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  • 材料工程
      2022年, 第50卷, 第1期 刊出日期:2022-01-20 上一期    下一期
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    2022, 50 (1): 0-0.  
    摘要 ( 66 )   HTML PDF (12509KB) ( 171 )   引文文本
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    搅拌摩擦焊接专栏
    基于搅拌摩擦的金属固相增材制造研究进展
    石磊, 李阳, 肖亦辰, 武传松, 刘会杰
    2022, 50 (1): 1-14.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2021.000741
    摘要 ( 466 )   HTML PDF (0KB) ( 500 )   引文文本
    基于搅拌摩擦的固相增材制造是大型轻质合金构件成形制造的新技术,已成为国内外先进成形制造领域研究的热点之一。本文对目前国内外基于搅拌摩擦的金属固相增材制造技术及其相关工艺机理的研究现状进行了分析和总结。常见的基于搅拌摩擦的固相增材制造技术可分为三类:基于搅拌摩擦搭接焊原理,使板材逐层堆积,从而获得增材构件的搅拌摩擦增材制造(friction stir additive manufacturing,FSAM)技术;采用中空搅拌头,通过添加剂(粉末或丝材)进行固相搅拌摩擦沉积的增材制造(additive friction stir deposition,AFSD)技术;采用消耗型棒材,通过棒材的摩擦表面处理,形成增材层的摩擦表面沉积增材制造(friction surfacing deposition additive manufacturing,FSD-AM)技术。重点分析了金属材料基于搅拌摩擦的固相增材制造技术的国内外研究与应用现状,对比了三类基于搅拌摩擦的固相增材制造技术的特征及其工艺优缺点。最后指出增材工艺机理、形性协同控制、外场辅助工艺改型、新材料应用和人工智能优化是基于搅拌摩擦的固相增材制造技术未来研究的重点方向。
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    碳纤维增强树脂基复合材料与铝/镁合金连接研究进展
    金启豪, 陈娟, 彭立明, 李子言, 阎熙, 李春曦, 侯城成, 袁铭扬
    2022, 50 (1): 15-24.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2021.000524
    摘要 ( 177 )   HTML PDF (11388KB) ( 322 )   引文文本
    运载工具的轻量化是解决当前能源危机和环境问题的重要手段之一,得到国内外学者的高度重视。碳纤维增强树脂基(carbon fiber-reinforced polymer,CFRP)复合材料和以铝镁为代表的轻合金具有一系列优异的力学性能与加工特性,是极具应用前景的轻量化材料,实现这两种材料之间的有效连接,成为当下研究的热点。然而由于异种材料之间理化性能差异较大,在生产过程中混合应用多种轻量化材料仍面临巨大挑战。本文通过对胶接、机械紧固、搅拌摩擦及其变种工艺连接技术的研究进展、优缺点、发展趋势进行汇总分析,考察不同连接方式下获得接头的微观形貌,总结了CFRP与铝镁轻合金搅拌摩擦连接的三种机理包括宏观锚定、微观机械嵌合与化学键连接。最后,基于以上三种连接机理,指出进一步提升混合接头性能的关键在于增大金属母材表面粗糙度,增加熔融高分子面积和采用混合连接工艺。
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    几何参数对2219铝合金拉拔式摩擦塞补焊接头微观组织及力学性能的影响
    邵震, 崔雷, 王东坡, 陈永亮, 胡正根, 王非凡
    2022, 50 (1): 25-32.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2021.000657
    摘要 ( 104 )   HTML PDF (27293KB) ( 94 )   引文文本
    拉拔式摩擦塞补焊是火箭贮箱制造过程的重要技术之一。研究8 mm厚2219-T87铝合金拉拔式摩擦塞补焊接头的几何形状及其对接头微观组织和力学性能的影响。结果表明:塞孔及成形环几何形状对接头界面结合质量有重要影响。当焊接工艺参数为7000 r·min-1主轴转速,35 kN轴向拉力以及16 mm轴向进给量时,使用锥直孔塞孔可有效防止塞棒在焊接过程中发生颈缩,从而消除接头未焊合缺陷;使用阶梯孔形成形环可以改善接头界面受力状态,防止弱结合缺陷产生。微观组织分析表明,毗邻结合界面的母材侧组织发生动态再结晶,热机械影响区组织发生明显塑性变形。接头附近组织受焊接热循环和塞棒旋转挤压作用发生明显软化,硬度最低值出现在热机械影响区,约为90HV。当接头存在焊接缺陷时,接头抗拉强度及伸长率较母材大幅降低,而无缺陷焊接接头的抗拉强度及伸长率分别为360.1 MPa和6.45%,接头系数为0.828,断裂方式为韧性断裂。
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    铝/钢异种金属的超声振动强化搅拌摩擦焊接工艺
    吴程浩, 刘涛, 高嵩, 石磊, 刘洪涛
    2022, 50 (1): 33-42.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2021.000338
    摘要 ( 113 )   HTML PDF (14181KB) ( 84 )   引文文本
    采用新型超声振动强化搅拌摩擦焊接工艺实现了6061-T6铝合金以及QP980高强钢的搭接焊,对比分析了有无超声作用下,接头的宏观形貌、微观组织和拉伸剪切性能,同时研究了超声振动对焊接载荷的影响。结果表明:焊接前对母材施加超声振动,可以起到软化母材的作用,促进了材料的塑性流动,扩大了铝/钢界面区和焊核区,使更多的钢颗粒随搅拌针旋转进入铝合金侧,在界面区边缘形成钩状结构,进而提高了接头的失效载荷;超声改变了FSW接头断裂位置和断口形貌,提高了接头力学性能,在本实验工艺参数范围内,接头最大的平均失效载荷为4.99 kN;当焊接速度为90 mm/min,下压量为0.1 mm时,施加超声振动使接头的平均失效载荷提高了0.98 kN,拉剪性能提升28.24%;施加超声振动后轴向力Fz、搅拌头扭矩Mt和主轴输出功率分别下降2.46%,6.44%和4.59%。
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    综述
    二维纳米材料MXenes及其复合物在电催化领域中的应用研究进展
    王佳佳, 喻兰兰, 胡霞, 刘宝军
    2022, 50 (1): 43-55.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.001060
    摘要 ( 163 )   HTML PDF (9917KB) ( 189 )   引文文本
    MXenes作为一种新兴的二维层状过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化合物,近年来被广泛应用于物理、化学、材料科学和纳米技术领域当中。MXenes制备过程中会不可避免地出现缺陷和—O,—OH,—F官能团,同时具备高的电导率和大的比表面积,使得MXenes具有良好的电子转移速率,可作为一种优良的电化学催化剂。本文综述了MXenes在电催化领域的研究进展,介绍了MXenes多种合成方法、不同掺杂类型的发展现状,重点讨论了其在电催化产氢、产氧、氧气还原、CO2还原以及氮气还原过程中的应用及机理研究,并指出目前MXenes制备方法应朝着环境友好、形貌可控、难以氧化和高的可调节性方向发展,以便应用于不同的电催化反应中。
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    超薄材料电催化CO2还原合成液体燃料
    王裕超, 李倩, 曾坚, 唐帅豪, 郑焕然, 许梁, 陈志彦, 雷永鹏
    2022, 50 (1): 56-66.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2021.000191
    摘要 ( 85 )   HTML PDF (11838KB) ( 99 )   引文文本
    电催化CO2还原反应(CO2RR)不仅可以减轻过量CO2造成的负面影响,而且生成的含碳燃料有利于缓解能源短缺。但是,CO2RR路径较为复杂,存在着选择性低、电流密度低和稳定性差等问题,亟需开发高效廉价的催化剂来推进其发展。超薄材料具有大的比表面积、充分暴露的活性位点、加快的动力学传质和可调的电子结构等优势,有望突破CO2RR的研究瓶颈,因此备受关注。本文总结了近4年来不同超薄催化剂的合成及其在电催化CO2还原产液体燃料(甲酸、甲醇、乙酸)中的应用,探讨了超薄材料相较于块体材料的优势及其对催化活性、选择性以及反应路径的影响,并针对未来的发展趋势提出一些建议,包括超薄催化剂的合成方法学、作为载体的潜力、机理分析和机器学习。
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    锂离子电池用多孔电极结构设计及制备技术进展
    汪晨阳, 张安邦, 常增花, 吴帅锦, 刘智, 庞静
    2022, 50 (1): 67-79.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2021.000021
    摘要 ( 342 )   HTML PDF (10514KB) ( 394 )   引文文本
    随着人们对锂离子电池需求的日益增加,高能量密度和高功率密度锂离子电池技术成为研究热点之一。材料改性及新材料开发能有效提高电池的能量密度,除此以外,孔隙率、孔径大小与分布、曲折度及电极组分分布等电极的微观结构参数也是决定电极及电池性能的关键因素。通过优化电极结构设计提升高比能电池的性能逐渐成为人们关注的焦点。本文综述了锂离子电池多孔电极结构设计优化的研究进展,总结了多孔电极结构设计要素及制备方法,最后对电极结构设计优化以及推动新型制备技术的规模化应用在高比能锂离子电池领域的未来发展前景进行展望。
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    Ru对镍基单晶高温合金凝固特性、TCP相析出及蠕变性能影响的研究进展
    曹凯莉, 杨文超, 屈鹏飞, 黄太文, 郭敏, 苏海军, 张军, 刘林
    2022, 50 (1): 80-92.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.001084
    摘要 ( 137 )   HTML PDF (16776KB) ( 157 )   引文文本
    镍基单晶高温合金因优异的高温力学性能而被广泛应用于航空发动机和地面燃气轮机的涡轮叶片等关键热端部件。Ru元素作为第四代、第五代镍基单晶高温合金的主要特征元素,其添加对合金从凝固特性到最终的服役性能都起到关键的影响。本文从镍基单晶高温合金的凝固特性、凝固组织、TCP相析出及蠕变性能等方面出发,综述了Ru元素对镍基单晶高温合金影响的研究进展,系统分析了Ru的添加对合金凝固路径、凝固特征温度、微观偏析等凝固特性及共晶、碳化物等凝固组织的影响规律,并重点探究了Ru的添加能抑制TCP相析出及提高合金蠕变性能的原因。目前由于多组元交互作用对组织与性能影响机理的复杂性,使得含Ru高温合金的成分设计与优化具有更高的挑战,建议未来含Ru高温合金的相关研究从富Ru新相的析出原因及抑制、Ru添加对凝固缺陷的影响及Ru与其他元素交互作用对"逆分配"效应及TCP相析出的影响机制等方面做进一步探究,为发展新型高性能含Ru高温合金的设计提供思路。
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    研究论文
    合金元素复合化对Ti2AlNb合金高温抗氧化性能影响
    张明达, 刘英飒, 郑真, 曹京霞, 黄旭
    2022, 50 (1): 93-100.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000458
    摘要 ( 103 )   HTML PDF (8687KB) ( 215 )   引文文本
    Ti2AlNb合金具有良好的工艺性能、综合力学性能和较低的密度等性能优势,是新型航空发动机的重要选材之一。为拓宽Ti2AlNb合金的应用范围,需对传统Ti2AlNb合金进行合金成分优化和工艺组织调控以进一步增强其高温抗氧化性能。本研究在传统Ti-Al-Nb三元合金体系基础上,综合设计Mo,Zr,W等合金复合化的方法提高Ti2AlNb合金的抗氧化能力,通过对新型Ti2AlNb合金在750℃和850℃的氧化增重行为分析、氧化层特征结构分析、表面氧化物种类和合金成分过渡分布分析等,发现Mo合金元素引起Ti2AlNb合金在750℃上升至850℃时抗氧化性能的明显下降,Zr合金元素则始终保持着Ti2AlNb合金良好的高温抗氧化能力;更为深入的截面试样SEM表征可将氧化层结构细分为氧化物层、富氧扩散层和组织演变层,Zr和W合金元素对850℃高温氧化过程中不同氧化层结构具有协同抑制作用,因此提出通过Zr和W合金元素复合的方法作为新型Ti2AlNb合金抗氧化合金成分优化方向。
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    Co对Ti45Al-8Nb-0.3Y合金组织结构和高温抗氧化性能的影响
    谢小青, 李轩, 吕威, 来升, 刘益, 李建军, 谢文玲
    2022, 50 (1): 101-108.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2021.000116
    摘要 ( 97 )   HTML PDF (12934KB) ( 85 )   引文文本
    采用真空电弧非自耗熔炼方法制备Ti45Al-8Nb-0.3Y-mCo (m=0,0.5,1,2,原子分数/%,下同)合金,研究合金的组织和高温抗氧化性能。结果表明:Co能够明显细化TiAl-Nb合金组织,但对合金中α2+γ片层组织的形成具有较强烈的抑制作用,并且会促进富Co的B2相析出。Ti45Al-8Nb-0.3Y-mCo合金在1000℃空气中氧化100 h后形成的氧化膜均主要由较为疏松的TiO2和Al2O3混合组成,且TiAl-Nb-0.3Y合金的氧化增重随Co含量增加而增大,但氧化膜的抗剥落能力随Co含量增加而明显提高;添加Co能够在一定程度上降低氧化膜的内应力,对提高其抗剥落性能有益,但引起的粗大B2相析出削弱了合金的高温抗氧化性能。
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    静电喷雾法/原位洗脱法结合制备电致变色薄膜
    朱陈杰, 陈海权, 于有海
    2022, 50 (1): 109-116.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.001087
    摘要 ( 70 )   HTML PDF (14229KB) ( 184 )   引文文本
    电致变色材料在提倡低碳节能的发展理念下有很好的发展前景,而探索一种高效简单且性能优异的制备工艺尤为重要。利用静电喷雾法结合原位洗脱法制备了聚合物电致变色薄膜。根据电解质盐的颜色适配性和溶解性,选择四丁基高氯酸铵(TBAP)作为模板剂,在易加工的TPA-OMe-PA溶液中添加不同比例的电解质盐,然后利用静电喷雾技术在ITO玻璃表面沉积制备薄膜,再通过原位洗脱法去除其中的模板剂-电解质盐,最终制备出含有多层级孔结构的聚合物薄膜。采用电子扫描显微镜对其形貌进行分析,利用电化学工作站结合紫外/可见/红外光谱仪研究了薄膜的电致变色性能。研究结果表明,利用静电喷雾技术与原位洗脱法制备的聚合物薄膜具备多层级孔结构和良好的电致变色性能。其中电解质含量为33.3%(质量分数)时,多层级孔隙率最高,且电致变色性能最为优异,漂白时间/着色时间缩减至0.6 s/1 s,着色效率达到608.2 cm2·C-1,为已报道基于相同材料的电致变色薄膜的最快响应速度。
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    三维石墨烯-吡咯气凝胶/环氧树脂复合材料的制备及其性能
    王牧, 曾夏茂, 苗霞, 魏浩光, 周仕明, 冯岸超
    2022, 50 (1): 117-124.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.001180
    摘要 ( 115 )   HTML PDF (14198KB) ( 108 )   引文文本
    通过三步法及真空辅助浸渍的方法制备了石墨烯-吡咯气凝胶/环氧树脂复合材料,该复合材料质轻并且内部的多孔石墨烯-吡咯气凝胶具有较为均一的三维结构,在与环氧树脂复合之后,这种三维结构也能很好地保留。石墨烯的三维网络为电子传导提供了快速通道,使材料的导电性能显著提高,仅有0.23%(质量分数)填料含量的石墨烯-吡咯气凝胶/环氧树脂复合材料(1G-1% P,1300℃)的电导率可以达到67.1 S/m。石墨烯-吡咯气凝胶/环氧树脂复合材料(1G-1% P,1300℃)的电磁屏蔽性能在8~12 GHz可以达到33 dB,更重要的是石墨烯-吡咯气凝胶骨架还起到了增强环氧树脂基体力学性能的作用,弯曲强度和弯曲模量与环氧树脂基体相比分别提高了60.93%和25.98%(10G-5% P,180℃),石墨烯-吡咯气凝胶的三维结构可以有效地改善材料整体的电磁屏蔽性能以及力学性能。
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    碳纳米纤维增强聚酰亚胺复合气凝胶的合成与性能
    章玲, 王雪, 李家强, 罗楚养, 张威, 张礼颖
    2022, 50 (1): 125-131.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2021.000166
    摘要 ( 172 )   HTML PDF (8322KB) ( 211 )   引文文本
    以4,4'-二氨基二苯醚(ODA)、均苯四甲酸二酐(PMDA)为单体,酸化碳纳米纤维(a-CNF)为增强材料,采用溶胶-凝胶方式成型,运用冷冻干燥技术制备PI复合气凝胶。对复合气凝胶的形貌、隔热、吸波以及压缩性能等进行表征分析。研究结果表明:随着a-CNF含量的增加,PI复合气凝胶的收缩率从45.52%降至35.32%,密度也随之从0.084 g/cm3降至0.069 g/cm3,气凝胶孔洞分布呈增大增宽趋势。a-CNF的引入有效抑制了PI复合气凝胶的收缩率,热导率降低;整个体系的导电损耗增加,同时由于气凝胶的多孔结构提供了较好的阻抗匹配,使得PI复合气凝胶的反射损耗(RL)在8.3 GHz达到-9.7 dB。加入质量分数为15%的CNF/PI复合气凝胶压缩强度和压缩模量分别是纯PI气凝胶的近1.5倍和2倍。
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    缝合参数对泡沫夹层结构复合材料力学性能的影响
    徐学宏, 郑义珠, 陈吉平, 宁博, 刘晓忱
    2022, 50 (1): 132-137.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000071
    摘要 ( 67 )   HTML PDF (5534KB) ( 71 )   引文文本
    采用真空辅助树脂注射(VARI)成型工艺制备不同缝合方式和缝合密度的缝合泡沫夹层复合材料,研究缝合参数对平面拉伸、三点弯曲、芯子剪切以及滚筒剥离性能的影响。结果表明:缝合使泡沫夹层复合材料的平面拉伸强度和芯子剪切强度明显降低,可以改善弯曲性能并大幅提高滚筒剥离性能,改进锁式缝合方式优于临缝式缝合方式;适当地增加缝合行距对力学性能有一定的积极作用,但不利于滚筒剥离性能的提高;与未缝合泡沫夹层复合材料相比,当缝合密度为30 mm×10 mm时,改进锁式缝合泡沫夹层复合材料的平拉强度和芯子剪切强度分别降低了14.75%和24.79%,弯曲强度和平均剥离强度分别提高了7.96%和80.78%。
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    疏水磁性碳酸钙的制备及其除油特性
    林仕宏, 叶宝芳, 王永净
    2022, 50 (1): 138-144.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000079
    摘要 ( 81 )   HTML PDF (7916KB) ( 80 )   引文文本
    以硬脂酸为疏水改性剂,将其与Fe3O4纳米颗粒和市售CaCO3共混,分别以不同的原料质量比,制备疏水磁性碳酸钙HMC-1和HMC-2,并将HMC-2负载在PU海绵上用以提高其实用性能。采用X射线粉末衍射仪、红外光谱仪、差示扫描量热仪、接触角/表界面张力测量仪对合成样品的物相、表面有机官能团、热稳定性及疏水性能进行系列表征分析。结果表明,HMC-2比HMC-1,具有更稳定的疏水性能,除油前后水接触角基本保持不变,约为150°,除油后该材料没有出现类似HMC-1的铁渗出现象。将HMC-2负载在PU海绵上后,改性PU海绵在3 s内可去除98%的油,重复吸油20次仍能达到95%以上的除油率,吸油倍率(吸附油质量/吸附剂质量)大于100。
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    硅烷偶联剂及氧化石墨烯二次改性对芳纶纤维界面性能的影响
    刘龙, 梁森, 王得盼, 周越松, 郑长升
    2022, 50 (1): 145-153.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.001116
    摘要 ( 85 )   HTML PDF (12078KB) ( 89 )   引文文本
    为改善芳纶纤维(PPTA)与丁腈橡胶(NBR)复合材料之间的界面强度,采用硅烷偶联剂A172和氧化石墨烯(GO)对芳纶纤维表面进行接枝改性处理,并对处理前后的芳纶纤维进行化学结构、表面形貌及H抽出力分析。利用SEM对抽出纤维表面和橡胶基芳纶纤维复合材料截面进行微观结构分析。结果表明:硅烷偶联剂和氧化石墨烯对芳纶纤维进行二次表面改性后,纤维表面含氧基团增加,化学活性提高,处理后表面存在明显的表层附着物,纤维结构未发生明显损伤且表面粗糙度得到明显改善。每个处理阶段后H抽出力均有提高,且氧化石墨烯二次改性后的芳纶纤维H抽出力提高效果最佳,从18.192 MPa提高到48.748 MPa,芳纶纤维与丁腈橡胶的界面结合力得到了显著提升,从而证实了硅烷偶联剂和氧化石墨烯二次改性芳纶纤维的有效性,为橡胶基芳纶纤维复合材料性能的研究提供了参考。
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    石墨热压还原Cu/Cu2O金属陶瓷电导逾渗行为与微观结构分形表征
    于长清, 余悠然, 赵英民, 谢宁
    2022, 50 (1): 154-160.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2019.000988
    摘要 ( 67 )   HTML PDF (11675KB) ( 185 )   引文文本
    采用石墨热压还原法制备Cu/Cu2O金属陶瓷复合材料,并测试不同导通相(Cu)体积含量Cu/Cu2O金属陶瓷复合材料的直流电导率。为了实现对导通相形状、大小和分布状态的定量表征,通过对复合材料微观结构图像的二值化处理进行导通相分形维数计算,结合Cu/Cu2O金属陶瓷复合材料的电逾渗行为,分析复合材料微观结构与电性能之间的对应关系。结果表明:随着导通相体积分数的增加,逾渗无限团簇和逾渗骨架的总量随之增大,但逾渗骨架密度在逾渗阈值附近波动。此外,Cu/Cu2O金属陶瓷复合材料垂直热压方向与平行热压方向的分形维数相差约0.1。分形计算为定量表征导体/绝缘体双相复合材料中导通相的微观结构提供了一种计算方法,有助于对第二相随机分布的复合材料实现微观结构定量表征。
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