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高熵合金因其多种合金元素以等原子比或近等原子比的组合而具有高熵效应、严重的晶格畸变、缓慢扩散以及特殊而优异的材料性质等特点，在各个领域引起极大的关注。其高强度和硬度、抗疲劳性、优异的耐腐蚀性、耐辐照性以及接近零的热膨胀系数、催化响应、热电响应及光电转换等特性，使高熵合金在许多方面有潜在的应用。高通量计算及机器学习技术迅速成为探索高熵合金巨大成分空间和综合预测材料性能的有力手段。本文介绍高通量计算与机器学习的基本概念，论述第一性原理计算、热动力学计算与机器学习在高熵合金研究中的优势，并总结它们在高熵合金成分筛选、相与组织计算以及性能预测等方面的应用研究现状。最后提出该领域目前存在的问题，并提供解决思路与未来展望，包括开发适用于高熵合金的第一性原理计算与机器学习工具、构建高质量高熵合金数据库、将高通量计算与机器学习相融合对高熵合金的力学及服役性能进行全局优化等。
Cf/SiC复合材料因其低密度，高比强度，优异的抗热震、抗氧化和抗烧蚀性能以及高温强度保持率，被认为是高速飞行器的重要热防护材料之一。然而，由于碳纤维在500 ℃以上发生显著氧化导致材料逐渐失效，因此需对其进行有效的氧化防护。抗氧化涂层被认为是实现Cf/SiC复合材料长时氧化防护的有效手段。本文基于热防护系统对Cf/SiC复合材料抗氧化性能的苛刻要求，综述了现有Cf/SiC复合材料表面抗氧化涂层的研究进展，着重对抗氧化涂层制备技术及涂层体系进行了梳理。提升Cf/SiC复合材料抗氧化涂层使用温度(≥1800 ℃)及结合强度是当前需要重点解决的问题，制备更长服役时间、更高服役温度同时兼具抗氧化、抗水蒸气腐蚀乃至较好隔热性能的多功能涂层是未来发展的重要方向。
铝合金是一种重要的轻质金属结构材料，广泛应用于航空航天和交通运输等领域。行业的快速发展对铝合金零件的服役性能和制备过程都提出了更高的要求，传统减材制造已难以满足对铝合金零件高效敏捷、绿色环保的制备要求。增材制造作为一种新兴的快速成形技术，为铝合金零件的制备提供了一个崭新的思路。然而，由于增材制造的工艺特点和铝合金的本征性质，通过增材制造技术制备的中高强铝合金零件中易形成诸多缺陷，严重损害其力学性能，限制其实际生产应用。本文综述了增材制造中高强铝合金零件中的缺陷类型及其成因，并从优化工艺参数、合金成分和添加形核剂三个方面，重点讨论了目前消除增材制造中高强铝合金零件中缺陷，改善其力学性能的进展及发展趋势，并指出未来改善增材制造中高强铝合金微观组织和力学性能的努力方向应为综合调控工艺参数和合金成分，进一步探索增材制造铝合金的最佳热处理工艺，从而获得高强塑性增材制造铝合金。
近年来，随着汽车、石油、核电和航空航天等高温领域的发展，应用于极端环境中的无损检测、可持续自供电设备用宽温域压电材料成为研究热点。然而，具有优异压电性和高温稳定性的宽温域压电材料，由于质脆、硬度大，致使所制器件无法兼具柔性及高温稳定性而在高温精密化作业、可穿戴健康检测等应用中受到极大限制。因此基于宽温域压电材料的柔性化设计，以实现耐高温柔性压电装置的制备并最终大幅拓宽压电装置的高温工作潜力，成为目前压电器件的重要发展方向。本文首先针对300 ℃以下环境中应用的压电材料(锆钛酸铅、钛酸钡和碱金属铌酸盐)和500~1000 ℃环境中应用的Ⅲ族氮化物的研究进展进行了介绍，然后分析基于这些材料的柔性化设计技术及柔性化设计过程中所用衬底或复合基体的种类对最终器件高温稳定性的影响。
采用Al2O3-Y2O3-CaO作为烧结助剂制备SiC陶瓷，通过阿基米德排水法、XRD、SEM、TEM及维氏硬度测试等方法，探究烧结温度及烧结助剂含量对SiC陶瓷相对密度、物相结构、微观形貌和力学性能的影响。结果表明：在1300~1800 ℃下，SiC陶瓷相对密度、硬度以及断裂韧性都呈现出先增加后降低的趋势，在1700 ℃达到最大值；1700~1800 ℃发生了β-SiC向α-SiC的相变；减少烧结助剂含量会增加晶界结合强度，提升硬度，并抑制晶粒生长；在1700 ℃和7%(质量分数)烧结助剂含量的条件下，获得了最佳的烧结效果，相对密度、硬度和断裂韧度分别为97.9%，23.3 GPa和4.1 MPa·m1/2。
采用自制的固相烧结BSAS粉体，利用大气等离子喷涂工艺在SiC基体表面制备Si/Mullite+BSAS/BSAS三层结构环境障涂层。通过扫描电子显微镜、能谱仪和X射线衍射分析仪等研究环境障涂层在不同热处理温度下涂层的相结构、显微组织演变规律。结果表明：喷涂态BSAS涂层主要由单斜结构BAS相和非晶相组成；经过1100 ℃热处理后，涂层内部非晶相转变为六方结构BAS相；1200 ℃热处理后六方结构BAS相逐渐向单斜结构BAS相转变，在1300 ℃热处理后单斜结构BAS相的含量达到最大；随着热处理温度的进一步上升，出现鳞石英结构的SiO2相和高钡含量的Ba3SiO5相以及副钡长石结构BAS相，1400 ℃热处理过程中发现硅液滴渗出的现象。
采用机械合金化工艺制备AlFeNiCrCoTi0.5高熵合金粉末, 通过先冷等静压、后等径角挤压的方法制备(AlFeNiCrCoTi0.5)p/6061Al复合材料。研究AlFeNiCrCoTi0.5高熵合金粉末各单质金属间的合金化行为及球磨时间对合金粉末形貌的影响, 分析不同体积分数对(AlFeNiCrCoTi0.5)p/6061Al复合材料的组织和性能。结果表明: AlFeNiCrCoTi0.5金属粉末合金化时间随单质金属的熔点提高而增加, 且金属熔点越高, 其合金化越先进行, 当球磨时间达到70 h时, AlFeNiCrCoTi0.5金属粉末完全合金化, 形成FCC+BCC的双相固溶体结构。6061Al基体与AlFeNiCrCoTi0.5高熵合金增强体之间形成元素相互浸渗的过渡层。随着增强体体积分数的提高, 增强体聚集行为加剧, 抗拉强度提高, 塑性降低。当体积分数为10%时, 复合材料获得良好的综合性能, 与6061Al基体相比, 抗拉强度提高21.8%, 伸长率降低7.4%。T6处理后其抗拉强度和伸长率分别为284.05 MPa和11.51%。
高熵合金涂层在提高不锈钢基材的耐磨性方面具有巨大的潜力。为探究Cu/Si两种元素掺杂对FeCoCrNi高熵合金涂层组织及高温摩擦学性能的影响, 采用激光熔覆技术在304不锈钢表面制备出FeCoCrNiCux和FeCoCrNiSix系列高熵合金涂层。采用XRD, SEM, EDS等手段表征了涂层的微观组织及物相分布, 通过高温摩擦磨损试验机测试了涂层的高温摩擦学性能。结果表明: 在合适的激光熔覆工艺参数下, FeCoCrNiCux和FeCoCrNiSix高熵合金涂层均形成了单一的FCC型固溶体, 与基体呈良好的冶金结合; Cu元素的加入降低了FeCoCrNi涂层表面硬度, 但由于涂层热导率提高, 界面结合情况改善; Si元素的加入促进了晶粒细化, 提高了涂层表面硬度; 在600 ℃下, Cu/Si元素的加入对涂层的摩擦学性能均有明显改善, 其中FeCoCrNiCu及FeCoCrNiSi涂层的摩擦因数分别为0.24和0.19, 磨损率分别为1.58×10-4 mm3·N-1·m-1和6.77×10-5 mm3·N-1·m-1, 相比于FeCoCrNi涂层分别降低了56.1%和81.9%。FeCoCrNiCu涂层主要磨损机制为氧化磨损、疲劳磨损及轻微磨粒磨损, 而FeCoCrNiSi涂层为氧化磨损。
异种金属焊接构件的疲劳性能对于航天器的服役可靠性具有重要影响。探索了Cr0.8铜合金和1Cr21Ni5Ti不锈钢异种金属焊接接头的疲劳寿命和疲劳断裂机制, 采用合理的电子束焊接工艺制备得到铜-钢复合板。利用金相显微镜表征和分析焊缝处的组织与成分, 使用电子拉伸试验机和疲劳试验机对焊接接头进行力学性能测试, 利用扫描电镜观察不同周次断裂下的疲劳断口。结果显示: 两种金属整体冶金结合情况良好, 但是钢侧局部熔合区面积较大且由钢基体伸入到焊缝中; 铜-钢电子束焊接接头的拉伸试样均断裂于焊缝最小截面处, 疲劳试样的平均疲劳极限值为48.04 MPa, 且均起裂于焊缝最小截面处; 高周疲劳试样在焊缝上表面端点处观察到单一裂纹源, 低周疲劳试样观察到较多裂纹源分布于焊缝上下表面及内部, 两者的最终断裂区均位于铜合金基体。可见在疲劳断裂过程中, 焊接试样在高周和低周断裂下的裂纹源数量存在差异, 但是裂纹均易萌生于焊缝最小截面处, 且向铜合金基体进行扩展。
采用水热法与电化学沉积法相结合的方式, 以导电玻璃为基底制备不同MoO3沉积周期的MoO3/WO3复合薄膜。利用电化学性能测试与光谱测试, 得到了MoO3/WO3复合薄膜的电致变色可逆性、光密度值(ΔOD)、着色效率、稳定性和响应时间等性能参数。结果表明, 电沉积8个周期MoO3的MoO3/WO3复合薄膜与单一WO3纳米棒薄膜和MoO3薄膜相比具有最佳的电致变色性能, 其电致变色可逆性为62.19%, 光密度为0.61, 着色效率为153.16 cm2/C, 着色和褪色响应时间分别为8.37 s和4.77 s, 同时, 具有更窄的带隙和更高的循环稳定性。
为提高304不锈钢的耐腐蚀性能，采用料浆法在其表面制备片径为3 μm与300 nm的氮化硼纳米片(boron nitride nanoplate, BNNP)增强氧化铝胶黏陶瓷涂层。通过扫描电子显微镜(SEM)和光学接触角测量仪分析含不同片径BNNP涂层的微观形貌及表面疏水性能，并利用电化学工作站分析涂层在模拟海水介质下的电化学阻抗与极化曲线，研究BNNP片径和含量对涂层微观形貌与防腐蚀性能的影响及其作用机制。结果表明：涂层疏水性随着BNNP含量的增加而提高，且两种片径的涂层均在BNNP含量达到1.0%(质量分数)时展现出优异的疏水性能，其中添加片径为300 nm BNNP的涂层性能提升更为显著，使涂层表面润湿角由38°提升至96.972°；其低频阻抗和自腐蚀电位分别达到最高值22500 Ω·cm2和0.344 V，自腐蚀电流密度达到最低值1.12×10-7 A/cm2，表明添加片径为300 nm BNNP的涂层具有更好的隔绝腐蚀介质效果和耐腐蚀性能。
设计制备一种中碳合金钢34SiMn2CrNiMo, 通过对淬火-配分(Q&P)热处理试样的显微组织表征和力学性能测试, 建立工艺-组织-性能的关系, 结合热膨胀相变行为研究结果, 探讨淬火中止温度TQ、加热模式、配分温度TP和配分时间tP对组织演变的影响规律并进行强韧性机理分析。结果表明: 实验钢经过Q&P处理后可以获得马氏体+残余奥氏体的复相组织, 从而大幅提高强塑性。在最佳处理状态组织中残余奥氏体体积分数约为24%, 屈服强度为1053 MPa, 抗拉强度为1607 MPa, 伸长率为24.9%, 强塑积为40.0 GPa·%。为了避免生成块状二次马氏体, 实验钢最佳淬火温度应位于马氏体相变开始温度Ms以下150 ℃左右。实验钢不完全淬火后缓慢加热比快速加热配分能获得更多的残余奥氏体, 钢的塑韧性提高更明显。实验钢在400 ℃配分时Q&P组织和性能相对稳定, 而在450 ℃配分时残余奥氏体体积分数随时间延长而减少, 导致屈服强度和伸长率同步下降。
以煤矸石和铝矾土为原料, 空心玻璃微珠为造孔剂, 采用压制成型烧结制备多孔莫来石陶瓷。研究空心玻璃微珠添加量和烧结温度对物相组成、显微结构、抗弯强度和耐酸碱腐蚀性能的影响。结果表明: 提高空心玻璃微珠添加量可以增大多孔陶瓷气孔率; 空心玻璃微珠的添加可以促进莫来石相的形成, 降低烧结温度。在一定温度范围内提高烧结温度可以增大气孔率, 但烧结温度超过1350 ℃后气孔率开始下降。保持Al2O3∶SiO2摩尔比为3∶2, 调整空心玻璃微珠添加量至1.68%(质量分数), 在1350 ℃保温2 h烧结条件下可获得气孔率为33.23%、抗弯强度为56.41 MPa的多孔莫来石陶瓷, 其耐酸碱腐蚀性能良好。
以木屑为炭源, 钢渣为活性填料, 采用磷酸活化法制备复合活性炭用于降解甲醛。依据GB 18580—2017对复合活性炭的降解甲醛性能进行分析。考察了钢渣掺量、活化温度、浸渍比对复合活性炭降解甲醛性能的影响。采用元素分析仪和X射线荧光光谱仪(XRF)对原料化学成分进行测试与分析, 采用比表面积及孔径测定仪(BET)对孔结构进行测试与分析, 采用扫描电子显微镜(SEM)对微观结构进行测试与分析, 以揭示钢渣与木屑复合制备活性炭的协同作用和降解甲醛机理。结果表明, 随着钢渣掺量增加、活化温度升高、浸渍比增加, 钢渣/木屑复合活性炭的降解甲醛性能均呈现先提高后降低的趋势, 其最优制备条件: 钢渣掺量为25%、活化温度为450 ℃、浸渍比为1.5, 经2 h后的甲醛降解率为40.7%。磷酸活化制备钢渣/木屑复合活性炭可形成大量孔隙结构, 层状结构清晰, 钢渣较好地包裹在活性炭多孔结构中, 掺入一定比例钢渣能够形成以微孔为主的多孔结构, 提高微孔率, 为吸附甲醛提供更多的吸附位点, 有利于提高降解甲醛性能。
采用水热法制备Ce0.92M0.08O2(M=Co, Mn, Fe, La)固溶体, 系统分析固溶体的微观结构、光谱特征及氧化还原性能。研究结果表明, Co离子掺杂样品中观察到Co3O4杂相, 而另外三种离子均完全溶解在CeO2中形成固溶体。样品为纳米尺寸, 晶格常数与掺杂离子半径密切相关, 样品的能隙明显降低, 而且掺杂离子能够明显提高固溶体的氧空位浓度, 氧空位浓度由小到大的顺序依次为: CeO2 < La < Fe < Co < Mn。此外, 掺杂样品与H2反应的还原峰温度均低于纯CeO2, 且与H2的反应量明显高于未掺杂样品。
为改善Al-Pb合金的表面硬度和耐磨性能, 利用强流脉冲电子束(high current pulsed electron beam, HCPEB)对涂敷在纯铝(Al)表面的铅(Pb)层进行辐照合金化处理, 制备具有优异性能的Al-Pb合金化层。采用3D激光扫描显微系统(laser scanning microscope, LSM)测量表面粗糙度; 利用带能谱仪(energy dispersive spectrometer, EDS)的场发射扫描电镜(scanning electron microscopy, SEM)分析辐照合金化前后Al-Pb涂层的微观形貌、结构与元素分布; 随后使用X射线衍射仪(X-ray diffraction, XRD)观察合金层的物相组成; 利用透射电镜(transmission electron microscope, TEM)精细表征Al-Pb合金层的微观结构, 最后测试辐照前后样品表面的显微硬度、平均摩擦因数与磨损率并分析硬度及磨损增强机理, 探究和总结材料表面性能强化机制, 建立辐照合金层表面-微观组织-表面性能之间的内在联系。结果表明: 经过HCPEB辐照处理后, Al基体与Pb涂层呈现良好的冶金结合, 并在30次辐照后制备了10.2 μm厚的Al-Pb合金层; 与纯铝及原始涂层相比, 辐照30次后(111)Al晶面衍射峰发生了宽化, 同时衍射峰的位置也向低角度发生微小移动, 这表明基体表面Al晶粒在HCPEB表面合金化处理后得到了显著的细化且晶胞发生膨胀, 晶格常数增大; HCPEB诱发样品表面形成了亚晶、位错、位错胞、少量的Al(Pb)固溶体以及大量纳米级富Pb颗粒。性能测试结果表明, 经电子束辐照后Al-Pb涂层表面的硬度和耐磨性显著提高。
针对15Cr2Mo1耐热钢焊缝服役过程中易出现表面裂纹的问题, 采用与该钢种使用场景相似的NiCrFe合金对预制不同坡口深度来模拟裂纹深度的焊缝进行补焊。通过补焊焊缝组织及性能表征, 验证补焊修复工艺的适用性。结果表明: 不同深度裂纹补焊后均成型良好且无明显缺陷, 焊缝金属均由奥氏体胞状树枝晶及第二相析出物组成, 熔合区附近存在少量共晶铁素体, 但Ⅱ型边界与熔化边界间的白亮条带中不存在铁素体。补焊填充量的增加主要使接头的屈服强度降低, 尤其坡口深度由6.5 mm增加至13 mm时, 室温及高温屈服强度均大幅度降低15%左右, 此后降低趋势减缓。填充量增加使熔合线及熔合线外2 mm区域冲击韧性提高, 而全焊缝硬度随填充量增大呈现先减小后增大的特点, 这与补焊缝所受的拘束作用、合金元素偏析形成析出相增多有关。
以氧泡为模板, 采用阳极氧化法制备系列三维多孔二氧化铅阳极材料, 探究添加剂醋酸钠、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、十二烷基苯磺酸钠(SDBS)、聚乙二醇(PEG)对三维多孔PbO2阳极材料的影响。利用SEM和XRD对电极表面的形貌结构和物相组成进行表征。采用阳极极化曲线(LSV)、循环伏安曲线(CV)、交流阻抗图谱(EIS), 对电极材料的电催化活性进行测定。结果表明: 添加剂加入后, 能够促进Pb2+均匀分散, 当PbO2沉积后包覆其表面, 减少颗粒聚集, 镀层更为平整致密; 同时, 由于有机添加剂的吸附作用, 改变晶粒择优取向, 但不改变晶型, 制备的电极材料仍为β-PbO2, 形貌完整, 均具有三维多孔结构。添加了有机添加剂后, 电极材料孔密度增大, 提升电极材料比表面积, 降低电催化过程中的电荷转移电阻, 提高电极材料的电催化活性。其中, 加入SDBS的多孔PbO2电极具有最大的j0(5.514×10-5 A·cm-2)和最小的Rct(0.3395 Ω·cm2), 体现出良好的电催化性能。由CV数据可知, 添加了SDBS的PbO2电极qi*为0.652 C·cm-2, 是未加入添加剂的多孔PbO2电极的4倍, 有机添加剂的加入有效地增大了电极材料电化学活性表面积。
