基于液滴微流控技术的药物研发及研究进展

单分散性载药缓释微球作为新型药物释放系统,已成为缓释药物制剂研究的热点之一。传统制备方法获得的载药微球大多存在大小不均一、粒径分布宽、载药量低、缓释效果不明显等问题,极大地限制了其应用。液滴微流控技术是一种通过芯片微通道结构,实现在微尺度上对流体进行精细操控,形成高通量的结构和微液滴尺寸精确可调的新型制备工艺。微流控芯片作为微液滴技术的载体,可采用多种材料及制备工艺制备,以适用于不同种类的溶剂,进一步拓展其应用范围。通过微流控技术生产出的液滴具有体积小、尺寸均匀、封闭环境和内部稳定等特点,并能形成特定结构与功能的微球,在纳米材料、制药工程和生命科学等相关领域中具有巨大的应用潜力。相对于传统的微球制备方法,液滴微流控技术不仅可以构建多种形态的微球,还能提供优秀的模板,丰富和扩展微球的应用领域。以科学原理及应用实例为综述主线,概括了微液滴生成的机理及流道设计(包括T型通道法、流动聚焦法和共轴流法等),对不同结构形貌与特定功能的微球进行了归纳梳理(实心微球、Janus颗粒、核壳结构、多孔结构和不规则结构等),重点介绍了其在药物研发中的应用。通过对微液滴技术的研究现状的概括总结,提出了未来研究的方向及建设性意见。

异种金属电偶腐蚀防护方法研究进展

铝合金、钛合金等轻质合金材料广泛应用于飞机、舰船等高端装备的管路系统中,用来传送水、油/气等工质并连接各种机械设备。在应用过程中,异种金属在电解液中接触而引起电化学反应并发生明显的电偶腐蚀现象,直接影响设备的结构完整性和服役安全性,必须采取措施预防此类电偶腐蚀的发生。介绍了电偶腐蚀发生的原理及影响因素,总结了近年来电偶腐蚀防护方法及绝缘防护涂层的研究现状,提出了电偶腐蚀防护值得关注的问题。

低压等离子喷涂NiCoCrAIYTa涂层的抗燃气热冲击性能研究

为了保障涡轮叶片材料的抗高温氧化与耐热腐蚀性能,采用低压等离子喷涂技术在航空发动机涡轮叶片试验件上成功制备了NiCoCrAlYTa涂层。通过对不同粉末制备的NiCoCrAlYTa涂层进行1000℃/75 h燃气热冲击试验,研究了带涂层叶片尺寸、涂层表面形貌、相组成和显微组织、涂层厚度和均匀性等性能参数的变化。结果表明:热冲击试验后,不同涂层叶片的整体尺寸未发生显著变化,表明涂层在高温环境下具有稳定的尺寸;涂层表面形成了Al_(2)O_(3)膜和NiAl_(2)O_(4)尖晶石,保留了较好的结构完整度,这有助于提高涂层的耐腐蚀性能;涂层的物相组成主要包括γ-Ni、γ’-Ni_(3)Al和少量的β-NiAl,形成了贫Al区、互扩散区、二次反应区等典型微区结构,析出的TCP相为R相,表明在热冲击过程中涂层发生了相变;不同粉末制备的NiCoCrAlYTa涂层均表现出了良好的抗热冲击性能,为航空发动机涡轮叶片的高温应用提供了可行的涂层方案。

多维度微混合芯片设计与应用研究进展

微尺度下的流体混合与传统宏观流体混合有显著不同,由于内壁摩擦力、粘滞阻力及表面张力等特性的影响被放大,微尺度流体混合展现出特殊规律。近年来,微混合芯片因混合效率高、液体接触面积大、输出通量高、可自动化控制及制造成本低廉的优势,在化工、材料及生物医学等领域中得到快速发展。由于微混合芯片的流道尺寸大多在毫米级别以下,有的甚至只有几微米到几十微米,因此流体粘度对流动的影响更加显著。流场中流速的扰动会因粘滞力而衰减,使得流体流动趋于稳定,微流道内流体的流动表现为层流状态,导致微流体内部扰流效应具有一定的困难性。因此,为实现微流体的充分混合,开发快速高效微流体混合器是基本前提,突破微小尺度流道内流体的层流界限,促进微通道中的全方位扰流以达到充分混合状态则是关键。以被动式微混合器的研究进展作为切入点,从芯片的设计维度出发,递进式地介绍了多维度微混合芯片设计的发展历程,总结了低维度到高维度的基本结构设计思路及功能的专一化。归纳了微混合技术在微化工领域、生物医药领域及新能源领域中应用和研究进展,并讨论了在其他领域中应用的可行性。微混合技术凭借广泛的应用场景,在未来将有巨大的发展潜力和应用空间。

氢能航空发动机研究现状及发展制约因素

为应对全球气候变暖和温室效应加剧,欧美中等多国纷纷提出各自碳中和发展战略,在航空航天、交通运输等多个领域推动新能源技术的应用。氢能源是航空业中较为理想、可取代传统石化燃料的能源,目前全球各大航空公司都在着手布局氢能航空体系。氢能源在航空领域的应用十分广泛,但其最重要的1个研究方向—氢燃料航空发动机,仍处于大力发展和技术创新阶段。总结了近期氢燃料发动机在航空领域的新发展,综述了氢燃料发动机在材料应用方面的短板和现实阻碍,具体从氢能航空发展现状、氢能航空发动机关键技术、氢能航空发动机发展的主要制约因素3大方面进行介绍。氢燃料一直备受关注和青睐,国外早已启动开发氢能飞机的研究项目,并在研发氢能飞机、推动氢能航空相关产业方面已取得一定实质性进展,而我国相关研究主要集中在制氢(风能、光能等电解制氢)、储氢、供氢(氢燃料加注站)及氢燃料电池和汽车领域。为推动氢能航空发动机的大力发展,未来必须突破氢动力推进技术、机载氢燃料存储技术及氢燃料生产制备技术等技术壁垒,而提供飞行动力的航空发动机是其中首要核心点。尽管氢能航空的发展前景备受瞩目,但如要大规模推行,仍面临诸多挑战。若要实现氢能航空飞机大范围应用推广,还需在核心动力、交叉技术等方面开展更加深入的研究与开发。

铝基可磨耗封严涂层制备及性能评价研究进展

随着航空航天技术的发展,人们对发动机效率的要求越来越高。减小涡轮机叶片尖端与机匣之间的缝隙,有利于发动机效率的提升。叶片尖端与发动机涡轮机机匣之间喷涂可磨耗封严涂层,不仅可封严气路、提高发动机效率,又可以减少对叶片的磨损以保护叶片。对于可磨耗封严涂层而言,可磨耗性是其最重要、最本质的特性。综述了国内外铝基封严涂层的粉末制备、喷涂及可磨耗性能评价的研究现状,分析了粉体形式、喷涂参数对涂层组织的影响,以及涂层表面洛氏硬度、叶尖的进给速率/单道进给量、摩擦线速度等对涂层的可磨耗性能的影响,同时还对海洋环境下铝基封严涂层的腐蚀机理进行研究,指出了机器学习、仿真技术在可磨耗涂层性能预测及性能表征等方面的作用。最后,总结了近年来铝基可磨耗封严涂层的研究进展,并对未来的研究方向进行了展望。

等离子喷涂-物理气相沉积防护涂层及其失效机理研究进展

防护涂层在航空发动机和燃气涡轮发动机免受水氧腐蚀和盐雾侵蚀、耐高温、抗冲刷和服役寿命方面发挥着重要的作用。等离子喷涂-物理气相沉积(PS-PVD)技术以其大功率、喷射范围广、能够使粉末原料以气相甚至离子化和非视线沉积特性等特点被广泛应用在热/环境障涂层制备领域,形成的涂层具有沉积效率高、孔隙率较高、热导率低、应变容限高等特点。首先,对PS-PVD热障涂层的表面形貌、柱状晶特点和等离子射流特性进行了探讨。然后,讨论了PS-PVD YSZ热障涂层表面镀铝改性对涂层抗CMAS侵蚀、减少孔隙和裂纹、TGO的生成和提高热循环寿命方面的重要作用,结果表明表面镀铝能显著减少涂层表面孔隙、凹坑、微裂纹和熔融盐对于热障涂层的不利影响。其次,简要概述了近年来SiCf/SiC CMCs代替镍基高温合金在航空发动机基体上抗高温高压和快速失效方面发挥的重要作用。SiCf/SiC CMCs与T/EBCs的结合,有效延长了航空发动机的使用寿命,是我国航空事业的又一次重大突破。此外,重点介绍了PS-PVD非视线沉积特性和涂层阴影效应在涂层沉积方面这一特色,总结了TGO、残余应力、热膨胀失配、微裂纹和粗糙度是涂层失效的主要影响因素。最后,对PS-PVD技术未来在制备热/环境障涂层方面的前景进行了展望。

以EBSD技术表征奥氏体不锈钢形变及焊接后抗有害元素迁移

奥氏体不锈钢用于饮用水管制作时需经弯管形变和焊接工艺,该工艺过程引起的不锈钢组织结构演变将影响其抗腐蚀性能。通过背散射电子衍射技术分析奥氏体不锈钢经某弯管形变和焊接后的晶粒度、相组成、织构等变化,结果表明:弯管形变对不锈钢内部组织结构的影响甚微,不会引起有害元素迁移量增加,而焊接对不锈钢内部组织结构的影响更大,可能是造成金属元素迁移的重要因素。

PS-PVD制备YSZ热障涂层抗熔盐腐蚀研究

为提高舰船燃气轮机上热障涂在海洋环境中层的工作寿命,研究了新型热障涂层在模拟海洋环境下的腐蚀性能。采用等离子喷涂-物理气相沉积(PS-PVD)技术,在已喷涂粘结层(NiCoCrAlY)的DZ40M高温合金基体上制备7YSZ陶瓷层,然后用Na2SO_(4)(质量分数45%)+V2O5(质量分数55%)混合熔盐在1050℃下对涂层进行腐蚀实验。利用场发射-扫描电镜、X射线衍射仪、能谱仪对涂层表面和截面的组织结构及1050℃高温熔盐腐蚀后涂层的物相组织和熔盐渗透深度进行了分析。研究结果表明,硫酸盐与钒酸盐的混合盐对涂层中的TGO层破坏显著,t′-ZrO_(2)相变与TGO的生长是导致涂层脱落的主要原因。

CeO_(2)⁃Y_(2)O_(3)⁃ZrO_(2)热障涂层研究进展

随着先进航空发动机涡轮叶片热障涂层服役温度、服役寿命和隔热性能等要求的不断提升,传统的6%—8%Y_(2)O_(3)部分稳定ZrO_(2)(YSZ)热障涂层由于存在容易产生高温相变、变形剥落等问题,已难以适应未来高温等更加严苛的工作环境。CeO_(2)和Y_(2)O_(3)共同稳定的ZrO_(2)(CYSZ)涂层具有良好的高温相稳定性、较好的抗熔盐腐蚀性能,CeO_(2)的掺杂能使ZrO_(2)材料的热导率降低,提高涂层的隔热性能、热膨胀系数和抗热震性能。综述了国内外CYSZ热障涂层的研究成果和存在的问题,阐述了CeO_(2)掺杂对YSZ热障涂层性能的影响机制,并简要介绍了目前国内外CYSZ热障涂层及其材料的制备技术研究进展。

PS-PVD热障涂层显微结构对耐侵蚀性能的影响研究

采用等离子喷涂物理气相沉积(PS-PVD)技术开展了热障涂层梯度结构调控研究,通过调整喷涂送粉速率,在底部、中间和顶部沉积阶段制备了五种不同的热障涂层,对热障涂层的显微组织、粗糙度、孔隙率、耐熔盐腐蚀和耐粒子冲蚀性能进行表征,阐明了显微结构变化对热障涂层耐侵蚀性能的影响。研究表明:送粉速率的变化对PS-PVD热障涂层羽柱状结构的沉积有显著的影响,低送粉速率下,涂层底部结构比较致密,当送粉速率增大时,由于粉末颗粒在喷涂过程气化不充分,未熔粒子增加,羽柱状顶部结构趋向致密结构转变,涂层顶部孔隙率下降,表面粗糙度降低。送粉速率由底至顶梯度递增制备的涂层表现出较高的耐熔盐腐蚀性能和耐粒子冲蚀性能。

基体温度对悬浮液等离子喷涂TiO_(2)涂层性能的影响

采用悬浮液等离子喷涂技术(SPS),在不同基体温度下成功地制备了TiO_(2)涂层。通过研究基体温度对TiO_(2)涂层光催化性能及机械性能的影响,探究适合TiO_(2)光催化涂层的最佳基体温度。通过场发射扫描电子显微镜、X射线衍射仪、同步热分析仪、紫外-可见光谱仪等,对TiO_(2)涂层微观形貌、物相组成、光吸收性能进行了详细分析;通过光催化测试、结合强度测试和划痕测试,深入研究了基体温度对涂层光催化性能及机械性能的影响。研究结果表明:随着基体温度由250℃降到110℃,涂层的锐钛矿含量逐渐增加了15%,间接带间隙减小了0.5 eV,同时可见光吸收强度显著提高;在可见光照射下,亚甲基蓝去除率增加了11%;随着基体温度的降低,涂层的机械性能有所减弱,结合强度降低了12.28 MPa,划痕试验的正常临界载荷减小1.77 N。该研究为选择TiO_(2)光催化涂层最佳基体温度提供了重要依据。

激光选区熔化制备梯度多孔镍电极及其电解水制氢性能

镍是目前应用最广泛的碱式电解水制氢电极材料之一。对镍电极进行多孔化处理,可有效提高其析氢效率并降低制氢能耗。然而,现有报道仅研究了孔隙率、平均孔径等对电极析氢性能的影响,缺乏针对梯度多孔电极孔隙尺寸和分布等影响的研究。为此,设计了4组具有不同孔隙尺寸和排布方式的多孔电极模型,并且采用激光选区熔化技术制备高精度成型电极样品,表征了样品的表面形貌、截面微观组织、电化学性能及稳定性,深入分析和研究了样品的析氢性能。结果表明,4组样品均呈现出粗糙微观表面,为析氢反应提供更多的活性位点。所有样品均表现出优异的电解稳定性,经测试后未见明显的性能衰减。梯度多孔结构有利于气液传质,减小气泡层电阻,降低析氢过电位。当电流密度为10 mA∙cm^(−2)时,梯度多孔样品的析氢过电位虽仅为406 mV,但气液传质效果较差,而气泡层电阻较大的均匀多孔样品的析氢过电位却高达766 mV。梯度多孔结构的构筑可显著提高镍电极的析氢动力学特性,梯度多孔样品的Tafel斜率最低为129 mV∙dec^(−1),明显低于均匀多孔电极的Tafel斜率168和211 mV∙dec^(−1)。析氢过程受Volmer步骤控制,尽管镍电极析氢动力学特性得到提升,但并未改变镍电极的析氢机理,所有样品的Tafel斜率均高于120 mV∙dec^(−1)。因此,引入梯度多孔结构可有效降低镍电极材料的析氢过电位,提升析氢性能。本研究为镍电极的结构优化设计及析氢性能的提升,提供了新思路。

冷喷涂前驱体-热等静压制备致密TiAl金属间化合物

TiAl基合金作为一种可替代传统高温镍基合金的高温轻质材料,因优异特性被作为高推重比先进军用飞机发动机高压压气机及低压涡轮叶片的首选材料,可在高温环境下长期服役。然而,TiAl基合金的传统制备方法如精密铸造、铸锭冶金、粉末冶金、激光增材技术等,均存在成品性能差、加工难度大、工艺复杂和成本高等问题。为克服这些问题,高效制备满足新一代航空发动机轻量化、耐高温服役需求的优异性能TiAl基合金,基于元素粉末冶金法,提出了一种新的制备方法。选用Ti和Al混合粉末,采用冷喷涂法制备TiAl基合金预制体,再结合热等静压烧结技术实现TiAl基合金的复合制备。同时,探究了沉积参数对沉积效率和TiAl基合金涂层成分的影响,研究了不同热等静压参数对TiAl基合金的组织性能的调控作用。结果表明,所制备的TiAl基合金涂层致密无明显缺陷,在压力为5 MPa和温度为500℃的冷喷涂工艺参数下,获得了75%的较高的沉积效率和4%的较小的涂层成分偏差。通过合理调控后续热等静压工艺的温度、压力和升温升压方式等参数,最终实现了组织致密的TiAl基合金制备。该复合制备新方法,避免了TiAl合金粉末本征脆性难以直接冷喷涂成形的缺点,充分发挥了冷喷涂和热等静压技术的优势,有效解决了传统TiAl合金成形难题,为冷喷涂-热等静压近净成形TiAl基合金提供了参考。

SOFC金属连接体Mn-Co尖晶石防护涂层掺杂改性研究进展

固体氧化物燃料电池(SOFC)具有能量转换效率高、燃料适用范围广等优点,具有广阔的应用前景。由于SOFC工作温度较高(600-800℃),金属连接体长期服役过程中会发生严重的氧化和元素挥发,导致电池性能衰退,降低其使用寿命,故而需要对金属连接体进行防护。在现有的防护涂层材料中,Mn-Co尖晶石涂层能有效抑制金属连接体的氧化和Cr挥发,被广泛用于金属连接体防护,但其高温电导率需要进一步提升。掺杂改性是一种有效提高Mn-Co尖晶石电导率和防护性能的方法。围绕Mn-Co尖晶石掺杂元素和改性方法,详细介绍了SOFC金属连接体Mn-Co尖晶石防护涂层的研究进展。

电弧离子镀Cr-CrN-Cr-CrAlN多层膜热冲击性能研究

为进一步提升航空发动机压气机钛合金部件的服役性能,采用电弧离子镀技术在TC4钛合金表面制备抗砂粒冲蚀Cr-CrN-Cr-CrAlN多层膜。经不同温度热冲击试验后,利用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、显微硬度计、洛氏硬度计及砂粒冲蚀试验仪分析检测了多层膜的表截面形貌、硬度、结合强度和抗砂粒冲蚀性能等。结果表明:随热冲击温度的升高,多层膜的氧化程度逐级增加,当热冲击温度升至900℃后,多层膜已明显氧化和出现分层剥落;同样地,多层膜的显微硬度和结合强也随着热冲击温度的升高而降低,硬度由热冲击前的3658 HV降低至经900℃冲击后的1930 HV,结合强度则由热冲击前的HF1级降低至经900℃热冲击后的HF4级;在700℃以内,随着热冲击温度的升高多层膜的冲蚀速率上升缓慢,表明膜层的防护作用显著;而经900℃热冲击后,多层膜样品30和90°攻角下的冲蚀速率由冲击前的0.28、0.65μm·g^(-1)分别增大至4.05、5.00μm·g^(-1),表明膜层已失去防护作用。因此,Cr-CrN-Cr-CrAlN多层膜在700℃以内具有冲蚀防护效果,而900℃热冲击后已无抗冲蚀防护性能。

粉末粒径对等离子喷涂固体氧化物燃料电池阳极微观结构及性能的影响

作为固体氧化物燃料电池阳极材料,选用NiO/Gd_(0.2)Ce_(0.8)O_(1.9)(GDC)替换传统NiO/Y_(0.16)Zr_(0.92)O_(2.08),其可有效扩展三相反应界面,提高电池性能。采用大气等离子喷涂技术,通过调控NiO/GDC团聚粉末粒径,研究阳极微观结构演变及对电池性能的影响。结果表明:粉末粒径影响粉末的熔化程度,当d50=24.7μm的小粒径粉末熔化充分时,涂层中会暴露更多的GDC,增加反应活性位点;d50=45.2μm的大粒径粉末熔化不充分时,堆叠产生的间隙会造成涂层中裂纹和孔洞增多,表现出更大的气通量,泄漏率为14.8×10^(-6)cm^(4)·gf^(-1)·s^(-1);小粒径和大粒径粉末阳极形成的单电池输出峰功率密度接近,在800℃时分别达到1 158.46和1 147.0 mW·cm^(-2)。阻抗谱拟合结果揭示了阳极界面电荷转移和气体传输能力的差异。通过分析粉末粒径对电化学性能的作用机理可知,小粒径粉末阳极具有更多界面活性位点而表现出更快的电荷转移速度,大粒径粉末阳极具有优异的透气性,能透过更多燃料而有效激发活性位点。因此,在大小粒径粉末阳极上形成的电池几乎表现出相同的电化学性能。

化学前处理对硬质合金基材及金刚石涂层性能的影响

为提高金刚石涂层与硬质合金基体的适配性,采用热丝化学气相沉积技术在YG6硬质合金表面制备金刚石涂层,利用扫描电镜、能谱仪、原子力显微镜和固体颗粒冲蚀试验仪分析检测了试样的表截面形貌、成分深度分布、表面粗糙度、抗砂粒冲蚀性能等,研究了不同化学前处理对基材和涂层性能的影响。结果表明:两步法前处理去除钴的深度约4—5μm,并且形成了厚约1—2μm的脱钴脆性层;三步法前处理去除钴的深度约14—15μm,没有出现脱钴脆性层;三步法化学前处理后沉积的金刚石涂层抗砂粒冲蚀时间为两步法化学前处理的4倍以上,并且涂层脱落区宽度仅为两步法化学前处理的1/8,说明三步法化学前处理后所沉积的金刚石涂层的性能比两步法的更优越。

固体氧化物燃料电池阴极的等离子喷涂制备及结构调控

固体氧化物燃料电池(SOFC)作为一种高效、环保的发电装置备受关注,金属支撑型SOFC因高鲁棒性和优异性价比而极具发展潜力。目前金属支撑型SOFC的制备方法(如湿化学法和镀膜技术),仍存在需高温烧结、效率低和工艺复杂等问题。大气等离子喷涂(APS)技术因具备成本低、效率高、对基体热输入少等特点,适合高效制备金属支撑型SOFC。本文采用APS技术制备金属支撑型SOFC,重点探究了不同喷涂参数在立方钙钛矿锶钴铁氧体(LSCF)阴极结构的调控作用。通过对APS制备的单粒子形貌进行表征,阐明了阴极沉积的机理,同时揭示了微观结构对电池性能的影响。研究结果表明:在14 kW条件下,采用APS制备的多孔阴极涂层,由熔融粒子和部分半熔化粒子构成,具有最佳电催化性能;在800℃下,电池整体的极化电阻仅为0.12Ω·cm^(2)、输出峰功率达到1074 mW·cm^(−2),表现出良好的输出能力。