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    2024, 52(4): 0-0.
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    . 目录[J]. 材料工程, 2024, 52(4): 0-0.
    . [J]. Journal of Materials Engineering, 2024, 52(4): 0-0.

  • 陶瓷及其复合材料专栏
  • 陶瓷及其复合材料专栏
    范晓孟
    2024, 52(4): 0-0.
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    范晓孟. “陶瓷及其复合材料”专题序言[J]. 材料工程, 2024, 52(4): 0-0.
    . [J]. Journal of Materials Engineering, 2024, 52(4): 0-0.

  • 陶瓷及其复合材料专栏
    郝浩辉, 党潇琳, 马晓康, 丁金雪, 范晓孟
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    郝浩辉, 党潇琳, 马晓康, 丁金雪, 范晓孟. 陶瓷基复合材料界面微区力学行为的研究进展[J]. 材料工程, 2024, 52(4): 1-11.
    Haohui HAO, Xiaolin DANG, Xiaokang MA, Jinxue DING, Xiaomeng FAN. Research progress in micro-mechanical behavior of ceramic matrix composites interfacial zone[J]. Journal of Materials Engineering, 2024, 52(4): 1-11.

    作为热结构材料, 陶瓷基复合材料(ceramic matrix composites, CMC)在航空航天领域应用潜力巨大。连续纤维的引入解决了陶瓷脆性大的问题, 而纤维与基体间微小区域——界面层的设计是保证CMC具有高韧性的关键。一直以来相关研究主要集中于界面层与CMC宏观力学性能之间的关系, 受限于表征难以深入研究界面层微区力学行为的困难。随着微纳力学测试与聚焦离子束(focused ion beam, FIB)技术的发展, 近些年来对于CMC界面层结合强度以及其失效行为的表征逐渐增多。在此基础上, 本文综述CMC中界面层的作用以及界面剪切强度的影响因素与调控机制, 同时汇总当下通过直接或间接手段测试界面剪切强度的方法, 重点总结微纳力学手段下纤维push-out/push-in以及微柱压缩等方法的适用条件以及差异, 报道这些方法在界面区失效机制研究方面的进展, 并指明尚存在的一些问题。其中, 纤维push-out/push-in可以反映基体应力作用对界面剪切强度的影响, 但测试结果可能受到外部因素的影响;而微柱压缩测试则更多地反映界面层本征特性, 无法反映基体应力对界面剪切强度的影响, 也无法反映纤维拔出过程。最后展望未来的研究方向:进一步拓展界面微区力学行为的表征方法, 同时确定微区力学与宏观力学性能间的影响机制并建立模型, 最终实现CMC的界面层优化。

  • 陶瓷及其复合材料专栏
    陈科吉, 李鹏飞, 徐彩虹, 吴子剑, 张宗波
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    陈科吉, 李鹏飞, 徐彩虹, 吴子剑, 张宗波. 硅基聚合物耐高温衍生陶瓷涂层制备与应用研究进展[J]. 材料工程, 2024, 52(4): 12-23.
    Keji CHEN, Pengfei LI, Caihong XU, Zijian WU, Zongbo ZHANG. Research progress in preparation and application of silicon-containing polymer derived high temperature resistant ceramic coatings[J]. Journal of Materials Engineering, 2024, 52(4): 12-23.

    随着航空航天领域的不断发展, 金属以及碳材料等高温结构部件的服役条件日益苛刻。通过恰当的工艺在高温结构部件表面制备硅基陶瓷涂层并赋予其特殊性能, 可有效提高高温结构部件的使用寿命。近年来, 聚合物前驱体转化陶瓷涂层逐渐成为一种无机涂层制备的新方法。该方法具有制备工艺简便、涂层功能拓展性强等特点, 得到了研究者越来越多的关注。本文主要综述了硅基聚合物前驱体转化陶瓷涂层的研究进展。首先从聚合物陶瓷涂层的制备展开, 简要介绍了硅基聚合物前驱体、填料种类以及涂覆工艺和裂解方式对涂层结构以及性能的影响。随后, 重点讨论了聚合物前驱体转化陶瓷涂层在耐高温防护领域, 包括抗氧化、环境障、热障涂层的应用进展。最后, 指出了聚合物陶瓷涂层在涂层性能提升及缺陷控制等方面的问题, 并对其发展方向进行了展望, 例如通过在硅基前驱体中引入Hf, Zr, Ta等超高温元素, 提高陶瓷涂层的耐温等级, 以及发展高效的陶瓷化新技术, 从而提高陶瓷转化效率及涂层适用性范围等。

  • 陶瓷及其复合材料专栏
    高基磊, 刘俐
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    高基磊, 刘俐. 耐高温吸波陶瓷及其涂层的研究进展[J]. 材料工程, 2024, 52(4): 24-33.
    Jilei GAO, Li LIU. Research progress in high temperature microwave absorbing ceramics and coatings[J]. Journal of Materials Engineering, 2024, 52(4): 24-33.

    随着近现代科技的发展, 高速飞行器对生存能力需求不断提高, 其鼻锥、机翼、尾喷管等高温部件极易暴露。传统吸波材料普遍不能应用于高温环境, 为了能够隐藏高速飞行器的高温部件, 吸波材料的高温应用引起了研究人员的重视, 耐高温吸波陶瓷材料可以实现上述背景下的应用。为提供分析和改善陶瓷吸波材料高温程度有限和吸收带宽较窄问题的依据, 对引入温度影响后, 耐高温吸波陶瓷材料的吸波机理进行了阐述。耐高温吸波陶瓷材料与涂层可以分为碳化物陶瓷、氮化物陶瓷、氧化物陶瓷和聚合物转化陶瓷。本文在此分类的基础上, 对陶瓷吸波材料和涂层损耗电磁波机理及其高温条件下的吸波性能进行了归纳总结, 并指出未来耐高温吸波陶瓷材料应改善现有材料耐高温程度不足以及有效吸收带宽较窄的问题, 进而加强其在高温条件下的服役能力。

  • 陶瓷及其复合材料专栏
    费轩, 余煜玺, 严远高, 魏永金, 赵刚, 黄柳英
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    费轩, 余煜玺, 严远高, 魏永金, 赵刚, 黄柳英. ZrO2增强聚合物先驱体SiCNO复合陶瓷的制备和力学性能[J]. 材料工程, 2024, 52(4): 34-42.
    Xuan FEI, Yuxi YU, Yuangao YAN, Yongjin WEI, Gang ZHAO, Liuying HUANG. Preparation and mechanical properties of ZrO2-reinforced polymer-derived SiCNO composite ceramics[J]. Journal of Materials Engineering, 2024, 52(4): 34-42.

    聚合物先驱体陶瓷(polymer-derived ceramics, PDCs)技术具有制造简单、成分可调等优点, 为制备新型陶瓷提供了有效途径。然而, 由于热解过程中微小分子的逃逸形成孔洞缺陷, 先驱体技术制备的无定形聚合物衍生SiCNO陶瓷(PDCs-SiCNO陶瓷)的力学性能较差。为解决上述问题, 通过向陶瓷基体添加第二相(颗粒强化)来实现增强先驱体陶瓷。对聚乙烯基硅氮烷(PVSZ)和ZrO2进行先球磨后热解, 制备ZrO2颗粒增强PDCs-SiCNO复合陶瓷(PDCs-SiCNO-ZrO2), 研究PDCs-SiCNO-ZrO2复合陶瓷的结构和力学性能。结果表明:引入的ZrO2填料作为增强体嵌入SiCNO陶瓷基体中, 不仅能有效降低线收缩率, 还能大幅提高PDCs-SiCNO-ZrO2复合陶瓷的力学性能。添加10%(质量分数)ZrO2的PDCs-SiCNO-ZrO2复合陶瓷的弯曲强度和压缩强度分别为197.03 MPa和375.2 MPa, 比PDCs-SiCNO陶瓷高出64%和267%, 其硬度值最高可达20.92 GPa, 断裂韧度达到2.76 MPa·m1/2。适当含量ZrO2的加入有助于提升PDCs-SiCNO陶瓷基体的致密化程度, 从而提升了PDCs-SiCNO-ZrO2复合陶瓷的力学性能。

  • 陶瓷及其复合材料专栏
    唐蓝馨, 王芳, 周治, 李双池, 左鑫, 李凌峰, 杨柳, 谭启, 陈渝
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    唐蓝馨, 王芳, 周治, 李双池, 左鑫, 李凌峰, 杨柳, 谭启, 陈渝. Gd3+掺杂调控BiFeO3-BaTiO3高温无铅压电陶瓷的结构与性能[J]. 材料工程, 2024, 52(4): 43-53.
    Lanxin TANG, Fang WANG, Zhi ZHOU, Shuangchi LI, Xin ZUO, Lingfeng LI, Liu YANG, Daniel Q TAN, Yu CHEN. Structures and properties of Gd3+ doped modified BiFeO3-BaTiO3 high-temperature lead-free piezoelectric ceramics[J]. Journal of Materials Engineering, 2024, 52(4): 43-53.

    用于监测航空发动机、重型燃气轮机等重大技术装备高温部件振动状态的压电加速度传感器, 需要一种高居里温度压电陶瓷作为敏感元件, 而电子元器件的无铅化是环境保护的迫切要求。采用传统的固相反应法制备一种Gd/Mn共掺杂的BF-BT((0.67BiFeO3-0.33Ba1-xGdxTiO3)+0.5%(质量分数)MnO2, x=0~0.02)高温无铅压电陶瓷, 并研究Gd3+掺杂浓度(x)对BF-BT陶瓷的相组成、微观结构、压电性能、介电弛豫行为及交流阻抗特征的影响。结果表明:所有样品均为单一钙钛矿结构, 三方相(R)和四方相(T)共存, 且T相含量随x增加而增加;适量的Gd3+(x < 0.02)固溶进入钙钛矿点阵之中能够促进BF-BT陶瓷晶粒的生长。掺杂Gd3+的样品表现出增强的弛豫相变行为, 相变温度(Tm)随x的增加而减小, 而介电弛豫程度(ΔTrelax)随x的增加而增大。采用R-CPE等效电路模型对BF-BT陶瓷的高温复阻抗谱(Cole-Cole图)进行拟合分析, 发现样品在高温下的交流阻抗主要来自晶界的贡献。并且随着Gd3+掺杂浓度的提高, 样品的介电弛豫激活能不断增大, 证实Gd3+取代Ba2+减少了晶格中氧空位浓度的施主掺杂效应。综合来看, x=0.01的样品具有最优的电学性能:TC=425 ℃, d33=126 pC/N, kp=25.9%, tanδ=0.059, 有望作为一种合适的高温压电材料被应用。

  • 陶瓷及其复合材料专栏
    桂阳海, 涂远生, 田宽, 郭会师, 黄海, 张心华
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    桂阳海, 涂远生, 田宽, 郭会师, 黄海, 张心华. Cr2O3对ZnO-Bi2O3基高压压敏陶瓷性能的影响[J]. 材料工程, 2024, 52(4): 54-60.
    Yanghai GUI, Yuansheng TU, Kuan TIAN, Huishi GUO, Hai HUANG, Xinhua ZHANG. Effect of Cr2O3 on properties of ZnO-Bi2O3 based high-voltage varistor ceramics[J]. Journal of Materials Engineering, 2024, 52(4): 54-60.

    采用固相烧结法制备ZnO-Bi2O3-Co2O3-NiO-Mn3O4-SiO2-Cr2O3压敏陶瓷, 研究不同掺杂量的Cr2O3对ZnO压敏陶瓷的微观结构和电气性能的影响。通过X射线衍射仪(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)及电化学工作站分别对样品的物相、微观形貌及电性能进行表征。结果表明:Cr2O3的加入不仅具有抑制ZnO晶粒异常生长和提升晶粒均匀分布的作用, 而且能显著降低ZnO晶粒电阻, 增加晶界电阻。在Cr2O3添加量为0%~0.21%(摩尔分数, 下同)范围内, 随着添加量的增大, 压敏陶瓷的非线性系数表现为先增加后减小。当Cr2O3掺杂量为0.14%时, ZnO压敏陶瓷具有优异的电气性能:电位梯度E1 mA=216 V·mm-1、泄漏电流JL=0.36 μA·cm-2、非线性系数α=25、残压比K=1.815、老化系数Kct=0.647。此外, 该压敏陶瓷在4/10 μs波形下100 kA脉冲电流冲击2次后U1 mA仍保持为初始的96.75%, 表现出良好的冲击稳定性, 在配电系统避雷器中具有巨大的应用潜力。

  • 综述
  • 综述
    胡佩伟, 张炎, 高润琴, 程港莉, 张占兵, 胡超
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    胡佩伟, 张炎, 高润琴, 程港莉, 张占兵, 胡超. 光电催化矿物材料的制备及应用研究进展[J]. 材料工程, 2024, 52(4): 61-72.
    Peiwei HU, Yan ZHANG, Runqin GAO, Gangli CHENG, Zhanbing ZHANG, Chao HU. Progress in preparation and application of photoelectrocatalytic mineral materials[J]. Journal of Materials Engineering, 2024, 52(4): 61-72.

    光电催化技术是解决环境污染和能源短缺问题最具应用前景的方法之一。基于半导体矿物的光电化学性质或非半导体矿物的天然物理特性, 将矿物与光电催化功能体复合构建的光电催化矿物材料具有成本低、环境相容性好、性能优异等特点, 其在矿物利用的新兴领域受到了广泛关注。本文在限定了光电催化矿物材料研究是否属于矿物应用范畴的基础上, 介绍了光电催化矿物材料包含的矿物组分及特征, 提出了光电催化矿物材料的分类, 并对光电催化矿物材料的制备方法及矿物增强光电催化活性的机制进行了讨论。最后, 概述了光电催化矿物材料用于水中污染物治理、光电催化水分解产氢、CO2能源化等领域的研究现状;指出应重点关注矿物本征光电属性、有效建立材料复合结构与效能的联系、明确材料矿物学属性影响光电催化的机制等问题, 拓展光电催化矿物材料在新能源、化学品合成和矿物/微生物作用等领域的应用研究。

  • 综述
    陶洋, 张祝辉, 杨莹雪, 李存静, 张典堂
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    陶洋, 张祝辉, 杨莹雪, 李存静, 张典堂. C/C三维纺织复合材料细观结构及力学性能研究进展[J]. 材料工程, 2024, 52(4): 73-86.
    Yang TAO, Zhuhui ZHANG, Yingxue YANG, Cunjing LI, Diantang ZHANG. Research progress in mesostructure and mechanical properties of C/C three dimensional textile composites[J]. Journal of Materials Engineering, 2024, 52(4): 73-86.

    C/C三维纺织复合材料因其可设计性强、力学性能优异和耐高温等特点而被广泛地应用于航空航天、轨道交通和光伏热场等高温端部件。然而, C/C三维纺织复合材料内部纱线结构复杂且孔隙率高, 呈现出高度各向异性和非均匀性, 这些因素都会给力学性能及损伤机制揭示带来巨大困难。因此, 本工作从实际应用出发, 围绕C/C三维纺织复合材料, 从细观重构、力学性能表征和数值模拟三个方面阐述近几年的国内外研究现状, 并在此基础上重点对C/C三维纺织复合材料结构功能一体化制备、深度学习模型的发掘和高温实验环境下渐进损伤实验平台的搭建做出了展望。

  • 综述
    裴云亮, 姚煜, 邹文俊, 彭进, 宋旭东
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    裴云亮, 姚煜, 邹文俊, 彭进, 宋旭东. 材料表面微图案结构成型技术及其研究进展[J]. 材料工程, 2024, 52(4): 87-101.
    Yunliang PEI, Yu YAO, Wenjun ZOU, Jin PENG, Xudong SONG. Forming technology and research progress of material surface micropattern structure[J]. Journal of Materials Engineering, 2024, 52(4): 87-101.

    表面微图案结构成型技术作为实现材料表面纹理化并促进材料先进化、功能化的一种手段已经广泛应用到实际生产制造中。根据材料应用领域的差异, 表面微图案成型的主要方法包括热压花、化学蚀刻、电火花加工、光刻和3D打印。本文综述了不同表面微图案结构成型技术及制备表面纹理化功能材料的基本原理, 并列举其在光伏、电子信息、智能制造、超精密制造等领域的实际应用。总结了不同表面微图案结构成型技术的特点及适用范围, 提出了实现材料表面纹理化和功能化所面临的关键问题, 为表面微图案结构的微加工技术提供了一定参考。

  • 研究论文
  • 研究论文
    齐欢, 武祥为, 张涵雅, 陈锋, 王玉会, 王春阳
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    齐欢, 武祥为, 张涵雅, 陈锋, 王玉会, 王春阳. Ti-34Nb-4Zr-0.3O合金时效组织调控及其力学性能[J]. 材料工程, 2024, 52(4): 102-109.
    Huan QI, Xiangwei WU, Hanya ZHANG, Feng CHEN, Yuhui WANG, Chunyang WANG. Microstructure regulation and mechanical properties of Ti-34Nb-4Zr-0.3O alloys by aging[J]. Journal of Materials Engineering, 2024, 52(4): 102-109.

    采用真空电弧熔炼、单相区热锻以及冷轧等技术制备亚稳β型Ti-34Nb-4Zr-0.3O(质量分数/%)合金(TNZO), 通过对冷轧态TNZO合金进行250 ℃和300 ℃的低温时效处理, 揭示时效温度和时间对ω相析出行为与合金力学性能的影响规律。结果表明:低温时效使ω相呈纳米尺寸析出, 导致合金的强度和弹性模量提高。300 ℃时效时, ω相易发生粗化和团聚, 使合金的伸长率快速下降和脆化。250 ℃短时时效可使少量ω相弥散析出, 使合金具备高强度、低模量、超高弹性和良好塑性的优异综合性能, 在航空航天弹性钛合金和医用植入钛合金领域显示了广阔的应用前景。

  • 研究论文
    崔岩, 廖家杰, 曹雷刚, 杨越
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    崔岩, 廖家杰, 曹雷刚, 杨越. 中高体积分数SiCp/Al复合材料的力学性能及强化机制[J]. 材料工程, 2024, 52(4): 110-119.
    Yan CUI, Jiajie LIAO, Leigang CAO, Yue YANG. Mechanical properties and strengthening mechanism of medium and high volume fraction SiCp/Al composites[J]. Journal of Materials Engineering, 2024, 52(4): 110-119.

    采用热等静压粉末冶金工艺, 以2024和6061铝合金为基体, 分别制备体积分数为35%, 45%, 55%的中高体积分数SiCp/Al复合材料。探究基体合金与SiC体积分数对复合材料力学性能的影响。结果表明:相同体积分数时, 以2024铝合金为基体的复合材料具有更高的弯曲强度和弹性模量;但以6061铝合金为基体的复合材料则呈现出了更高的断裂应变。随着体积分数的增加, 两类复合材料力学性能的变化规律相同, 弯曲强度呈先增大后减小的趋势, 当体积分数为45%时达到峰值, 分别为656.54 MPa和548.00 MPa;弹性模量呈持续上升趋势, 当体积分数为55%时分别达到202 GPa和188 GPa。基体合金差异对力学性能的影响在体积分数较低时更为明显, 提高体积分数将会弱化这种差异。结合理论公式计算发现, 对于微米级的增强体颗粒, Orowan机制带来的强化效应极小, 可忽略不计;其他各类强化机制的强化效果将随着增强体体积分数的增加呈现不同程度的提高;几何必须位错强化和热错配强化对材料屈服强度的贡献始终占据主导地位。

  • 研究论文
    张雷雷, 陈晶阳, 任晓冬, 张明军, 汤鑫, 肖程波, 杨卿
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    张雷雷, 陈晶阳, 任晓冬, 张明军, 汤鑫, 肖程波, 杨卿. 固溶参数对镍基高温合金K439B显微组织及力学性能的影响[J]. 材料工程, 2024, 52(4): 120-126.
    Leilei ZHANG, Jingyang CHEN, Xiaodong REN, Mingjun ZHANG, Xin TANG, Chengbo XIAO, Qing YANG. Effect of solution parameters on microstructures and mechanical properties of K439B nickel-based superalloy[J]. Journal of Materials Engineering, 2024, 52(4): 120-126.

    采用金相显微镜和场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)研究不同固溶温度(1140, 1160 ℃及1180 ℃)及固溶冷却方式(AC, FC-900 ℃+AC, FC)等热处理参数对K439B合金显微组织及力学性能的影响。结果表明:提高固溶温度后合金的光学组织及γ′相形貌接近, 晶界宽度略有增加。当以AC方式冷却时, γ′相均匀分布, 尺寸为50.7 nm;以FC-900 ℃+AC方式冷却时, 枝晶间及晶界附近析出250~510 nm的粗大γ′相, γ′相呈双态形貌;以FC方式冷却时, 粗大γ′相的含量增多, 且晶界颗粒状M23C6碳化物含量有所提高。降低冷却速率后K439B合金的815 ℃/379 MPa持久寿命得到较大改善, 不同固溶参数对热处理K439B合金的室温拉伸性能影响较小。

  • 研究论文
    陈庆强, 马冠杰, 孙捷, 孙幸子, 于亚磊, 李顺龙
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    陈庆强, 马冠杰, 孙捷, 孙幸子, 于亚磊, 李顺龙. 时效析出强化对GW83镁合金摩擦磨损行为的影响[J]. 材料工程, 2024, 52(4): 127-137.
    Qingqiang CHEN, Guanjie MA, Jie SUN, Xingzi SUN, Yalei YU, Shunlong LI. Effect of aging precipitation strengthening on friction and wear behavior of GW83 magnesium alloy[J]. Journal of Materials Engineering, 2024, 52(4): 127-137.

    为了研究时效强化对稀土镁合金磨损机理和摩擦变形行为的影响, 采用挤压工艺制备GW83(Mg-8Gd-3Y-0.5Zr, 质量分数/%)稀土镁合金。利用电子万能试验机测试合金的室温力学性能, 利用光学显微镜(optical microscope, OM)、扫描电子显微镜(scanning electron microscope, SEM)、透射电子显微镜(transmission electron microscope, TEM)观察分析合金的组织, 利用球-盘式干滑动摩擦磨损试验机测试分析合金的耐磨性能。结果表明:经过T5峰时效处理后, 析出了大量透镜状β′相, 硬度和抗拉强度分别为124.1HV和420.31 MPa, 相比在挤压态(O态)时有明显的增加。在实验载荷范围内, 随着载荷的增加, 合金的摩擦因数逐渐降低, 磨损率逐渐增加。T5处理可显著降低GW83镁合金的磨损体积, 提高耐磨性能。耐磨性能的提升与磨损机制及摩擦变形程度的改变有关。在5~10 N时, 两种样品的主要磨损机制均为磨粒磨损、氧化磨损与黏着磨损。当载荷增加至20 N, O态样品的主要磨损机制转变为剥层磨损, 而T5态样品直至80 N才出现轻微剥层磨损机制。T5处理显著减小了由摩擦引起的表层金属变形程度和变形层厚度, 减少了摩擦裂纹的产生。

  • 研究论文
    刘金玉, 张志远, 王东, 蒋世权, 温玉清, 尚伟
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    刘金玉, 张志远, 王东, 蒋世权, 温玉清, 尚伟. 镁合金表面不同MOF超疏水涂层的耐蚀行为[J]. 材料工程, 2024, 52(4): 138-145.
    Jinyu LIU, Zhiyuan ZHANG, Dong WANG, Shiquan JIANG, Yuqing WEN, Wei SHANG. Corrosion resistance behavior of different MOF superhydrophobic coatings on magnesium alloy surface[J]. Journal of Materials Engineering, 2024, 52(4): 138-145.

    对AZ91D镁合金表面三种不同超疏水涂层(MZS-1, MZS-2和ZnO@ZIF-8)在5%(质量分数)NaCl溶液中的耐蚀性能进行研究。采用场发射扫描电子显微镜、静态接触角测试仪、电化学工作站和盐水喷雾试验机分别对超疏水复合涂层进行微观形貌、润湿性、耐蚀性能等进行测试与表征。结果表明:经过盐雾处理后, 三种超疏水涂层均在192 h后出现腐蚀, 其中MZS-1超疏水涂层的腐蚀最为严重, MZS-2超疏水涂层240 h后表面出现点蚀, 同时经过盐雾处理后仍能维持较高的接触角, 故MZS-2复合涂层耐蚀性能最好。极化曲线测试发现, 在盐雾处理240 h后, 三种超疏水涂层的腐蚀电流密度仍比金属基体降低1个数量级, 表现出优异的耐蚀性能。所制备的超疏水涂层可以有效增加金属材料的耐蚀性, 由于超疏水涂层的拒水性, 有效阻挡腐蚀离子的渗透, 给基体提供长期的防护作用。

  • 研究论文
    孛海娃, 王沛锦, 艾桃桃
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    孛海娃, 王沛锦, 艾桃桃. 时效处理对(FeNiCoCr)90Al5Ti5高熵合金L12型析出相及力学性能的影响[J]. 材料工程, 2024, 52(4): 146-154.
    Haiwa BO, Peijin WANG, Taotao AI. Effect of aging treatment on L12 precipitated phase and mechanical properties of (FeNiCoCr)90Al5Ti5 high entropy alloy[J]. Journal of Materials Engineering, 2024, 52(4): 146-154.

    析出相形态和相稳定性对于调控合金力学性能至关重要。采用低速球磨+热压烧结法制备(FeNiCoCr)90Al5Ti5高熵合金, 研究高温(1150 ℃)和中温(850 ℃)时效处理对合金析出相类型、形貌、分布及力学性能的影响。结果表明:所制备合金压缩应变量达47%, 屈服强度和极限抗压强度分别为948 MPa和1684 MPa, 高强度源于晶内L12结构纳米析出相的强化作用。850 ℃时效10 h后L12析出相长大为尺寸超过10 μm的等轴晶粒, 且部分转变为薄片状HCP结构η相, 导致合金屈服强度和极限抗压强度降低。1150 ℃时效2 h后晶内纳米L12析出相完全回溶, 导致合金屈服强度和极限抗压强度急剧降低。

  • 研究论文
    蒋磊, 徐任信, 吴书广, 刘国权, 丁安心, 陈杨
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    蒋磊, 徐任信, 吴书广, 刘国权, 丁安心, 陈杨. 聚氨酯上浆剂处理PBO纤维复合材料的界面性能[J]. 材料工程, 2024, 52(4): 155-163.
    Lei JIANG, Renxin XU, Shuguang WU, Guoquan LIU, Anxin DING, Yang CHEN. Interface properties of composites from PBO fibers modified by polyurethane sizing agent[J]. Journal of Materials Engineering, 2024, 52(4): 155-163.

    为了提高聚对苯撑苯并二噁唑(poly-p-phenylenebenzobisoxazole, PBO)纤维/环氧树脂复合材料的界面性能, 采用γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)改性水性聚氨酯得到上浆剂, 然后对酸化后的PBO纤维进行表面涂覆处理。采用XPS和EDS分析PBO纤维表面的化学组成, 利用SEM研究PBO纤维表面及其复合材料撕裂面的形貌, 并对PBO纤维的单丝及复合材料的力学性能进行分析。结果表明:经过上浆剂包覆的PBO纤维表面活性基团明显增多, 表面O/C(原子比)由0.16提升至0.25, 上浆剂能有效修复纤维表面的缺陷;通过调控纤维表面上浆剂含量和结构, 可使PBO纤维/环氧树脂单向复合材料的层间剪切强度提高到41.3 MPa, 拉伸强度增加到1.70 GPa, 相较于未处理的复合材料分别提高了44.9%和15.6%。

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    薛鹏鹏, 邓坤坤, 聂凯波, 史权新, 刘力
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    薛鹏鹏, 邓坤坤, 聂凯波, 史权新, 刘力. SiCp分布对SiCp/2024Al复合材料组织和性能及变形行为的影响[J]. 材料工程, 2024, 52(4): 164-175.
    Pengpeng XUE, Kunkun DENG, Kaibo NIE, Quanxin SHI, Li LIU. Effects of SiCp distribution on microstructure, mechanical properties and deformation behavior of SiCp/2024Al composites[J]. Journal of Materials Engineering, 2024, 52(4): 164-175.

    采用半固态搅拌铸造法制备出SiCp/2024Al复合材料, 并通过热挤压和多向锻造(MDF)的多步变形调控SiCp的分布, 研究SiCp分布对SiCp/2024Al复合材料组织和性能的影响。研究结果表明:热挤压变形促使SiCp沿挤压方向(ED)排布;而经过多向锻, SiCp分布得到显著改善, 由定向排布转变为均匀分布。经过1MDF后, 沿ED定向排布的SiCp向无序分布转变, 同时材料的力学性能急剧下降。3MDF后SiCp分布均匀性提高, 材料的力学性能大幅提高。随着锻造道次增加至6道次, 虽然SiCp分布均匀性进一步提高, 但伴随着部分SiCp发生破碎, 材料的力学性能下降。其中, 当锻造次数为3时, 复合材料的力学性能最优, 其屈服强度、极限抗拉强度和伸长率分别为264, 387 MPa和7%。与定向分布的复合材料相比, 均匀分布的SiCp可有效缓解局部应力集中, 合金基体能存储更多的位错。此外, 当SiCp分布均匀性提高时, 也伴随着Al2Cu相的细化。弥散分布的Al2Cu相阻碍了位错的滑移, 导致均匀分布的复合材料具有更高的加工硬化率和内应力。为了研究SiCp分布对复合材料加工软化行为的影响, 对复合材料进行循环应力松弛实验。在应力循环过程中, 由于均匀分布的SiCp和弥散分布的Al2Cu相, 导致均匀分布SiCp/2024Al复合材料的抗应力松弛性能更好。

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    宋曲之, 王兵, 杜贻昂, 吴爽, 王应德
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    宋曲之, 王兵, 杜贻昂, 吴爽, 王应德. 氨硼烷制备的高宽厚比氮化硼纳米片及其形成机理[J]. 材料工程, 2024, 52(4): 176-182.
    Quzhi SONG, Bing WANG, Yiang DU, Shuang WU, Yingde WANG. Fabrication and formation mechanism of high aspect ratio boron nitride nanosheets prepared by ammonium borane[J]. Journal of Materials Engineering, 2024, 52(4): 176-182.

    受限于商业氮化硼(BN)晶体尺寸及BN独特的层间相互作用, 传统的剥离法难以实现高宽厚比(> 5000)氮化硼纳米片(BNNSs)的制备。以氨硼烷为前驱体, 经烧结和分离得到了高宽厚比的BNNSs。通过FTIR, TG, TEM, XRD等手段对BNNSs的组成结构及形成机理进行表征。结果表明:当温度超过80 ℃时, 氨硼烷之间开始交联脱氢, 氢气释放使得在交联过程中形成泡沫结构, 并最终在1000 ℃完成无机化, 得到含有BNNSs的BN泡沫, 其中的膜结构即为BNNSs。所制备的BNNSs为六方晶型结构, 厚度约为1.5 nm, 宽度约30 μm, 宽厚比达到20000。将高宽厚比的BNNSs与聚乙烯醇(PVA)复合制备成复合膜, 其导热及力学性能相较于小宽厚比BNNSs所制备的复合膜有显著提升, 充分说明了高宽厚比BNNSs在BN基复合材料领域的应用优势。

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    李子恒, 王斌斌, 尤德强, 李卫, 王小健
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    李子恒, 王斌斌, 尤德强, 李卫, 王小健. 两性离子-阴离子双交联P(AAm-co-AAc-co-SBMA-co-AMPS)/Fe3+水凝胶的摩擦学性能研究[J]. 材料工程, 2024, 52(4): 183-191.
    Ziheng LI, Binbin WANG, Deqiang YOU, Wei LI, Xiaojian WANG. Tribological properties of zwitterionic-anionic dual-crosslinked P(AAm-co-AAc-co-SBMA-co-AMPS)/Fe3+ hydrogel[J]. Journal of Materials Engineering, 2024, 52(4): 183-191.

    水凝胶是一种理想的软骨修复材料, 但目前很难有人工材料能实现软骨的超低摩擦因数。使用两性离子单体[2-(甲基丙烯酰氧基)乙基]二甲基-(3-磺丙基)(SBMA)和阴离子单体2-丙烯酰氨基-2-甲基丙磺酸(AMPS)合成一种两性离子-阴离子双交联P(AAm-co-AAc-co-SBMA-co-AMPS)/Fe3+水凝胶。在水和PBS中进行摩擦学测试, 以评估两性离子和阴离子基团对摩擦因数(CoF)的影响。结果表明:SBMA和AMPS引入的物理交联点可以提高水凝胶的抗压强度, 在水中实现了较低CoF(0.04);此外, 在PBS中观察到CoF进一步降低至0.015, CoF的降低是由于水凝胶在PBS中浸泡产生的高度水合上层所造成的。

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    金格, 吴尉, 李姗玲, 陈璐, 史俊勤, 贺一轩, 范晓丽
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    金格, 吴尉, 李姗玲, 陈璐, 史俊勤, 贺一轩, 范晓丽. CoxBy合金力学性能、热学性质及电子性质的第一性原理研究[J]. 材料工程, 2024, 52(4): 192-199.
    Ge JIN, Wei WU, Shanling LI, Lu CHEN, Junqin SHI, Yixuan HE, Xiaoli FAN. Mechanical, thermal and electronic properties of CoxBy alloys: a first-principles study[J]. Journal of Materials Engineering, 2024, 52(4): 192-199.

    CoxBy合金是一种具有高硬度和高熔点的材料, 因其稳定的化学性质、高强度以及良好的热稳定性, 在诸多领域具有广泛的应用前景。基于第一性原理方法研究了CoB, Co2B, Co3B, Co23B6, Co5B16 5种CoxBy合金的热力学性质和电子性质。采用能量-应变方法计算了二元合金的弹性常数和相关力学特性, 基于准简谐德拜模型计算了有限温度内的德拜温度ΘD和热膨胀系数α等热力学特性。通过对二元合金的力学参数比较, 发现CoB合金的综合力学性能在所研究的合金中是最好的;态密度图谱表明5种CoxBy合金均具有较好的金属性和良好的导电性, 在电极材料领域有一定的应用潜力, 且在Co3B和Co23B6合金中, Co原子的d电子轨道和B原子的p电子轨道间产生了共振峰, 说明Co—B间有显著的化学键特征。本研究补充了CoxBy二元合金热力学性能参数的空缺, 为Co基或Co—B二元合金材料的设计和应用提供了理论参考。

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    陈欣, 俞杰, 李永国, 李昕, 林中鑫, 裴鉴禄, 郑芹, 刘涛, 张昭辰, 刘经国, 张继荣
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    陈欣, 俞杰, 李永国, 李昕, 林中鑫, 裴鉴禄, 郑芹, 刘涛, 张昭辰, 刘经国, 张继荣. 玻璃纤维滤材的疏水改性及过滤性能[J]. 材料工程, 2024, 52(4): 200-208.
    Xin CHEN, Jie YU, Yongguo LI, Xin LI, Zhongxin LIN, Jianlu PEI, Qin ZHENG, Tao LIU, Zhaochen ZHANG, Jingguo LIU, Jirong ZHANG. Hydrophobic modification and filtration performance of glass fiber filter material[J]. Journal of Materials Engineering, 2024, 52(4): 200-208.

    闭式循环过程会产生大量放射性气溶胶, 其高湿、高酸、高放射性的特点导致基于玻璃纤维滤材的高效过滤器失效快、更换频率高。为解决上述问题, 提出对传统的玻璃纤维滤材进行疏水性改性, 以提高玻璃纤维滤材对苛刻工况的耐受性。利用低表面能改性剂(聚二甲基硅氧烷)对滤材进行化学性疏水性改性, 通过引用SiO2纳米颗粒物进行微结构构造, 进一步改善疏水效果。借助SEM、FTIR、接触角测量仪等手段对改性效果进行了分析, 并进一步研究了改性滤材的过滤性能。研究结果表明:改性方案能够有效改善玻璃纤维滤材的疏水性, 并提高其耐湿性;单纯化学改性滤材的静态接触角可达146°, 引入SiO2纳米颗粒物后改性滤材的接触角超过150°;当改性剂中聚二甲基硅氧烷质量分数为2.0%、SiO2纳米颗粒物质量分数为0.5%时, 所得GF-PS-0.5滤材展现出最优的耐酸性, 主要源于化学性疏水和结构性疏水的有效协同;GF-PS-0.5在经受足量的γ照射后, 疏水性保持稳定, 表明其良好的耐辐照性;改性滤材仍然保持了优异的过滤性能, 其过滤效率超过99.99%。改性过程在提高滤材耐受性的同时, 没有影响其过滤性能, 展现出良好的应用前景。

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    王露臻, 钟丽, 游沐秋, 徐朝阳, 金永灿, 李大纲, 陈楚楚
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    王露臻, 钟丽, 游沐秋, 徐朝阳, 金永灿, 李大纲, 陈楚楚. 高强度双网络结构木基复合凝胶的制备及性能[J]. 材料工程, 2024, 52(4): 209-217.
    Luzhen WANG, Li ZHONG, Muqiu YOU, Zhaoyang XU, Yongcan JIN, Dagang LI, Chuchu CHEN. Preparation and performance of high-strength wood-based composite hydrogels with double network structures[J]. Journal of Materials Engineering, 2024, 52(4): 209-217.

    以木材为原料, 通过脱基质处理获得木材纤维骨架, 在其多孔结构中利用原位聚合法构建以聚乙烯醇(PVA)/聚丙烯酰胺(PAM)为双网络结构填充相的高强度木基复合凝胶。通过调控PVA及PAM在复合凝胶体系中的质量比, 系统研究制备所得木基复合凝胶的宏/微观形貌、力学性能、光学性能及表面化学性能等变化规律。结果表明:在聚丙烯酰胺/木材纤维骨架中引入少量PVA, 通过构建双网络结构, 能够有效提升木基复合凝胶的力学性能, 其最大拉伸强度可达16.47 MPa, 断裂伸长率约为11.61%。将木基复合凝胶作为柔性基材组装构建传感器件, 电导率为1.8 S/m, 发现木基传感器在多种形变下均表现出稳定可重复的相对电流信号变化。

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    王重阳, 王艳, 曹帅, 豆保平, 赵新宇, 邱帅, 王绎苏, 张鸿, 郭静, 王胜法, 权慧欣
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    王重阳, 王艳, 曹帅, 豆保平, 赵新宇, 邱帅, 王绎苏, 张鸿, 郭静, 王胜法, 权慧欣. 面向3D打印应用的PP/PET共混线材制备和性能[J]. 材料工程, 2024, 52(4): 218-224.
    Chongyang WANG, Yan WANG, Shuai CAO, Baoping DOU, Xinyu ZHAO, Shuai QIU, Yisu WANG, Hong ZHANG, Jing GUO, Shengfa WANG, Huixin QUAN. Preparation and properties of PP/PET filament blends for 3D printing applications[J]. Journal of Materials Engineering, 2024, 52(4): 218-224.

    为了拓展聚丙烯(polypropylene, PP)在3D打印技术中的应用, 并改善其力学性能, 采用熔融共混的方式将PP与聚对苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene terephthalate, PET)挤出, 制备PP/PET共混线材。分析不同PP, PET混合比例的共混线材的流变行为、结晶结构、熔融和结晶行为、微观形貌结构、力学性能以及3D打印试样的力学性能。结果表明:PP/PET共混物的黏度随剪切速率的提高而下降, 表现出切力变稀行为;在PP结晶过程中, PET充当成核剂的角色, 且没有改变PP的晶型;PP的熔融温度在150 ℃左右, 结晶温度随PET含量增加而提高;PP基体和PET分散相存在明显的“海-岛”结构, 其中PET为“岛”相, 直径为2~5 μm;共混线材的拉伸强度随PET含量的增加不断提高, 同时, 3D打印试样的拉伸强度和冲击强度提高, 而由于层间界面作用3D打印试样的力学性能普遍低于共混线材。

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