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近年来, 高熵合金成为金属材料领域的研究热点。高熵合金处于相图中心区域, 具有广阔的合金成分空间和组织结构形成可能; 成分和制备工艺的协同调控, 能够获得更丰富的组织结构; 非常规的化学结构有望突破传统抗磨、润滑合金的性能极限。本文讨论了耐磨高熵合金的分类, 分析了化学活泼金属、软金属、难熔金属的添加对高熵合金抗磨、润滑性能的影响规律; 总结了非金属元素和陶瓷相的添加对高熵合金基复合材料摩擦磨损性能的影响; 综述了热处理和表面工程技术对高熵合金表面组织结构和摩擦磨损行为的作用; 讨论了苛刻工况下抗磨润滑高熵合金的设计方法。对未来高熵合金在摩擦磨损领域的研究和应用进行了展望, 高熵合金在解决传统合金的瓶颈问题上具有巨大潜力, 如在极端工况下实现稳定润滑抗磨、保证特定功能作用下实现抗磨。
机械零部件的摩擦磨损主要发生在材料表面, 约有80%的零件工作失效是由表面磨损造成的。摩擦磨损增加了材料和能量的损耗, 降低了可靠性和安全性。使用激光熔覆技术在基体表面制备高熵合金涂层的方法, 能够使涂层与基体实现良好的冶金结合, 以达到提升表面耐磨性能的目的。影响高熵合金涂层耐磨性的因素主要有涂层材料的力学性能, 如硬度、塑性和韧性; 熔覆过程中产生的缺陷, 如表面粗糙不平、气孔和裂纹; 摩擦工况, 如高温环境和腐蚀环境。本文分析总结了激光熔覆高熵合金涂层的耐磨性影响因素及强化机制。首先, 阐明了激光工艺参数(激光功率、激光扫描速度、光斑直径)和后处理工艺(热处理和轧制)对涂层质量及性能的影响; 其次, 概述了组元元素选择、高温环境和腐蚀环境对涂层耐磨性的影响; 最后, 对激光熔覆技术制备高熵合金涂层存在的问题进行归纳分析, 并对未来的发展趋势进行了展望, 如基于远平衡态的材料设计理论研发新材料、利用电场-磁场协同或激光-超声振动复合等新工艺提升涂层耐磨性等。
本文简述了难熔高熵合金的含义与特点, 归纳了各类难熔高熵合金(块体、薄膜、涂层)的制备方法, 重点阐述了难熔高熵合金的综合性能。建议通过构建专门的难熔高熵合金数据库优化成分设计, 并着重于不同制备方法的工艺性研究。针对目前难熔高熵合金存在室温脆性大、密度大、成本高等不足, 提出可根据所需难熔高熵合金的性能而选择不同的制备方法, 以便未来工业化应用。
采用激光直接沉积技术成功制备等原子CoCrFeNiMn高熵合金。研究沿试样沉积高度方向上的气孔的大小、数量和组织结构及室温(293 K)和低温(77, 200 K)下试样的拉伸性能。结果表明: CoCrFeNiMn合金表现出定向结晶规律, 在合金底部区域晶界处形成伴有长形气孔的树枝状柱状晶, 随着区域靠近试样顶部, 晶粒形态转变为等轴晶粒。而在试样顶部区域, 气孔形状呈圆形且数量大大降低。比较在77, 200 K和293 K温度下的合金的相应拉伸性能可知: 试样顶部区域选取的77 K拉伸试样具有更好的性能, 但在中部区域的293 K拉伸试样和在底部区域中的200 K拉伸试样的伸长率相似, 这是由于试样不同的气孔率和组织结构的差异所致。
高熵合金(HEAs)表现出比传统合金更为优异的耐磨耐蚀性能, 逐渐成为金属材料领域的研究热点。采用金属热还原法制备不同W含量的CoCrFeNiMnAlWx(x=0.12, 0.15, 0.19)高熵合金, 研究微量W元素的添加对CoCrFeNiMnAlWx高熵合金的相结构、微观组织与性能的影响。采用XRD, SEM和EDS等技术表征该合金的相结构、显微组织及元素分布, 利用材料表面性能测试仪和电化学工作站测定该合金的摩擦磨损性能和电化学腐蚀性能。结果表明: 不同W含量高熵合金均由两种不同晶格常数的BCC相组成, 随着W含量的增加, BCC1相微观相貌并没有明显的变化, 但是BCC2相的微观形貌和元素分布随W含量的变化而明显变化, 而耐磨损性能和耐腐蚀性能均有一定程度的提高, CoCrFeNiMnAlW0.19合金的摩擦因数和磨损率分别为0.684和1.06×10-5 mm3/(N·m), 磨损机制由黏着磨损转变为黏着磨损和磨粒磨损相结合, 最后再转变为摩擦磨损; 在3.5%NaCl溶液中的腐蚀电流密度从6.08×10-6 A/cm2减小到1.72×10-6 A/cm2, 腐蚀速率也逐渐减小。
结合实验和晶体塑性有限元方法研究准静态加载NiCoCrFe高熵合金有限变形过程中的宏观和微观力学响应、损伤行为以及微观结构演化。使用电子背散射衍射技术(EBSD)对拉伸实验变形前后NiCoCrFe的微观结构进行表征。通过修改强化模型和流动准则分别在CPFEM模型中引入位错密度内部状态变量和连续介质损伤因子, 并结合拉伸实验应力-应变曲线确定NiCoCrFe相关的模型参数。结果表明: 考虑位错密度和损伤的CPFEM模型可以有效地描述NiCoCrFe宏观和微观力学响应。CPFEM模型合理预测NiCoCrFe颈缩区域的变形形状和尺寸, 其中实验获得的颈缩区域长度比预测结果小7%, CPFEM预测的颈缩区域宽度比实验结果大23%。CPFEM模型预测NiCoCrFe拉伸变形后的织构演化同EBSD表征结果大致相同, 均表现为弱的(100)//RD以及强的(111)//RD纤维织构。在三维微观结构损伤分析中, CPFEM模型预测的损伤在应力集中以及位错密度集中的晶界处萌生, 表现为晶间损伤机制, 并且随着变形的增加损伤逐渐向晶粒内部扩展。
软磁材料是一种极为重要且应用十分广泛的能源材料, 近年来, 随着磁性元件的日益高频化和小型化, 以及节能环保的号召, 开发和研究高性能软磁材料具有重要意义。本工作概述了软磁合金的发展历史, 重点归纳出各类软磁合金(包括传统软磁合金、非晶/纳米晶软磁合金、高熵软磁合金)的成分、微观组织、磁性能以及应用范围, 并总结出不同软磁合金的优、缺点; 指出典型合金的微观组织对合金软磁性能(尤其矫顽力)具有关键性的主导作用, 进而探讨了影响软磁合金矫顽力的因素及其微观机制, 发现控制晶粒尺寸(或纳米粒子尺寸)是获得低矫顽力的关键, 并描述了矫顽力的微观影响机制在高熵软磁合金中的发展; 最后, 展望了高熵软磁合金因多主元混合的成分特性带来的组织多样化, 更有利于实现对合金性能的调控, 并有望作为新一代高温软磁体材料。
金属基催化剂现已成为催化领域的主流催化剂, 但其存在难以分离循环使用、催化剂遗留、成本较高、催化剂与底物不稳定性等问题, 采用高分子载体进行负载是解决以上问题的一种有效方法。纤维素是地球最丰富的绿色高分子, 作为催化剂载体具有来源广泛、可生物降解、无毒、良好的生物相容性的优异特点, 且分子结构上具有大量的羟基易改性、可通过多种方式负载金属催化剂。因此, 本文综述了纤维素作为载体, 负载零价金属纳米粒子、非零价金属基催化剂的进展, 以及对负载后的催化体系在氧化还原反应、Heck反应、Suzuki反应等反应中的催化活性进行概述; 并通过对比该体系中载体-金属等之间的作用机理, 阐述了不同负载方式之间的协同作用, 以及催化活性的差异性。
为实现ZnO纳米柱阵列材料在新型纳米结构化太阳能电池中的应用, 需要对纳米柱的几何形貌与光电特性进行调控。ZnO纳米柱阵列材料的制备方法为电化学沉积方法。通过在生长溶液中使用In(NO3)3和NH4NO3, 实现了对纳米柱的直径、阵列密度、柱间距、光学带隙、近带边发射、斯托克斯位移等物理性质的调控。采用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、分光光度计、光致发光测试仪对样品的形貌、晶体性质、透射反射性质、光致发光性质进行测试与表征。结果表明, 使用NH4NO3将紧密排列的ZnO纳米柱阵列密度降低了51%, 导致柱间距增大至超过100 nm, 同时可将纳米柱的直径降低至22 nm。使用In(NO3)3使ZnO纳米柱的光学带隙展宽100 meV。通过NH4NO3的使用可在3.41 eV至3.55 eV范围内调控带隙。由于NH4NO3的引入, ZnO纳米柱的斯托克斯位移可降低至19 meV, 表明NH4NO3的引入能够有效地抑制纳米柱阵列中的非辐射复合。
以3, 4, 9, 10-苝四甲酸二酐和L-天冬氨酸为原料, 合成水溶性苝二酰亚胺衍生物N, N'-二(2-丁二酸基)-3, 4, 9, 10-苝四羧酸二酰亚胺(PASP)。采用水热法将PASP接枝在g-C3N4上, 制备PASP改性g-C3N4复合光催化剂(g-C3N4-PASP)。通过X射线衍射仪(XRD)、傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)、X射线光电子能谱仪(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、紫外-可见光漫反射光谱(UV-Vis DRS)和固体荧光光谱等对g-C3N4-PASP的组成、结构、形貌和光学性质等进行表征, 考察g-C3N4-PASP对水溶液中模型污染物亚甲基蓝(MB)的光催化降解活性。结果表明: g-C3N4与PASP经水热反应, 可通过酰胺键共价结合; 相比纯g-C3N4, g-C3N4-PASP比表面积显著增大, 吸收带边红移至614 nm, 同时PASP修饰可促进g-C3N4材料表面光生电子和空穴分离, 进而有效提升光催化活性。在可见光(λ > 420 nm)照射下, g-C3N4-PASP对MB的降解率60 min内可达99.4%, 降解速率常数k约为g-C3N4的2倍。
为实现锂氟化碳电池在更多领域的普遍应用, 以工业化碳材料(活性炭、球形石墨、膨胀石墨和工业石墨烯)为碳源, 制备了四种氟化碳正极材料。通过扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)、红外光谱(FTIR)、X射线能谱(XPS)、氮气吸脱附以及电化学测试等表征手段对材料的微观形貌、晶体结构、化学结构和电化学性能进行了系统的研究。研究表明: 氟化工业石墨烯具有完全的单氟化碳结构、高比表面积以及稳定的碳结构, 在20 mA·g-1的放电电流下可以实现高达945.4 mAh·g-1的比容量; 氟化活性炭具有较多的半共价C—F键, 其起始放电电压最高, 但是由于其结构稳定性较差, 电压平台快速下降, 导致整体比容量较低; 氟化膨胀石墨和氟化球形石墨与氟化工业石墨烯结构类似, 但是由于高氟化碳原子(CF2和CF3)的存在, 其放电比容量要低于氟化工业石墨烯。不过在高放电电流密度下, 氟化膨胀石墨、氟化球形石墨和氟化工业石墨烯的能量密度十分接近, 因此, 基于氟化膨胀石墨和氟化球形石墨的成本优势, 氟化膨胀石墨和氟化球形石墨更适合于高功率应用场景。
采用连续等通道转角挤压工艺, 以连续的方式对Al-Ti-C合金进行多道次挤压, 通过观察微观组织演化, 探讨晶粒细化机理和力学性能变化。结果表明: 连续等通道转角挤压工艺可有效细化Al-Ti-C合金微观组织, 晶粒尺寸减小至1 μm左右, 形变诱导是变形过程中最主要的晶粒细化机制; 高密度位错堆积引起Al基体和TiAl3界面的裂纹以及TiAl3内部的空洞产生, 裂纹进一步扩展贯穿整个TiAl3颗粒, 最终导致第二相TiAl3组织的细化, 同时细小的第二相TiAl3组织的钉扎机制和剪切机制促进了Al基体细化; 连续等通道转角挤压1道次后, 合金硬度提升最明显, 与原始态相比提高59.2%;之后随挤压道次的增加, 硬度提升的趋势变缓, 合金塑性下降, 韧性提高。
选区激光熔化(SLM)成形4Cr5MoSiV1钢具有良好的强/硬度以及耐磨性是提高其使用寿命的重要保证，为优化SLM成形4Cr5MoSiV1钢的组织和性能，研究不同成形角度下4Cr5MoSiV1钢试样的显微组织、显微硬度、拉伸性能和耐磨性。结果表明：随成形角度的增加，试样熔道间的热量累积程度降低，晶粒尺寸减小，细晶强化作用增强，故试样的显微硬度升高。随成形角度的增加，拉伸试样的滑移搭接面数量增多，滑移程度增加，且熔道边界处分正应力值降低，故试样的抗拉强度和断裂伸长率均升高。磨损试样的磨损机制以黏着磨损和氧化磨损为主，且随成形角度增加，试样的耐磨性升高。同一成形角度下，试样底层表面经多次热量累积后，其细晶强化和固溶强化作用减弱，显微硬度和耐磨性均降低。SLM成形4Cr5MoSiV1钢试样的显微硬度、耐磨性和拉伸性能呈正相关，45°成形角度下试样的力学性能最高，抗拉强度最高为1576.5 MPa，断裂伸长率最高为17%，顶层表面的显微硬度最高为608.4HV，顶层表面的磨损率最低为4.95×10-9 kg·N-1·m-1。
采用Gleeble-3800热模拟机研究Al-8.9Zn-1.3Mg-0.1Sc-0.1Er-0.1Zr铝合金的热变形行为，构建温度380~440 ℃、应变速率0.01~10 s-1区间内合金的热加工图，使用X射线衍射(XRD)、选区电子衍射(SAED)与能谱(EDS)对合金中存在的物相进行分析，并使用金相显微镜(OM)和透射电子显微镜(TEM)观察合金热变形后的微观组织。结果表明: 合金的最佳热加工工艺参数区间为：400 ℃ < T < 440 ℃, 0.01 s-1 <
采用Gleeble-3800型热模拟试验机，对Zirlo合金进行等温恒应变速率压缩实验，研究其在变形温度550~700 ℃，应变速率0.01~10 s-1范围内的热变形行为；并在Arrhenius型双曲正弦函数方程基础上引入应变量，构建了基于应变补偿的Arrhenius本构模型，同时构建了基于位错密度演化加工硬化模型和基于唯象型的软化模型的分段唯象型本构模型。结果表明：Zirlo合金的流变应力随着温度的降低和应变速率的提高而升高，低应变速率下流变应力呈现更高的温度敏感性，流变应力曲线在不同变形条件下分别呈现加工硬化、动态回复、动态再结晶特征。经过误差分析可知，基于应变补偿的Arrhenius本构模型大部分预测值的误差均在15%以内，具有较高的准确性，而分段唯象型本构模型相对平均绝对误差最大值不超过3%，具有97%以上的准确率，可以很好地预测合金的应力-应变曲线，具有良好的拓展性，并且可初步判断曲线类型，具有良好的实用性。
采用光学双折射法研究注射成型过程中熔体温度对透明热塑性聚氨酯(TPU)弹性体平板制件残余应力的影响规律和作用机理。结果表明，TPU制件在近浇口区域的残余应力大于远浇口区域，整体残余应力随熔体温度上升而下降。通过对平行于熔体流动方向和垂直于熔体流动方向上的制件截面进行双折射测量发现，注射成型TPU制件具有明显的皮-芯结构和零应力层，且随熔体温度升高芯层厚度显著增加。残余应力分析结果表明在制件的芯层以流动残余应力为主，而皮层区域是流动残余应力和热残余应力叠加的结果。此外，制件的翘曲变形与残余应力的分布直接相关，TPU制件尺寸的改变主要是由于流动残余应力释放引起的。
通过在异种材料界面添加厚度为100 μm的Zn箔，采用预挤压与孔型轧制复合工艺成功制备出AZ31/7075复合材料，并利用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱分析(EDS)对复合界面进行表征及显微硬度测试，探究Zn过渡层在挤压复合孔型轧制过程中对产品的影响。结果表明：7075硬质铝合金芯部可细化AZ31镁合金，引入Zn过渡层可减少或者避免镁铝系金属间化合物生成；挤压及变形温升使Mg-Zn互扩散形成的低熔点共晶相熔化，同时加速元素自固相向液相扩散；然而降温冷却使Mg-Zn扩散层易出现不连续裂缝，但后续孔型轧制可显著改善；Mg-Zn扩散层经变形生成的MgZn2金属间化合物具备较高的显微硬度(161HV)，但Mg-Zn扩散层变形后厚度则较薄，结合层整体硬度变化不明显。
铺层方式是影响预浸料铺贴工艺制备SiCf/SiC复合材料抗热震性能的关键因素之一。以先驱体浸渍裂解(PIP)工艺制备的SiCf/SiC复合材料为研究对象，基于内聚力模型，对不同正交铺层方式的方形试样开展1200 ℃高温水淬实验及有限元仿真研究。结果表明：水淬过程中试样表面温度急剧下降，芯部与表面存在较大温差，顶角与芯部温差最高可达1077 ℃，导致复合材料的主要失效模式为层间开裂和基体开裂，且试样层间开裂位置与铺层方式有关。由模拟结果可知，由于正交铺层方式的不同，试样的层间开裂位移也存在显著差异：[0/90]与[0/90/0]两种铺层方式层间主裂纹开裂位移约为0.61 mm，而[0/0/90/90]铺层主开裂位移仅为0.04 mm。此外，随着水淬时间的增加，层间主裂纹开裂位移逐渐增大，而次裂纹在开裂后逐渐发生闭合现象。
