“厚基础、强实践、重创新”的材料类本科专业人才培养模式重构与实践

材料科学与工程是国家“四个面向”的重要支撑,先进材料及制造是国家战略性、基础性产业,是涉及国家安全的关键核心领域。本文针对国家对材料类高素质人才的迫切需求和传统材料类本科人才培养中存在的专业过度细分、实践能力偏弱、创新能力不足等局限性问题,从一流高等院校本科生培养视角出发,依托四川大学厚重基础与综合优势,结合近二十年来材料科学与工程学院本科育人改革实践,系统阐释了“厚基础、强实践、重创新”的材料类本科人才培养特色与新模式。全文宗旨在于论述如何发挥“材料科学与工程”世界一流学科建设学科、一级学科国家重点学科的优势,服务国家重大需求和国民经济主战场,全面总结了系统性多层次育人探索和教学改革,对培养理想坚定、基础扎实、勇于创新的材料类优秀本科人才的具体内涵、实施路径及育人成效进行了思路分析与案例介绍,并对进一步持续改革工作进行了展望。

(Cr,La)_(2)(C,N)添加对Ti(C,N)基金属陶瓷结构与性能的影响

在开放体系下采用高温碳管炉制备了(Cr,La)_(2)(C,N)粉末,并将其作为添加剂制备Ti(C,N)基金属陶瓷。利用X射线衍射仪、扫描电镜、万能力学试验机及维氏硬度计等设备研究了(Cr,La)_(2)(C,N)添加对Ti(C,N)基金属陶瓷微观组织和力学性能的影响。结果表明,(Cr,La)_(2)(C,N)的添加能够有效细化Ti(C,N)基金属陶瓷的硬质相晶粒,其中Cr、La元素主要固溶于粘结相,La元素促进了硬质相的溶解–析出过程,金属陶瓷的抗弯强度、硬度以及断裂韧性等力学性能得到明显改善。当添加(Cr,La)_(2)(C,N)的质量分数为5.0%时,Ti(C,N)基金属陶瓷的综合力学性能达到最佳,抗弯强度为2002 MPa,维氏硬度为1643 MPa,断裂韧性为11.22 MPa·m^(1/2)。

Sm_2Fe_(17)合金的氢化-歧化过程演化

通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和能谱分析(EDX)等手段重点研究了Sm2Fe17合金在氢化-歧化过程中的相组成、相的变化以及微观结构的演化规律. 研究表明: 在0.1 MPa的H2气氛下, Sm2Fe17合金首先吸氢; 400 ℃时合金出现部分脱氢现象; 在T≥500 ℃逐渐开始歧化为SmHx和α-Fe, 同时生成了大量的微晶或非晶组织; 随着温度的升高, 合金中的微晶非晶逐渐晶化, 750 ℃时晶化完全, 晶粒长大至20～100 nm. 通过对Sm2Fe17合金的氢化-歧化过程研究, 建立了该过程的微观结构变化规律的物理模型.

用XRD研究Sm_2Fe_(17)合金氮化行为

通过XRD分析了Sm2Fe17合金的氮化行为及该过程中合金的结构演变规律。结果表明：Sm2Fe17合金粉末在460℃～510℃氮化5h的过程中，随着氮化温度的升高，合金的晶格常数、体积膨胀量不断增加，预示着合金中氮含量的增加，490℃时角度偏移量最大达到约0．9°，晶胞体积膨胀量达6．568％，合金中的氮含量达到最大值；500℃以后氮化物的分解占主导地位。同时，建立了Sm2Fe17合金粉末的氮化过程的物理模型。

(Cr_(0.87),V_(0.13))_(2)(C,N)含量对WC-10Co硬质合金微观组织及力学性能的影响

通过添加一种新型抑制剂(Cr_(0.87),V_(0.13))_(2)(C,N)制备出室温和高温下均性能优异的WC-10Co硬质合金,并研究(Cr_(0.87),V_(0.13))_(2)(C,N)含量对WC-10Co硬质合金微观组织、室温力学性能和高温硬度的影响。结果表明,添加(Cr_(0.87),V_(0.13))_(2)(C,N)具有良好的细化WC晶粒的效果,随着(Cr_(0.87),V_(0.13))_(2)(C,N)含量增加,WC晶粒不断细化,硬度逐渐增加,断裂韧性降低,抗弯强度(TRS)先升高后降低,当(Cr_(0.87),V_(0.13))_(2)(C,N)的添加量为0.6wt.%时,抗弯强度最高为3840.5MPa。抑制剂(Cr_(0.87),V_(0.13))_(2)(C,N)的加入对高温硬度具有积极影响,随着(Cr_(0.87),V_(0.13))_(2)(C,N)含量增加,高温硬度逐渐增加;当(Cr_(0.87),V_(0.13))_(2)(C,N)含量不变时,随着温度升高,硬度逐渐降低。

Zr元素对Sm_2Fe_(17)合金结构的影响

通过XRD,SEM,EDX等手段研究了Zr对Sm2Fe17母合金及均匀化热处理后合金的相及微观结构的影响。结果表明:少量Zr元素的加入,能有效抑制铸锭中α-Fe相的生成;改变富Sm相的分布形态,使其在合金中沿基体Sm2Fe17相晶界呈网状分布,同时能部分取代基体Sm2Fe17相中Fe;短时的热处理能进一步降低合金中α-Fe含量在消除富Sm相,并使Zr在合金中的分布趋于均匀,而长时间热处理对加Zr合金不是一个必要的环节。因此,Zr元素的加入有效的降低了成本,有利于制备成分均一的高质量的Sm2Fe17相母合金。

添加剂对注射成型钕铁硼粘结磁体性能的影响

为了制备出高性价比的注射成型粘结钕铁硼磁体,采用国产的快淬钕铁硼磁粉和尼龙6混合、挤出造粒后,注射成型制备钕铁硼磁体。通过对硅烷系列的偶联剂、硬脂酸系列的润滑剂等添加剂对注射磁体性能的影响研究,并结合微观分析优化出了各种添加剂的最佳添加量,制备出了磁性能为Br:0.5158T,Hcb:321kA/m,Hcj:730kA/m,(BH)m:40kJ/m3的注射钕铁硼磁体,磁体的性能与日本Mate公司的RNI—50产品性能相当,而价格却低得多。

Sm_2Fe_(17)合金的凝固和热处理过程研究

通过XRD,SEM,EDX等手段研究了Sm-Fe合金的凝固和均匀化热处理过程中合金的相及微观结构的变化。结果表明:Sm-Fe合金在凝固中由于包晶反应不完全,母合金中不可避免地含有α-Fe,富Sm相等杂相;1050℃,24h的热处理能有效地消除合金中的杂相和残余应力,成功地制备出成分均一的单相2?17母合金。通过实验观测和分析,建立了Sm-Fe合金凝固过程中微观结构演变的物理模型。

氢化后Sm_2Fe_17合金粉的脱氢-再化合过程演化

HDDR法生产Sm_2Fe_(17)N+x磁粉的关键是获得细小的晶粒。通过XRD,SEM,EDX等手段研究了Sm_2Fe_(17)合金粉在脱氢-再化合过程中的相及微观结构的演化规律。结果表明：在真空条件下,650℃时,已经歧化为 SmH_x和α-Fe的合金粉的脱氢-再化合开始,先形成非稳定的TbCu_7结构的SmFe_7相,随着再化合温度的升高,SmFe_7相逐渐向稳态相Sm_2Fe_(17)转变,在850℃时转变完全；在再化合过程中,合金粉的颗粒大小不发生变化,但内部晶粒已经明显细化；850℃脱氢-再化合1 h。晶粒大小约50nm。

各向同性Sm_2Fe_(17)N_x磁粉及其粘结磁体的制备

采用HDDR工艺制备出了各向同性Sm2Fe17Nx永磁粉,通过XRD,SEM,EDX等手段研究了Sm-Fe合金的凝固,均匀化热处理,氢化-歧化以及脱氢-再化合和氮化等过程中,合金的相及微观结构的变化。结果表明:1050℃,24h的均匀化热处理能有效地消除合金中的杂相,成功地制备出成分均一的单相2:17母合金;800℃氢化-歧化1h后,合金歧化成晶粒为纳米级SmHx和α-Fe,相同温度下脱氢-再化合2h后,合金又再化合为晶粒细小的2:17相,500℃氮化5h后,合金大量吸氮,晶格常数和单胞体积明显增加,体积膨胀量达6.28%;将上述制备的各向同性Sm2Fe17Nx永磁粉用质量分数为3%的环氧树脂粘结剂均匀包缚,获得了密度为6.04g/cm3,磁性能为:Br=0.6704T,Hcj=1015kA/m,(BH)max=73.7kJ/m3的各向同性Sm2Fe17Nx粘结磁体。

纳米多孔镍基催化材料的结构与催化性能

用快速凝固技术制备了NiAl合金条带,经 5min球磨、在m(NaOH)∶m(H2O) =1∶4的溶液中活化处理 3h,得纳米多孔骨架镍催化剂。用XRD、SEM、AFM等对其微观组织结构进行了分析,其变化规律是:随着快淬速度的增加,合金中有效相的含量增加,晶粒变细,甚至部分非晶化;脱铝后的催化剂主要由疏松多孔的棉絮状结构和吸附在孔内的纳米级镍晶粒组成,孔径大小及分布均匀,晶粒尺寸大多在 80nm左右。将其用于呋喃加氢催化反应,在相同催化剂用量条件下,使原来在骨架镍催化下需 0 .40MPa压力才能完成的加氢反应降为 0. 25MPa即可在相同的时间内完成,反应温度还下降 2℃。

注射成型粘结稀土永磁体的进展

本文系统地介绍了注射成型粘结稀土永磁体的制备工艺 ,以及各个环节应该注意的问题。分析了我国注射成型粘结稀土永磁体的研究与开发的现状以及存在问题 。

基于BP人工神经网络的SmFeN永磁材料工艺-磁性能关系预测

采用均匀设计的方法设计了4因素16水平的HDDR工艺条件优化实验方案，建立了工艺参数与磁性能之间的神经网络数学模型，利用该模型结合微观结构的变化研究了各工艺参数以及多因素之间的交互作用对磁性能的影响规律，并对工艺条件进行了优化。结果表明：数学模型预测磁性能结果与实测结果吻合良好，剩磁Br的相对误差在2．85％以内，最大磁能积（BH）m的相对误差的在4．60％以内，内禀矫顽力Hcj的相对误差的最大值为6．0％，建立的数学模型有较好的可靠性。采用预测的HI）DR工艺条件，成功制备出了氮含量高、相组成单-的Sm2Fe17Nx稀土永磁材料，其粘结磁体的磁性能为：Br=0．562T，Hcj-1214kA／m，（BH）m-56kJ／m3和预测值吻合很好。

纳米镍基催化剂母合金的快速凝固过程微观结构研究

为了获得高效、环境友好的纳米微晶骨架镍催化材料,采用电弧感应重熔技术以及快速凝固技术制备了纳米微晶的NiAl母合金条带,并通过XRD、SEM等分析技术揭示了NiAl合金快速凝固过程的相组成以及显微结构变化规律。研究表明,在合金成分一定时,快淬的冷却速率对合金的相组成、相对含量以及微观结构有着重要的影响,考虑到加工条件,通常以30m·s-1为佳,此时合金中有效相Al3Ni2相对含量达到最大,晶粒细小,部分非晶化。

SmN/α-Fe/Sm_2Fe_(17)N_x复相吸波材料的制备与吸波性能

采用热处理Sm2Fe17Nx粉的方法制备了具有三相结构的SmN/α-Fe/Sm2Fe17Nx复相吸波材料。研究表明：随着热处理温度的升高,Sm2Fe17Nx相分解加剧,合金中α-Fe相和SmN相含量增加,饱和磁化强度和微波复磁导率增加,微波复介电常数实部降低而虚部则有所增加,RL〈20 dB的微波吸收峰向低频移动。750℃热处理10 min后合金中α-Fe相、Sm2Fe17Nx相和SmN相的质量分数分别约为55%、22%和23%,在0.5－18 GHz频段具有良好的吸波性能。当厚度为0.7 mm时,材料的反射损耗在16 GHz下为28 dB;厚度为3.2 mm时,材料的反射损耗在5.5 GHz下为33 dB。

开放体系下碳热还原法制备碳氮化钛粉末的研究

在开放体系下,采用碳热还原氮化的方法制备出了碳氮化钛粉末。结合TG、DSC、XRD、SEM等分析测试手段对开放体系下TiO2的碳热还原氮化的反应过程,以及该过程中的物相演变进行了研究。结果表明,随着温度的升高,反应过程中的物相演变遵循TiO2(anatase)→TiO2(rutile)→Ti4O7→Ti3O5→Ti(N,O)→Ti(C,N,O)→Ti(C,N)的顺序;1355℃时,对应着中间氧化物Ti3O5向立方相Ti(C,N,O)的转变,该过程在整个反应进程中转化速度最快;当m(Ti)∶m(C)=1∶2.7,氮气流量为500ml/min,1600℃下保温3h的情况下,可获得晶粒大小为40.9nm的TiC0.704N0.296粉末。

原料粉末碳、氧含量对无粘结相硬质合金性能的影响

采用放电等离子(spark plasma sintering,简称SPS)烧结制备出了无粘结相硬质合金材料,并结合XRD、SEM、金相显微镜等分析测试手段,研究了原料粉末中碳、氧含量对无粘结相硬质合金的微观组织和性能的影响。结果表明,原料粉末中游离碳含量过高会造成烧结体晶粒的显著长大,氧含量较高会降低烧结体的致密度,从而导致烧结体的性能变差;采用纯度较高的原始粉末时,维氏硬度达到2566kg.f/mm2,断裂韧性为6.2MPa/m1/2。另外,在500℃对原料粉末进行氢气预处理可以明显降低氧含量,在1700℃下可制备出相对密度达98.8%,维氏硬度为2731kg.f/mm2,断裂韧性为6.16MPa/m1/2的无粘结相硬质合金材料。

烧结压力对Ti(CN)基金属陶瓷微观结构及力学性能的影响

采用气氛加压烧结法制备Ti(CN)基金属陶瓷,探索以较小的烧结压力制备出较高致密度的Ti(CN)基金属陶瓷刀具材料,同时能够克服传统的热等静压(HIP)所带来的一些组织缺陷。研究结果表明,随着烧结压力的提高,Ti(CN)基金属陶瓷的孔隙率明显降低,硬质相之间的粘连程度加大;为了提高烧结压力而充入更多的氩气,导致冷却阶段延长,从而延长了烧结时间,使环形相变厚,粘结相平均自由程增大。这些微观结构的变化使得随着烧结温度的提高,材料的抗弯强度上升,而硬度降低;快冷处理使环形相变薄,粘结相固溶强化程度加强,孔隙率下降,从而材料的强度和硬度同时得到提高;在烧结压力为2 MPa,烧结末期经过快冷处理,得到了孔隙率为A04B00,微观结构中没有"粘结相池",抗弯强度为2278 MPa,洛氏硬度91.9的高性能金属陶瓷材料。

碳热还原氮化法制备碳氮化钒的研究

以工业级五氧化二钒(V2O5)和纳米碳黑为原料,在氮气气氛下利用碳热还原法合成了碳氮化钒(V(C1-xNx))粉末。通过XRD、SEM测试方法对不同配碳量、不同反应温度下的反应产物进行了表征,结果表明:按配碳量为24.8%的化学计量配比的原料在1200～1250℃的温度范围内反应后可获得物相单一、含氮量相对较高、平均粒径大约为500nm的V(C1-xNx)固溶体粉末;低于1150℃的温度下合成的粉末中含有未反应完全的氧化物存在;高于1250℃的温度下反应开始向碳化方向转变,导致x值降低,且粉体颗粒间存在桥联和熔融现象。

几种碳源对碳热还原氮化法制备Ti(C,N)粉末的影响

以纳米TiO2和不同碳源为原料,采用碳热还原氮化法,制备了Ti(C,N)粉末。通过X射线衍射分析、热分析、扫描电镜、化学成分分析等手段研究了TiO2碳热还原氮化过程的反应机理和不同碳源对制备碳氮化钛粉末的影响。结果表明,在TiO2碳热还原氮化过程中,前期主要为TiO2/C固-固反应,后期CO参与的气-固反应变为主要反应;当碳黑为碳源时,比之活性碳和石墨,反应最为完全,而且粉末产物粒度较为细小均匀;同时随着碳黑比表面积的增大,碳氮比随之降低,游离碳和氧含量随之减小;当以比表面积为600m2/g的碳黑为碳源时,配碳量为28.8%的混合物在加热到1700℃,保温3h,氮气流量为1000mL/min的条件下,得到了游离碳含量<0.2%、氧含量<0.5%,总碳为11.42%的碳氮化钛粉末。