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纯铜/铜合金具有优异的导热、导电性能, 是重要的工业材料。以粉末床激光熔融为代表的激光增材制造技术具有优良的设计自由度及成形精度, 是增材制造的主流发展方向。纯铜/铜合金的粉末床激光熔融与传统加工制造技术相比, 前者能够更好地发挥铜优异的性能, 在电子电气、汽车、航空航天等导热/导电高需求领域具有广阔的应用前景。本文综述了以纯铜/铜合金为代表的激光高反射材料的粉末床激光熔融的研究现状、面临的重要问题以及相应的解决对策分析。在此基础上, 结合本课题组在纯铜/铜合金粉末床激光熔融过程的经验, 指出运用蓝光、绿光等短波长激光器进行纯铜/铜合金等高反射材料的粉末床激光熔融是未来的研究热点与发展方向。
增材制造技术自问世以来成为拓展多学科发展、实现多学科研究融合以及联结材料与产品的关键性技术, 该技术颠覆了传统加工设计和制造理念, 同时也是实现智能制造的重要方法。智能材料是对环境具有感知、可响应、自修复和自适应的一类材料。将智能材料与增材制造技术有机结合, 可实现具有感受外部刺激或环境激活的三维智能器件的一体化制造。智能材料增材制造技术被广泛应用于个性化医疗、柔性电子和软体机器人等领域。本文对增材制造中所涉及的智能材料进行综述, 介绍通过增材制造方法对金属类、高分子类和陶瓷类智能材料所带来的优势及面临的问题。增材制造技术作为实现设计、材料和结构有机融合的有效手段, 将成为推动智能材料发展的关键。
采用气雾化法制备预合金粉末, 通过选区激光熔化(selective laser melting, SLM)制备AlxCoCrFeNi(x=0.3, 0.5, 0.7, 1.0)高熵合金。通过X射线衍射仪、扫描电镜以及纳米压痕实验, 综合分析AlxCoCrFeNi的物相、微观组织、硬度、杨氏模量及蠕变曲线, 探讨Al含量对AlxCoCrFeNi显微组织及纳米压痕的影响。结果表明: Al含量对物相组织有显著影响, 其中Al0.3CoCrFeNi与Al0.5CoCrFeNi为FCC结构, Al0.7CoCrFeNi和Al1.0CoCrFeNi为BCC/B2结构。Al0.3CoCrFeNi和Al0.5CoCrFeNi主要由等轴晶组成, Al0.7CoCrFeNi和Al1.0CoCrFeNi主要由柱状晶组成。随Al含量增加, 孔隙及裂纹等缺陷增加。在Al0.3CoCrFeNi和Al0.5CoCrFeNi中没有观察到明显的熔池形貌。随Al含量增加, 样品残余应力增加。随Al含量增加, 硬度增加, 由Al0.3CoCrFeNi的447HV增加至Al1.0CoCrFeNi的567HV。Al0.3CoCrFeNi杨氏模量约为273 GPa, Al0.5CoCrFeNi约为233 GPa, Al0.7CoCrFeNi和Al1.0CoCrFeNi杨氏模量相近, 分别为240 GPa和242 GPa, 硬度与杨氏模量的变化主要与组织及物相有关。与传统蠕变曲线不同, AlxCoCrFeNi的纳米压痕蠕变曲线只包括瞬时蠕变和稳态蠕变两个阶段, 其蠕变机制主要为位错蠕变, 其中Al0.7CoCrFeNi具有最好的抗蠕变性能。Al0.3CoCrFeNi具有最好的打印成形性, 其屈服强度为702 MPa, 伸长率为27.5%。
采用激光选区熔化(selective laser melting, SLM)制备LaB6颗粒增强钛基复合材料, 研究不同激光能量密度下试样的致密化行为、显微组织、物相及其在准静态和动态冲击条件下的力学性能。结果表明: LaB6颗粒的加入在一定程度上改变了材料的致密化行为, 过高或者过低的激光能量密度均会降低试样的致密度。而增强颗粒的加入细化了基体材料的晶粒, 钛合金的初始β晶粒及针状α晶粒的晶界有一定程度的弱化, 从而导致复合材料的屈服强度和极限强度增加, 但延展性降低, 同时复合材料表现出明显的应变率强化效应。与SLM成型Ti-6Al-4V合金相比, 复合材料在塑性段的应变硬化效应和失稳阶段的脆性断裂特征更显著, 为激光增材制造高性能颗粒增强钛基复合材料的动态抗压性能优化提供理论基础。
树脂基复合材料具有比强度和比模量高、疲劳性能和耐腐蚀性能好等优点, 已经成为航空发动机冷端部件的应用和发展趋势。国外航空发动机用树脂基复合材料研究起步较早, 已经在多型发动机的风扇叶片、风扇机匣、外涵机匣、短舱等部件得到成熟应用, 并朝着结构形式更优、材料性能更好、制造成本更低、自动化程度更高的方向发展。国内树脂基复合材料发展基础良好, 但与国外相比在发动机上应用比例不高, 需要进一步提升设计、材料、制造、实验技术水平及工程化能力。本文重点论述国外航空发动机复合材料构件的结构、材料和工艺发展现状, 分析发展趋势, 从建立航空发动机用复合材料体系、加强应用研究和设计牵引、推进预研成果转化和自动化技术应用等方面提出相关建议。
摩擦磨损大多数情况下不利于机械设备, 我国作为机械制造大国, 降低摩擦磨损对工业进步及可持续发展有重大意义。陶瓷基高温自润滑复合涂层作为工业应用中常见体系之一, 主要以硬质陶瓷为基体, 并掺杂润滑材料作为第二相组成, 使其一方面继承陶瓷相优异的高温稳定性及强度, 另一方面提高在常见摩擦环境下的润滑性能, 因此被广泛应用于船舶、航空航天、生物科技、高速列车等领域, 受到研究人员的广泛关注与探索。本文以陶瓷基高温自润滑复合涂层为中心, 首先阐述复合涂层及固体润滑材料的基本分类; 其次综述不同制备方法的最新研究进展, 重点关注工艺参数对制备陶瓷基高温自润滑涂层性能的影响及改善方法; 然后归纳改善陶瓷基高温自润滑复合涂层表面摩擦学性能的关键因素, 探讨了提升减摩耐磨性能的可行性和研究潜力; 最后总结目前陶瓷基高温自润滑复合涂层存在的问题, 主要有以下2点: (1)对复合涂层的物相分析仍以解释现象为主, 没有完整的理论基础; (2)对不同制备工艺下复合涂层结构和摩擦学性能的改善手段较单一。因此提出相应的解决办法以及未来可能的发展方向: (1) 研究陶瓷基体和不同润滑相、附加组元、高温环境的协同作用机理, 建立系统的理论基础; (2)针对不同制备工艺的成型机理, 重点研究工艺参数的协同作用对复合涂层微观结构形成的影响, 扩展制备工艺的改善方法。
氮化碳具有优良的热稳定性、高热导率、较大的禁带宽度和负的电子亲和势等优点，是一种极具潜力的场发射阴极材料。本文在介绍氮化碳的结构、性能以及作为场发射材料的研究现状的基础上，着重评述了氮化碳薄膜和粉体的制备方法；从优化结构中的sp2簇的数量及尺寸、调控表面形貌、元素掺杂，以及通过与其他场发射材料复合或表面修饰形成多级发射结构等方面，阐述了优化氮化碳场发射性能的方法。最后总结了氮化碳薄膜和粉体分别作为场发射阴极材料仍然存在的问题，并以此指出将来开展相关研究的重点在于继续优化其场发射性能，以及探索其内部结构、缺陷等对场发射性能的影响。
浮力材料作为深海装置中一种重要的配重材料，能够对水下作业的设备起到浮力补偿的作用。固体浮力材料因密度低、强度高、吸水率低等特性近年来在深海测量、石油勘测、深海开发等领域受到广泛关注。本文首先简述了固体浮力材料及其应用背景，围绕其分类主要阐述了化学泡沫材料和复合泡沫材料的特点，并基于未来发展方向和应用前景，重点介绍了复合泡沫材料。以复合泡沫类型的固体浮力材料为核心，根据其基本组成，分别介绍了金属基、陶瓷基、树脂基及其他类型复合泡沫材料，综述了其组成、表界面微结构、外界加载速率等影响因素对物理性能、力学性能的影响规律，借助扫描断层显微技术和有限元方法分析破坏模式，揭示材料在不同加载速率下的力学行为和失效机理。本文在提高复合泡沫材料整体力学性能及先进实验表征方法方面提出展望：可通过修饰填料和树脂基体官能团的方法或加入第二增强相，提高材料整体力学性能; 借助μ-CT和扫描电子显微镜，表征材料微观结构，揭示破坏机理。
采用并流化学共沉淀法合成了Dy2O3掺杂ZrO2(DySZ)纳米粉体材料，系统研究稳定剂掺杂量、阳离子浓度、反应系统pH值和煅烧温度对粉体材料物相组成、晶体结构和微观形貌的影响。结果表明：不同合成工艺条件下，DySZ粉体材料均具有纳米尺度特征，球形颗粒尺寸为10~30 nm，Dy2O3的掺杂可以起到稳定晶型的作用; 稳定剂掺杂量对DySZ粉体的物相组成具有明显影响，掺杂量为10%(质量分数)时可合成单一四方相结构的DySZ粉体; DySZ粉体材料的四方度和微观形貌对稳定剂掺杂量、阳离子浓度、反应体系pH值和煅烧温度均不敏感，但其平均晶粒尺寸随稳定剂掺杂量、阳离子浓度和反应体系pH值的升高略有降低，随煅烧温度的提高而显著增加。
采用草酸盐热解法制得Fe2O3，Co3O4以及CoFe2O4三种过渡金属氧化物多孔材料。借助XRD，SEM，BET，VSM和XPS等测试手段对材料的晶体结构、微观形貌、比表面积、磁学性能以及表面化学状态进行分析。选择典型的阳离子型染料亚甲基蓝(MB)作为降解模型，对三种样品催化活化过一硫酸盐(PMS)降解处理模拟印染废水的性能进行评价。结果表明：三种材料均具有分级微/纳米纤维状多孔结构，CoFe2O4因具有最大的比表面积以及Fe，Co元素间的协同效应比Fe2O3和Co3O4表现出更为优异的催化PMS降解MB溶液的性能。通过单因素实验，确定出CoFe2O4/PMS体系降解500 mL浓度为10 mg·L-1MB溶液的优化条件为：PMS用量3 mL(0.1 mol·L-1)，催化剂添加量0.07 g，反应时间50 min。在此条件下，MB的降解去除率为89.77%。考察几种阴离子对CoFe2O4/PMS催化氧化体系的影响，发现Cl-，PO43-，C2O42-的存在均对MB的降解有一定的抑制作用。活性物种猝灭实验和电子顺磁共振(EPR)鉴定结果证实，1O2是CoFe2O4/PMS催化氧化体系中产生的最主要活性物种。循环使用实验结果表明，CoFe2O4具有较好的稳定性，且可磁分离回收特性使其可作为活化PMS降解印染废水的候选催化材料。
采用熔融共混法制备一系列聚碳酸酯(PC)与聚(1, 4-环己烷二甲酸-1, 4-环己烷二甲醇酯)(PCCD)形成的共混物。光学性能测试表明，PC/PCCD共混物具有高透光率、低雾度的光学特征。采用SEM、TEM、DSC、红外光谱及核磁共振等多种手段对PC/PCCD进行研究，以揭示共混物呈现光学透明性的内在机理。结果表明：PC/PCCD在几十纳米尺度下具有均相结构，均相结构是其在宏观上表现高透明性的直接原因; 不同PCCD含量的PC/PCCD共混物均表现出单一玻璃化温度，表明PC和PCCD完全相容。这种均相结构的完全相容，是PC/PCCD共混物呈现高透明性的内在原因。通过进一步分析PCCD和PC相容的机理，发现PC与PCCD熔融共混过程中未发生酯交换反应，PC和PCCD的相容源于结构相似，与是否发生酯交换反应无关。
为了制备价格低廉且比电容高、循环稳定性好的电容器材料，采用电化学法合成石墨烯基含镍金属有机骨架材料Ni-BTC/RGO，研究含镍金属有机骨架材料Ni-BTC的合成条件以及Ni-BTC/RGO的电化学性能。对不同条件下的系列Ni-BTC材料进行XRD分析，并对Ni-BTC，RGO和Ni-BTC/RGO进行SEM测试、循环伏安测试和恒电流充放电测试。结果表明：工作电压为6 V、反应时间为3 h、反应体系温度为35 ℃是Ni-BTC的最佳合成条件; Ni-BTC和RGO成功复合且RGO对Ni-BTC的结构并未产生影响; 复合材料主要表现赝电容电化学行为。在0.5 A·g-1电流密度下，Ni-BTC/RGO的比电容为468.72 F·g-1，功率密度为0.249 W·g-1; 在1.0 A·g-1电流密度下循环500周次以后，比电容保留率为50.08%。
采用激光诱导钨极惰性气体保护(tungsten inert gas, TIG)电弧焊接技术，在未添加任何夹层和镀层的条件下，通过优化工艺，获得了AZ31B镁合金和DP980高强钢高质量搭接焊接头，重点研究TIG电弧电流对焊接接头成形和力学性能的影响规律。结果表明：电弧电流的增大会提高镁合金在高强钢的润湿铺展能力，提升焊缝宽度的同时减小润湿角。镁合金/钢焊接接头的最大拉伸载荷随着电弧电流的增大先升高后降低，接头断裂模式由沿界面断裂转变为沿焊缝断裂。当TIG电流为80 A、激光功率为350 W时，焊接接头最大平均拉伸载荷达到279 N/mm。焊缝宽度和界面层厚度的增大以及激光匙孔的钉扎作用共同提升了镁合金/钢的接头性能。
为研究温度对刚玉基耐火材料组织和微粒脱落的影响，对粉末冶金高温合金粉末制备用刚玉基(Al2O3)耐火材料进行950~1350 ℃不同温度保温60 min处理。采用XRD分析热处理前后耐火材料的结构，采用扫描电镜对各样品进行微观形貌观察和微区成分测定，并用黏附实验评价不同温度处理后耐火材料颗粒脱落性的改善情况，探索加热保温处理对减少颗粒脱落的机理。采用热冲击测试评价不同温度处理后耐火材料耐热冲击性，并测试耐火材料的显气孔率与体积密度。结果表明：随着加热温度升高，耐火材料中的铝酸钙黏结剂成分将逐步从CaAl2O4(CA)转化为CaAl4O7(CA2)，一方面耐火材料中细小的陶瓷颗粒逐步烧结在一起，直至形成相互连接的稳定网状结构；另一方面逐步在大颗粒骨料上润湿铺展并相互连接，最后形成对大颗粒的包覆，同时耐火材料微粒黏附力将随着加热温度的升高逐渐增强。采用预热处理对于耐火材料的显气孔率、体积密度以及整体的耐热冲击性影响不大，但是随着温度升高，对于耐火材料表面在热冲击测试中的局部脱落程度和质量损失率有较明显改善。在保温60 min的条件下，加热温度在1150~1350 ℃时微粒脱落明显减少，其中1250~1350 ℃为较优预热温度段。
为了研究不同腐蚀条件下2024铝合金的疲劳性能，首先设计搭建原位腐蚀疲劳平台，然后分别进行无腐蚀疲劳、预腐蚀疲劳和原位腐蚀疲劳实验，分析不同腐蚀疲劳条件下2024铝合金的疲劳断裂行为，最后利用扫描电镜(SEM)表征宏、微观断口特征，探究失效机理。结果表明：相同腐蚀环境和时间下，预腐蚀和原位腐蚀疲劳寿命分别为无腐蚀疲劳寿命的92%和42%；在原位腐蚀疲劳条件下，滑移带挤入、挤出导致表面粗糙度增加，吸附较多腐蚀介质，加剧蚀坑演化，易于裂纹萌生并形成多个裂纹源。裂纹的连通形成更大尺寸的损伤，并在材料内部快速扩展。预腐蚀和原位腐蚀疲劳试件断口观察到大量脆性疲劳条带，并且原位腐蚀疲劳条带平均间距约为无腐蚀疲劳条带间距的2倍，说明原位腐蚀疲劳条件下裂纹扩展速率更快。
针对热轧工业纯铁退火过程的微观组织和磁性能，采用X射线衍射和磁滞分析法分别研究位错密度、最大磁导率、矫顽力和剩磁的演变规律。结果表明：退火前后工业纯铁的近等轴晶组织没有明显变化，晶粒度约为3.70级；随着650 ℃退火时间延长至5 h，位错密度从初始热轧态1.80×1014 m-2逐渐降低至1.16×1014 m-2，降幅约35%，同时衍射峰在退火初期发生一定程度左移，并在后期明显右移，表明微观存在压应力及后续释放过程。随退火时间延长，最大磁导率整体呈上升趋势，矫顽力和剩磁存在突变点，磁滞回线形状较窄、变化不大，分析认为主要与位错密度、内应力和含碳量相关。退火处理可以改善工业纯铁的磁性能，进一步考虑成分进行一体化调控将提升工业纯铁磁性能并拓展其电磁应用空间。
为了探究聚硼硅氧烷(PBDMSs)的物理交联网络结构对体系黏弹性的影响，将不同羟基含量的端羟基聚二甲基硅氧烷(PDMS)分别与硼酸进行反应，制备不同硼化交联密度的PBDMSs，并对合成的PBDMSs的结构、热力学及流变性能进行表征。结果表明：制备的PBDMSs中含有Si—O—Si，Si—O—B，CH3—Si—CH3和B—O—B结构单元；PBDMSs具有优异的耐低温性能，其玻璃化转变温度随着原料PDMS中羟基含量的增加而升高，且当原料PDMS的羟基含量较低时(1%和2%，质量分数)，生成物PBDMSs具有一定的结晶能力；PBDMSs具有频率敏感性的特征，并且具有良好的抗冲击能力、优异的阻尼耗散能力和出色的回弹性能，原料PDMS的羟基含量影响生成物PBDMSs的物理交联网络结构，进而对PBDMSs的动态模量有显著影响，实际应用时可根据需求改变PDMS的羟基含量来调节PBDMSs的黏弹性。
应力-应变曲线对研究金属热变形过程中的加工硬化、动态再结晶和动态回复的变化具有重要的意义，而预测不同热变形参数下的应力-应变曲线有助于研究热加工过程中金属的可加工性和不稳定性。在应变速率为0.01~3 s-1以及变形温度为1000~1200 ℃条件下，利用Gleeble-3500热模拟试验机对Nb-V-Ti微合金钢进行热压缩实验，研究了Nb-V-Ti微合金钢的热变形行为。建立BP神经网络模型和基于GA改进BP神经网络模型，分别预测在应变速率0.5 s-1、变形温度1050 ℃和应变速率1 s-1、变形温度1100 ℃条件下的流动应力行为并验证模型效果。研究结果表明：经GA改进后的BP神经网络模型对测试数据的应力-应变曲线与实验曲线具有很好的吻合，相关系数分别达0.99202和0.99734，误差仅为2.7816%和2.1703%，预测结果与实验结果相对误差在[-2, 2]范围内，证明了模型的预测可靠性，且适用于较广的应变范围，为工业生产轧制工艺提供理论指导。
