低温球磨制备超高强度块体纳米晶纯铝

采用低温球磨、热等静压和挤压等工艺制备块体纳米晶纯铝。分别采用透射电镜(TEM)和差热分析(DSC)对块体纳米晶纯铝的微观组织和热稳定性进行研究,并对所制备的块体纳米晶纯铝的化学成分、密度、硬度和拉伸性能进行测定,借助扫描电镜(SEM)对块体纳米晶纯铝的拉伸断口进行观察。同时,分别依据Hall-Petch公式、Orowan机制和Taylor公式定量估算细晶强化、弥散强化和位错强化对块体纳米晶纯铝屈服强度的独立贡献。结果表明:所制备的块体纳米晶纯铝的平均晶粒尺寸约为300 nm,密度为2.692 g/cm3,显微硬度为109.15HV;块体纳米晶纯铝的屈服强度和抗拉强度分别达270 MPa和379 MPa,伸长率为3.2%;块体纳米晶纯铝的高强度主要可归因于细晶强化和弥散强化。

低温球磨制备纳米晶纯铝粉体

采用低温球磨的方法制备了纳米晶纯铝粉体。利用电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP)、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)对经低温球磨前后的纯铝粉体的化学成分、颗粒形貌及尺寸、微观组织进行研究。结果表明,随着球磨时间的增加,纯铝粉体的颗粒尺寸分布呈现出"宽-窄-宽"式演化规律,这与存在于整个球磨过程中的"破碎-焊合"综合作用密切相关。低温球磨早期,位错胞演化机理主导纯铝粉体的晶粒细化;低温球磨后期,断裂冷焊机理则为纯铝粉体晶粒细化的主要机制。

高性能纳米晶Al-Mg合金的研究进展

本文介绍了国外有关纳米晶Al-Mg合金的研究进展。传统的Al-Mg合金经纳米化后强度得到明显提升,但塑性普遍较低。国外提出了多种思路方法(包括组织优化、成分优化等)对纳米晶Al-Mg合金的强塑性进行优化,使纳米晶Al-Mg合金的强度和塑性得到匹配,研制出了高性能的Al-Mg合金。

低温球磨制备纳米晶铝/铝基复合材料的研究进展和应用前景

详细介绍了国内外采用低温球磨粉末冶金法制备纳米晶铝及其铝基复合材料的研究进展。通过对比分析国内外在材料研制和工装设备研发等方面存在的主要差距,提出了国内在纳米晶铝应用研究中存在的问题、解决措施及发展方向。最后,对纳米晶铝/铝基复合材料未来的应用前景进行了展望。

块体纳米晶铝的力学性能及变形机理

采用雾化粉体+挤压(Ato+Ext)、雾化粉体+热等静压+挤压(Ato+HIP+Ext)、低温球磨+挤压(Cryo+Ext)、低温球磨+热等静压+挤压(Cryo+HIP+Ext)四组不同的工艺制备块体纳米晶/细晶铝,并测定了室温拉伸性能,分析了这些块体材料的拉伸应力-应变曲线,利用透射电镜和扫描电镜观察了试样断口附近的位错活动及试样的断口形貌,讨论了其变形机理和断裂机理。研究结果表明:球磨粉体制备的块体纳米晶铝的强度远高于雾化粉体制备的块体超细晶铝,四组块体材料在拉伸过程中均不存在加工硬化现象;块体超细晶铝在拉伸过程中发生了明显的位错运动,对于块体纳米晶铝,尺寸≤100nm的晶粒在拉伸过程中内部基本不发生位错运动;块体超细晶铝大部分区域发生穿晶断裂,而块体纳米晶铝基本发生沿晶断裂。

在石墨烯薄膜制备中铜箔预处理的研究进展

基于铜箔基底的化学气相沉积法由于其高质量、便于大面积生产、层数可控的优势而成为石墨烯薄膜制备极有前途的技术之一。其中铜箔基底的处理对控制石墨烯薄膜的质量发挥着重要的作用。本文综述了石墨烯薄膜制备中铜箔预处理的研究进展,分析了铜箔的粗糙度、晶界、晶向、杂质等对石墨烯薄膜质量的影响,归纳总结了铜箔预处理的研究现状及常见的处理方案,讨论了各处理方案对铜箔基板的影响以及对其制备的石墨烯质量的影响,最后指出了目前几种处理方案存在的问题并展望了石墨烯制备中铜箔处理未来的发展方向。

航空用石墨烯改性铝电缆导体研制进展

飞机电气化、信息化程度的不断提高,对航空电缆提出了更高的要求,常规铝导体的性能不能满足新型航空电缆对轻质、高强、高导电性能的需求。石墨烯具备极高的强度和导电率,是理想的高强高导改性材料。首先对比了现有电工铝和电工铜在力学性能和导电率上的差距;随后讨论了石墨烯优异的力学和电学性能;最后综述了石墨烯在改善铝基体力学性能和电学性能方面的研究进展。结果表明,采用粉末冶金、连铸连轧等制备工艺,石墨烯能有效提高铝基体的拉伸强度,同时有望保持延伸率不降低,但也会使导电率降低0.5%~4%;只有实现石墨烯在铝基体中的连续分布,才能充分发挥出石墨烯高导电率的优势,提高铝基体的电学性能。采用粉末冶金和连铸连轧等工艺手段,牺牲少量导电率,通过石墨烯大幅提高铝导体的力学性能,从而满足航空电缆的相关需求,将具备广阔的应用前景。

直升机陶瓷复合装甲发展现状及新型材料应用前景

目前国外军用武装直升机及运输直升机上均配置了轻质装甲材料。相比之下,国内直升机装甲配置在级别类型、数量、单架机面积等方面都远不如欧美发达国家。随着新一代军用直升机对抗弹生存能力提出了更高的要求,国内外对于新型装甲材料的开发也有了较大的进展。本文综述了国内外武装直升机用复合防弹装甲的发展状况,总结了直升机用复合防弹装甲未来的发展需求,分析了目前复合防弹装甲的抗弹机理、选材原则和材料在被武器打击过程中的吸能方式,并展望了梯度功能材料、微叠层材料、石墨烯改性陶瓷等新材料在军用直升机上的应用前景。为满足我国直升机的自主发展需求,我国对于性能优异的新型先进轻质防护材料的开发需求已刻不容缓。只有开发新型装甲材料才能提高我军直升机的生存能力,满足我国武器装备的作战需求,实现与世界先进直升机水平的同步发展。

石墨烯导热材料研究进展

石墨烯作为一种具有超高热导率的二维纳米材料,在导热领域有着广阔的应用前景。本文综述了石墨烯导热材料的研究进展,介绍了石墨烯本征热导率及其层数、缺陷、边缘情况等对热导率的影响,分析了石墨烯纤维的研究现状及存在的问题,讨论了各类石墨烯导热薄膜(纯石墨烯薄膜/石墨烯杂化薄膜/石墨烯聚合物复合薄膜)热导率的影响因素,归纳总结了各类三维石墨烯导热材料(无规分散石墨烯三维复合材料和特定结构石墨烯三维复合材料)的结构、性能与研究现状,最后指出了目前几种导热材料研究存在的问题并展望了石墨烯未来导热领域的发展方向,尤其是在LED照明、智能手机等高功率、高度集成系统中,石墨烯导热材料有着良好的发展前景。

氧化石墨烯的化学还原方法与机理研究进展

石墨烯物理性能优异,自被发现以来迅速引起了国内外研究者的广泛关注。石墨烯的批量生产是实现石墨烯材料应用的前提,由于氧化石墨烯具有丰富的含氧官能团,便于化学改性,生产成本低、可规模化生产,化学还原氧化石墨烯成为目前大批量制备石墨烯材料最常用的方法之一。至今已经有数十种化学还原氧化石墨烯的方法被报道,还原效果千差万别,还原机理也尚未定论。本文梳理了氧化石墨烯的主要化学还原方法,从关键反应基团的角度进行了归纳总结,论述了它们的优缺点;分析了多种氧化石墨烯的还原机理,提出氧化石墨烯化学还原的本质是羟基还原同时形成碳碳双键的过程。

质子交换膜燃料电池关键材料的研究进展

燃料电池是一种非常有前景的新能源体系。燃料电池不使用热力发动机,利用电极和电解质界面发生的化学反应直接将燃料的化学能转换成电能,反应不受卡诺循环限制,因此,具有高的能量转换效率。在燃料电池中,质子交换膜燃料电池(PEMFC)在便携式设备、交通运输以及固定装置领域具有重要的应用前景。然而,目前的PEMFC还存在一些问题,主要包括高成本、功率不足、稳定性差等问题,限制了其大规模商业化应用。这些问题的根本原因在于PEMFC中阴极催化剂、气体扩散层、质子交换膜和双极板等关键材料的成本和性能还不能满足PEMFC商业化的要求。要实现PEMFC的大规模应用,需要开发先进的阴极催化剂、气体扩散层、质子交换膜和双极板等关键材料。针对PEMFC对低成本、高性能先进材料的需求,本文综述了阴极催化剂、气体扩散层、质子交换膜和双极板等关键材料的研究进展以及应用面临的问题,并指出了未来的发展方向:加强铂合金催化剂以及金属-氮-碳(M-N-C)化合物催化剂的规模化制备工艺的探索;制备兼具高质子传导率和优异力学性能的质子交换膜;详细研究改性气体扩散层在不同的工况条件下对PEMFC性能的影响;开发具有优良耐蚀性和导电性的涂层或新型金属材料用于双极板。

石墨烯在水泥基材料中的作用机制研究综述

石墨烯具有优异的力学强度、阻隔性以及超大比表面积,通过对其进行物理或化学分散处理,能够制备高性能石墨烯水泥基复合材料。石墨烯通过调控水泥水化反应、改善孔隙结构以及界面结合等方式,可以改善水泥基材料的力学强度和耐久性能,在水泥基复合材料领域展现出巨大的应用潜力。本文综述了石墨烯水泥基复合材料的研究进展,总结了石墨烯在水泥基复合材料中的分散工艺和应用效果。同时,讨论了石墨烯的作用机理,并展望了石墨烯水泥基复合材料的发展趋势。

石墨烯理化参数对低含量石墨烯填充聚四氟乙烯摩擦磨损的影响

研究石墨烯平均片径、片层厚度、比表面积、碳氧比等理化参数对其填充改性聚四氟乙烯复合材料摩擦磨损性能的影响。通过扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、物理吸附仪、X射线光电子能谱仪(XPS)分别表征4种石墨烯的表面形貌及平均片径、片层厚度、比表面积、碳氧比,采用可控环境摩擦磨损仪测试复合材料的摩擦因数,采用三维白光干涉形貌仪测试复合材料的体积磨损率。结果表明:填充量相同时,石墨烯的碳氧比是影响复合材料摩擦因数的主要因素,石墨烯的比表面积是影响复合材料体积磨损率的主要因素;当石墨烯填充量为1%(质量分数,下同)时,碳氧比为45.64、碳含量为97.66%的石墨烯可以使聚四氟乙烯复合材料摩擦因数降低27.97%;比表面积为466.78 m2/g的石墨烯可以使聚四氟乙烯复合材料体积磨损率降低76.46%。

PC/铜负载氧化石墨烯复合材料的力学及抗菌性能

利用喷雾干燥法得到了铜负载氧化石墨烯(Cu@GO),并通过高速混合、挤出、注塑工艺成功制备了聚碳酸酯(PC)/Cu@GO抗菌复合材料。观察了Cu@GO抗菌颗粒在PC中的分散情况,探究了不同Cu@GO添加量下PC复合材料的力学及抗菌性能。结果表明,Cu@GO在PC基体中分散均匀,没有出现明显团聚。添加适量的Cu@GO能够提高PC的拉伸强度、弯曲强度和压缩强度。Cu@GO有效地提升了PC的抗菌性,当Cu@GO质量分数为0.1%时,PC对大肠杆菌和金黄葡萄球菌的抗菌率分别为99.8%和99.9%,当其质量分数大于0.2%时,PC对两种细菌的抗菌率均超过99.9%。

氮氩流量比与基底温度对射频溅射TiN薄膜性能的影响

采用射频磁控溅射技术,以纯钛为靶材,氮气为反应气体,通过改变氮氩流量比与基底温度在304不锈钢及玻璃表面制备了不同的TiN薄膜。利用能谱仪、扫描电镜、台阶仪、四探针仪、划痕仪和纳米压痕仪对制备的所制薄膜的氮钛原子比、表面形貌、沉积速率、方块电阻、膜基结合力和纳米硬度进行表征。结果表明:随着氮氩流量比的增大,TiN的形貌先由四面锥体凸起结构逐渐过渡至柱状晶体堆积结构,然后转变为稀疏的液滴状颗粒结构,直至平整光滑,致密均匀。在氮气和氩气的流量分别为5.0 mL/min和50.0 mL/min的条件下,基底温度25~400℃范围内制备的TiN薄膜的结合力介于135.4 mN与210.2 mN之间。当基底温度为300℃时,薄膜的沉积速率最大,颜色最接近金黄色,氮钛原子比最接近1,结合力和纳米硬度也都最大。随着基底温度的升高,氮钛原子比逐渐降低,方块电阻不断下降,400℃时达到最小的9.87Ω。

低温球磨对7050铝合金组织及力学性能的影响

采用气雾化7050铝合金粉末为原料,通过低温球磨+热等静压+热挤压+T6热处理的方式制备7050铝合金样品;采用SEM和XRD分析低温球磨对铝合金粉末的形貌、晶粒尺寸和微观应变的影响,采用OM、EBSD、TEM和XRD分析低温球磨对热处理后样品的微观组织的影响,通过显微硬度和拉伸性能分析低温球磨对样品力学性能的影响。结果表明:低温球磨能有效细化材料晶粒,提高基体中纳米析出相的数量;相对于气雾化粉体,低温球磨后粉体制备的7050铝合金试样抗拉强度明显提高,且保持了较好的塑性。

三维木头海绵-石墨烯/环氧树脂复合材料的制备及性能

采用天然巴沙木作为原材料,进行选择性刻蚀,得到三维层状结构的木头海绵。以木头海绵为模板,在负载一定比例的还原氧化石墨烯(rGO)与石墨烯纳米片(GNP)后,通过真空浸渍的方法与环氧树脂复合并固化,制备得到石墨烯-木头海绵(G-WS)/环氧树脂复合材料。结果表明:采用真空浸渍的方法,能够成功使氧化石墨烯(GO)在水热还原的同时,带动GNP负载到木头海绵表面,同时GO被还原成为rGO,经过与环氧树脂复合后,在环氧树脂内部,G-WS仍然保持良好的三维结构,这种取向分层结构使复合材料具有导热的各向异性,三维连通的结构也为良好的热导率奠定了基础。当填料质量分数为1.45%时,沿取向结构方向的热导率能够达到1.59 W·m^(-1)·K^(-1),相比于纯环氧树脂而言,热导率提升率高达457%。同时由于木头海绵内部层状的结构,赋予了G-WS良好的压缩回弹性能,能够实现80%压缩以及40%形变压缩,循环100次但不发生明显形变。

制备工艺对石墨纳米片/环氧树脂复合材料电导率的影响

采用溶液混合、分步超声分散的一体化制备工艺,得到了石墨纳米片/环氧树脂导电复合材料,研究了不同理化参数的石墨原料及分散溶剂、不同石墨原料含量、咪唑含量、超声时间及方式对复合材料电导率的影响。结果表明,选取EG80/乙醇分散体系,当石墨含量为25%(质量分数,下同)、咪唑含量为45%时,采用前超声1 h+后超声0.5 h的分步分散工艺,可制备得到平均电导率为13.02 S·cm-1的石墨纳米片/环氧树脂复合材料。

石墨烯负载金属氧化物催化剂在氧还原反应中的研究进展

催化剂对氧还原反应(ORR)起到至关重要的作用。近年来,人们为寻找可替代Pt金属的高性能非贵金属催化剂付出了诸多努力。过渡金属氧化物作为具备优异ORR催化活性的催化剂之一,成本低廉、储量丰富,在ORR催化领域具有巨大潜力,因而引起广泛的研究。但由于大部分过渡金属氧化物导电性差,极大地阻碍了其催化活性,所以将其负载于合适的载体上,对提高ORR性能有重要意义。石墨烯以其独特的电子特性、优异的导电性以及其他良好的物理、化学性质被广泛作为载体使用。本文综述了石墨烯负载过渡金属氧化物作为ORR催化剂的研究进展,主要从石墨烯载体分类、制备方法、过渡金属氧化物分类等多角度讨论了该类催化剂在ORR中的应用及发展前景,指出石墨烯负载过渡金属氧化物作为ORR催化剂应致力于将开发杂原子掺杂石墨烯作为载体、复合金属氧化物作为活性物质的主要发展方向,并趋向于降低制备工艺的能耗和周期,提高催化剂的性能,达到降本增效的目的。

石墨烯铝基复合材料的界面反应研究

石墨烯具有极其优异的力学性能,是理想的复合材料增强体。本文以商业纯铝为基体,石墨烯为增强相,通过超声混合法制备石墨烯-Al复合粉末,通过真空热压烧结制备石墨烯-Al复合材料,通过扫描电镜(SEM)、差热分析(DSC)、X-射线衍射分析(XRD)、显微硬度计表征了材料的宏观形貌、微观形貌、反应温度、相组成和显微硬度等。结果表明:石墨烯和Al在400℃时便开始发生反应,但在600℃以下时,两者反应速度较慢,在Al熔点以上时,石墨烯和Al反应速度明显增加,石墨烯和Al反应生成Al4C3;少量的Al4C3可以增强石墨烯和Al基体的结合力,有利于提高材料的力学性能,但是大量脆性Al4C3生成时,材料的力学性能下降。