀的等效应变,从而诱发连续动态再结晶,且细晶组织取向呈分散分布,可有效细化晶粒及弱化织构;挤压后6061铝合金力学性能较为优良,抗拉强度高达380 MPa,伸长率为21%,断口形态存在大量韧窝,属韧性断裂。
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    球磨时间对粉末冶金制备超细晶Mg-3Al-Zn合金组织及力学性能的影响
    房娃, 李继光, 杜正勇
    2020, 48 (12): 119-125.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2019.001123
    摘要 ( 221 )   HTML( PDF (11082KB) ( 76 )   引文文本
    采用高能球磨+冷压制坯+温挤压工艺制备超细晶Mg-3Al-Zn合金,研究球磨时间对合金组织及力学性能的影响。结果表明:球磨过程中Al和Zn元素完全固溶到镁基体中,形成了单相固溶体。球磨20 h后,粉末颗粒平均粒径约为25 μm,平均晶粒尺寸约为45 nm;粉末经冷压制坯+温挤压致密化后,球磨20 h合金的平均晶粒尺寸为600 nm,晶粒形状规则且为等轴晶。所有超细晶合金都表现出较高的力学性能,球磨20 h后合金屈服强度为369 MPa,抗拉强度为401 MPa,断裂应变为3.5%。超细晶镁合金的拉伸真应力-真应变曲线呈现出一种理想刚塑性的特征,而压缩真应力-真应变曲线明显分为加工硬化、加工软化、加工硬化3个阶段。
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    316L超薄板激光焊接的失稳变形规律
    张景祺, 林健, 雷永平, 许海亮, 王细波
    2020, 48 (12): 126-134.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2019.001168
    摘要 ( 239 )   HTML( PDF (11709KB) ( 84 )   引文文本
    基于以能量准则判定的薄板稳定理论,建立超薄板激光焊接头失稳变形的有限元模型。使用ABAQUS模拟了0.07 mm厚的316L钢箔平板堆焊的温度场和应力场,获得其固有应变的分布情况。以固有应变作为等效载荷对薄板的焊后失稳变形进行特征值屈曲分析,与实测变形结果进行对比,优化数值模型,发现在较低热输入下,超薄金属板产生凹-凸变形,在较高热输入下产生反向的凸-凹变形。讨论了薄板变形模态发生改变的原因。引入低阶特征值屈曲模态作为初始变形趋势进行非线性屈曲分析,分析失稳变形量,与实际变形测量结果基本一致。保持薄板长宽比为1:1,改变薄板尺寸,拟合了薄板临界失稳载荷与其尺寸的数值关系。结果表明,薄板面积越小,薄板的临界屈曲载荷越大。而随着薄板厚度的增大,临界屈曲载荷显著增大。
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    循环热处理对1Cr-0.5Mo钢碳化物演变和冲击韧性的影响
    陈广兴, 张勇伟, 许晓嫦, 徐琛, 李红英, 赵明纯
    2020, 48 (12): 135-140.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2019.001098
    摘要 ( 209 )   HTML( PDF (8634KB) ( 78 )   引文文本
    采用定量金相法和电解萃取法,结合扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、电子探针显微分析仪(EPMA)及低温冲击测试研究1Cr-0.5Mo钢在循环热处理过程中碳化物的演变行为及其对冲击韧性的影响。结果表明:随着循环热处理次数的增加,1Cr-0.5Mo钢珠光体组织中的层片状碳化物逐渐溶解并球化,同时碳化物的类型发生M3C→M23C6的变化;增加循环热处理次数会促进M23C6沿着晶界析出和连接,显著恶化1Cr-0.5Mo钢的冲击韧性,当循环热处理次数达到4次时,M23C6沿着晶界呈链状分布,1Cr-0.5Mo钢的冲击韧性已无法满足使用要求。在循环热处理过程中,1Cr-0.5Mo钢中总体碳化物的平均等效圆直径受层片状碳化物溶解和Ostwald熟化机制的影响表现为先减小后增大的趋势。
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    应变率对TB17钛合金亚稳β晶粒变形机制的影响
    信云鹏, 朱知寿, 王新南, 商国强, 祝力伟, 李明兵, 李静, 刘格辰
    2020, 48 (12): 141-147.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2019.000974
    摘要 ( 236 )   HTML( PDF (12949KB) ( 75 )   引文文本
    采用光学显微镜(OM),电子背散射衍射(EBSD)和透射电子显微镜(TEM)研究不同应变率(0.001,1,3×103 s-1)加载对TB17钛合金亚稳β晶粒变形机制的影响。结果表明:亚稳β晶粒对应变率的敏感性较高,应变率为1 s-1时合金的抗压强度较应变率为0.001 s-1时提高约25%,在应变率为3×103 s-1的动态加载下,合金抗压强度也有较大幅度的提升;在较低应变率(<1 s-1)加载变形时,主要以滑移变形为主,并在滑移线周围形成小角度晶界;在较高应变率(3×103 s-1)加载变形时,主要发生应力诱发马氏体相变。
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    不同冷却速率条件下Y对重力浇铸ZL114A共晶硅和力学性能的影响
    吴桢, 刘闪光, 陆政, 毛郭灵, 严寒
    2020, 48 (12): 148-155.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2019.000806
    摘要 ( 174 )   HTML( PDF (17891KB) ( 90 )   引文文本
    利用扫描电子显微镜(SEM)、室温拉伸实验研究了不同冷却速率条件下,不同含量的Y元素对ZL114A合金铸态和固溶淬火态的共晶硅形貌、力学性能以及断裂方式的影响。结果表明,无论是在慢冷(V=0.16℃/s)还是在快冷(V=3.2℃/s)条件下,Y都能变质共晶Si并提高铸态合金的力学性能,且在快冷条件下效果更加明显。被Y元素变质的共晶Si在固溶处理时更容易发生熔断、球化,因此合金固溶淬火态的力学性能更好,伸长率大幅提高,尤其是在快冷条件下。随着Y元素的加入,ZL114A合金裂纹萌生方式由在共晶Si与铝基体结合的界面处产生转变为由共晶Si破裂和在界面处产生二者结合。
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    原始层厚比对Ni/Al多层含能结构材料放热性能及力学性能的影响
    丁青云, 骆心怡, 陶杰, 廖莎
    2020, 48 (12): 156-162.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2019.000954
    摘要 ( 213 )   HTML( PDF (8911KB) ( 69 )   引文文本
    采用化学镀和热压复合法制备微米级尺度的Ni/Al多层含能结构材料,研究层厚比对其组织结构、放热性能和力学性能的影响,并分析其失效模式。结果表明:Ni/Al多层含能结构材料界面结合良好,无金属间化合物生成;随着原始层厚比的增加,界面反应起始温度增高;层厚比为2/3的Ni/Al多层含能结构材料具有最高的能量密度,为1051.62 J/g,同时还具有良好的强度和塑性,其抗拉强度、伸长率和抗弯强度分别达285.05 MPa,8.87%和309.09 MPa;随着Ni/Al原始层厚比从1/2增加到1/1,抗拉强度和抗弯强度均提高,塑性降低,这与其成分和界面结构有关;Ni/Al多层含能结构材料失效模式为分层与断裂混合破坏,且随着层厚比的增加,界面分层现象加剧。
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    2020, 48 (12): 163-165.  
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