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本文综述了高温下前驱膜的形成机制，即表面扩散机制、蒸发-凝结机制、皮下渗透机制和快速吸附-薄层漫流机制。在实验表征的金属/金属润湿体系中，最有可能的机制为皮下渗透机制，其形成与表观接触角、接触半径、固体金属与氧化膜的间隙大小有关。在金属/陶瓷体系中，前驱膜的形成通常为快速吸附-薄层漫流机制。前驱膜为吸附机制时，需要满足液/固界面的相对惰性和高亲和力这一矛盾体。同时介绍了高温反应润湿体系中，前驱膜的另一种可能的机制，即薄膜传输机制；指出研究前驱膜的难点在于前驱膜的不可预测性和不稳定性，其发展方向应趋于系统化，并建立相应的理论模型。
本文对钛合金/钢的异种接头连接技术的研究现状进行了总结和综述，分析了钛合金/钢直接连接和含中间层连接界面的显微组织特征，重点阐述了添加不同中间层(铜、铜基合金及其他)的钛合金/钢界面产物的形成和演变过程，并归纳了不同中间层与制备工艺的钛合金/钢力学性能，最后总结了制备良好的钛合金/钢接头可以采取的方法与设计思路，并指出该领域未来发展除使用传统方法继续深化现有研究外，可与模拟仿真结合，达成更具深度的认识与实验预测。
开展了厚度为4 mm的6061铝合金/AZ31B镁合金板的搅拌摩擦对接工艺实验，对比分析了常规搅拌摩擦焊(FSW)和超声振动强化搅拌摩擦焊(UVeFSW)的焊缝横截面与水平截面的材料流动情况、界面金属间化合物厚度、机械锁合程度以及接头拉伸性能等，探究了超声振动的作用机理。结果表明：超声振动能够促进接头不同部位的材料流动和热量传输，从而减小甚至消除焊接缺陷; 施加超声振动后，铝/镁界面处的金属间化合物均有所减薄，同时界面机械锁合程度也均有所增强，因此UVeFSW接头的抗拉强度相比于同一工艺参数时FSW接头有所提高，施加超声振动后接头的最高抗拉强度达到了174.20 MPa。
采用连续驱动摩擦焊技术焊接纯铝1060/Q235低碳钢异质接头，开展两个周期(30天/60天)热电耦合实验(静载392 N+高温300 ℃+直流60 A)，研究热电耦合对铝/钢异质接头焊缝微观组织、力学性能及界面生长的影响。结果表明：原始态接头界面径向金属间化合物(IMCs)层厚度不均匀，中心区域无明显IMCs生成。热电耦合30天后界面中心生成宽度为0.3~0.5 μm且以颗粒状由钢侧向铝侧弥散分布的IMCs层，整体拉伸断裂在铝母材的热力影响区。热电耦合60天后IMCs层与钢侧之间出现腐蚀沟槽，IMCs破碎，钢侧无裂纹产生，铝侧形成大量由IMCs层向铝母材内部扩展的裂纹和孔洞，焊缝及裂纹尖端处成分偏析，整体拉伸断裂在焊缝处。界面腐蚀和失效速率与界面IMCs层的厚度成正比，即vcenter＜v1/2R＜v2/3R。由于原始态接头界面组织不均匀以及热电耦合实验过程中界面不同位置组织生长速率的差异，使得热电耦合后接头界面2/3R位置出现不同断裂形貌的分界线，2/3R内侧以准解理断裂方式为主，2/3R外侧为韧窝断裂和准解理断裂的综合结果。
采用真空扩散连接方法研究Fe/Al异质金属接头界面组织演变规律、金属间化合物(intermetallic compound，IMC)生长动力学及力学性能。结果表明：焊接温度为550 ℃时，接头界面无IMC生成，当焊接温度超过575 ℃时，界面由Fe2Al5及少量FeAl3 IMC构成，且随焊接温度升高IMC层迅速长大。在120 min保温时间条件下，接头剪切强度随焊接温度的升高先增加后降低，当焊接温度为575 ℃时，接头剪切强度达到最大值37 MPa。在550~625 ℃范围内，基于热力学分析得出Fe2Al5的吉布斯自由能ΔGFe-Al最低，而FeAl3的ΔGFe-Al次之，在接头界面处IMC生成顺序为Fe2Al5→FeAl3。Fe/Al接头界面IMC的生长随焊接温度呈抛物线规律，其生长激活能为282.6 kJ·mol-1。在575，600，625 ℃条件下，界面IMC的生长速率分别为1.13×10-14，3.59×10-14，1.21×10-13 m2·s-1。
采用自主设计制备的Zr-42.9Cu-21.4Ni非晶钎料对TiAl合金和316L不锈钢进行真空钎焊，研究钎焊温度和钎焊时间对TiAl合金/316L不锈钢异种金属接头微观组织和剪切性能的影响。结果表明：钎缝界面可以划分为6个不同的反应层。1040 ℃/10 min下制备的钎焊接头从TiAl合金到316L不锈钢侧界面组织依次为γ(TiAl)+AlCuTi/α2(Ti3Al)+AlCuTi/AlCu+ZrCuNi+FeZr/Cu8Zr3+ZrCuNi+TiFe+Fe2Zr/FeZr+Fe2Zr+TiFe2+ZrCu/α-(Fe, Cr)。随着钎焊温度的升高，接头的抗剪强度先升高后降低。当钎焊温度为1040 ℃和钎焊时间25 min时，接头抗剪强度达到最大值162 MPa。断口分析表明，接头在FeZr+Fe2Zr+TiFe2+ZrCu界面处萌生，沿着Cu8Zr3+ZrCuNi+TiFe+Fe2Zr和α-(Fe, Cr)扩展，呈解理断裂。
固态锂电池是新能源领域最有希望的下一代高能量密度电池体系之一。本文以聚合物固态电解质-锂负极界面的构型特征和形成机理为基础, 系统讨论界面接触性、界面化学和电化学反应、锂负极枝晶生长等问题对二者之间的界面稳定性与兼容性的影响。基于此, 本文重点阐述了掺杂改性、结构设计等手段在三种聚合物基体与锂负极之间的界面的应用。此外, 本文还综述了常见界面表征手段及其在聚合物固态电解质-锂负极界面的应用情况。最后, 基于设计和构筑稳定的聚合物固态电解质-锂负极界面的相关策略, 本文对掺杂、核层设计等界面优化手段的发展前景进行分析与展望。
非晶合金因其独特的短程有序、长程无序原子结构特征, 使其具有了一系列优异的力学、物理、化学等性能, 在先进金属结构材料领域具有巨大的潜在应用价值。但非晶合金在室温承载变形时, 原子团簇发生剪切转变形成的大量自由体积会演化为高度局域化剪切带, 局域化剪切带由于缺乏介质的阻碍会发生失稳扩展, 导致非晶合金极易发生室温脆断, 特别单轴拉伸时基本无塑性。为克服这个缺憾, 研究者们提出将微米级尺寸的晶体相引入非晶来抑制剪切带的失稳扩展, 使得内生第二相增韧非晶复合材料具有了明显的拉伸塑性能力, 因此倍受材料学界的关注。近年来, 研究者们陆续通过成分设计、制备技术、热处理工艺等方法来实现非晶复合材料的塑性变形能力的提升, 使得非晶复合材料有望走向实际的工程应用。本文围绕内生第二相增韧非晶复合材料的微观组织调控这一关键科学问题, 从影响非晶复合材料微观组织结构的因素(合金成分设计、制备工艺参数、微观结构构筑等)到微观组织对其室温力学性能的影响机制两方面的研究成果进行了系统总结, 重点阐述了近10年来内生第二相增韧非晶复合材料领域组织调控及其室温力学性能关联性方面的研究进展, 并且对内生非晶复合材料研究领域目前的存在的问题和挑战进行了展望, 以期为高强高韧内生第二相增韧非晶复合材料的设计与制备提供理论参考。
电磁污染已成为继空气污染、水污染和噪声污染之后的第四大污染, 吸波材料因其吸收和衰减特性, 可以作为解决电磁污染的有效手段。聚苯胺(PANI)作为一种电阻损耗型吸波材料, 可以满足吸波材料"厚度薄"、"质量轻"的发展理念, 但由于阻抗匹配度差, 吸波性能并不理想。铁氧体作为一类传统的磁损耗型吸波材料, 因其密度较高使其适用范围受到限制。高密度的铁氧体与低密度的聚苯胺复合制备的吸波材料, 不仅可以调整复合材料的密度, 而且还能改善复合材料的阻抗匹配, 提高铁氧体/聚苯胺复合材料的吸波性能。本文首先探讨了聚苯胺以及铁氧体/聚苯胺复合材料的制备方法, 其次阐述了铁氧体/聚苯胺复合材料的吸波机理。然后分别归纳了尖晶石型、磁铅石型、石榴石型铁氧体与聚苯胺制备的复合材料在吸波领域的研究进展。最后指出铁氧体/聚苯胺复合材料应趋向于电磁仿真和多元复合化的方向发展。
为响应国家提出的2030年碳达峰及2060年碳中和的目标, 火电发电机组蒸汽参数(如蒸汽温度与压力)尚需进一步提高, 这无疑为火电机组的安全运行带来严峻挑战。作为影响火电机组锅炉安全服役的两个重要因素, "高温烟气腐蚀"与"应力"协同作用导致锅炉受热面材料失效常被简化或独立研究。本文首先从烟气腐蚀和应力失效着手, 简述锅炉受热面合金烟气腐蚀机理, 分析影响烟气腐蚀性能的材料因素(金属种类、合金元素、金属表面状态)及环境因素(温度、腐蚀气氛及煤灰成分), 并从腐蚀与应力相互影响的角度, 讨论火电机组受热面合金在高温烟气腐蚀与应力协同作用下的失效行为。此类合金虽然在高温烟气腐蚀环境中不存在应力腐蚀开裂倾向, 但腐蚀产物会显著影响材料的高温蠕变及持久寿命。同时, 应力造成的缺陷会改变材料的腐蚀过程。因而, 本文重点介绍了火电机组锅炉环境下, 高温烟气腐蚀与应力协同作用对不同材料性能的影响, 并以18-8型奥氏体钢Super304H为例, 完整分析从烟气腐蚀行为到腐蚀与应力耦合作用行为。最后, 对未来烟气腐蚀与应力之间的相互作用及协同作用下材料的失效机理进行展望。
针对富锂锰基正极材料独特的首周充电特性, 设计了一种脉冲化成制度, 通过优化化成制度减少富锂锰基/硅碳体系电池化成过程中的产气量, 提高电池的循环电化学性能。通过GC-MS, SEM, XPS和电化学测试表明, 对比传统的化成制度, 采用脉冲化成制度后电池的产气量降低了37%左右。此外, 脉冲化成制度能在正、负极活性物质表面形成一层致密的膜结构, 同时可以缓解化成过程中电芯结构的应力, 稳定电极结构。脉冲化成制度还可以有效地节省化成时间, 将时间从102.6 h缩短至81.5 h。提升了长循环过程中的电化学稳定性, 500周次循环后, 容量保持率和中值电压均得到了显著的提升。
研发高性能、低成本的非贵金属阴极氧还原反应催化剂是目前质子交换膜燃料电池的主要研究方向之一。以1, 10-菲啰啉为氮源, FeSO4·7H2O为铁源, 考察以ZIF-8为载体制备的FeN/ZIF-8催化剂的氧还原反应催化性能, 并探究酸处理对FeN/ZIF-8催化剂结构及性能的影响。通过X射线衍射、比表面积和孔径分布测试、透射电子显微镜等物理表征手段对催化材料进行结构表征, 使用旋转圆盘电极对催化剂氧还原反应催化活性和稳定性进行测试。结果表明: 以ZIF-8为载体制备的催化剂含有Fe3C, 以及具有较大的比表面积, 这可能是催化剂具有较高氧还原反应初始催化活性的原因。酸处理可去除催化剂中部分不稳定的含铁碳化物和无序碳结构, 使催化剂具有更大的比表面积、更丰富的介孔结构和更高的孔体积; 同时, 酸处理可提高碳基体的耐腐蚀性, 在老化测试中维持催化剂所具有的较高比表面积和丰富的介孔结构, 从而使FeN/ZIF-8-A催化剂表现出更好的氧还原反应活性和稳定性。
短切碳纤维片状模塑料(SMC)复合材料内部复杂的纤维三维分布及其造成的多样微裂纹演化过程加剧了其失效分析的难度。针对短切碳纤维SMC复合材料的失效行为进行研究, 提出采用微观尺度X射线断层扫描技术实时表征材料内部的微观结构, 捕捉碳纤维和微裂纹的几何信息, 结合先进的图像采集和图像处理技术, 进而准确重构出短切碳纤维SMC复合材料在受力过程中的三维结构变化以及微裂纹的完整演变过程, 定量测量微裂纹的几何尺寸, 实现损伤的精准诊断, 并利用Tsai-Wu失效判据和界面开裂后的基体应力场理论等失效方法探究短切碳纤维SMC复合材料的失效机制。该方法的提出对于研究短切碳纤维SMC复合材料的失效过程以及分析相应的失效行为提供了重要依据。
以Z向间距不同的三向正交结构预制体为研究对象，采用化学气相渗透和浸渍树脂相结合的工艺制备碳/碳(C/C)复合材料，研究织造参数对C/C复合材料微观结构和弯曲性能的影响。以三向正交预制体最小的重复结构为单元建立计算模型，获得三向正交预制体纤维含量与织造参数的关系式并进行验证，结果表明：Z向纤维间距及X，Y向纤维层间距越小，预制体纤维含量越高；Z向纤维间距越大，纤维交织处扭曲变形大，预制体孔隙结构发生变化；相同致密化工艺下，孔隙结构的变化影响C/C复合材料中基体碳的组成和分布，对基体碳形貌无影响；X，Y向纤维含量越高，Z向纤维间距越小，致密后的C/C复合材料弯曲强度越高。
粉末挤出打印(PEP)是基于传统金属注塑成型和3D打印相结合的新型增材制造技术，具有打印材料范围广、打印成本低等巨大优势。以WC-13Co硬质合金的PEP增材制造为核心，以热塑性打印材料为重点研究对象，开发打印原料的材料体系，研究打印原料的均匀性、流变性能、成形性能、黏结剂的脱除工艺以及烧结工艺对打印件显微结构及力学性能的影响机制。独立开发了硬质合金PEP打印专用的有机黏结剂材料体系，通过EDS分析黏结剂在打印坯体中分散均匀性。采用两步法脱脂工艺可以完全脱除打印坯体中的黏结剂，并结合真空烧结，在1450 ℃下保温60 min，成功制备高性能硬质合金打印件。研究结果发现打印件线收缩率为17.8%，WC晶粒尺寸分布均匀，维氏硬度1410HV30。本研究采用PEP增材制造技术制备了高性能、打印件尺寸可控的硬质合金材料，为硬质合金的增材制造探索出一条有效的技术路线。
AlSi10Mg合金具有高比强度、高耐磨性等优良特点。由于其成分接近共晶点，成形性能良好，被广泛应用于激光选区熔化技术。然而其热处理制度仍然沿用传统铸态合金的热处理规范，影响了其性能的充分发挥。本工作采用激光选区熔化技术制备了AlSi10Mg合金，并研究了沉积态和后续热处理过程中组织演化规律及其对室温力学性能的影响机制。研究发现：沉积态组织由沿沉积方向生长的α-Al柱状枝晶及枝晶间网状Al-Si共晶组成，具有强烈的〈100〉方向织构，沉积层由三部分组成，分别是细晶区、粗晶区及热影响区，抗拉强度389.5 MPa，伸长率4%。退火过程中，共晶Si破碎、球化，基体中过饱和Si不断析出长大。当退火温度从200 ℃提高到500 ℃时，Si颗粒发生Ostwald熟化，平均尺寸增长了23倍。经过300 ℃和500 ℃退火处理后，试样抗拉强度分别为287.0 MPa和268.0 MPa，但伸长率分别提高到10.3%和17.2%。
采用激光熔钎焊技术对AZ31B镁合金与Q235钢进行异种金属搭接实验。添加Ni中间层协调镁合金与钢的冶金连接，通过外加纵向交变磁场调控接头成形及组织，以期提高接头的力学性能。结果表明：添加Ni中间层后接头类熔焊区IMC层为树枝状或连续纳米级层状AlNi相，实现冶金连接。外加交变磁场后Fe-Ni固溶体厚度减小且延伸进镁侧焊缝中，沟壑状的Fe-Ni固溶体增加了界面的结合面积。通过测量发现接头实际界面连接长度与拉剪线载荷有很大的联系。外加交变磁场后激光熔钎接头实际界面连接长度与拉剪线载荷随着磁场强度的增加呈现先增大后减小的趋势。当激光功率P=1250 W，焊接速度v=20 mm·s-1，磁场强度B=10 mT，磁场频率f=35 Hz时，添加Ni中间层协调镁合金与钢的冶金连接，外加纵向交变磁场优化接头焊缝成形，接头拉剪线载荷最高，达到163 N/mm。
为了探讨α-Fe/V4C3的界面稳定性，利用第一性原理平面波赝势方法优化(100)α-Fe/(100)V4C3三种不同原子堆积序列(Fe-on-C，Fe-on-V和Bridge)的界面构型。通过界面分离功分析α-Fe/V4C3界面的结构稳定性，计算三种构型的界面分离功分别为4.29，1.43，2.70 eV，分离功越大表明界面稳定性越强，在α-Fe中析出的V4C3主要以Fe-on-C构型存在，其界面稳定性最强。通过态密度，差分电荷密度和电子局域化函数研究α-Fe/V4C3的电子结构性质。结果表明：在Fe-on-C构型中，界面处Fe原子存在电荷贫化区，丢失的电荷转移到界面处，由于C原子具有强电负性，在界面处形成较强的混合离子/共价键，并且Fe和C原子的键合作用明显强于Fe和V原子。通过总态密度和分波态密度发现，Fe-d轨道与C-p轨道在－4.5~－2.5 eV的区域内发生电子轨道杂化，形成Fe—C共价键。
