高温合金中复杂结构相的电子显微学新认识

高温合金由于其成分比较复杂,进而在热处理及服役过程中不可避免地会产生大量的析出相,如碳化物、硼化物、拓扑密堆相等。这些析出相对高温合金的力学性能有重要影响。准确地解析这些析出相的结构与缺陷以及它们与基体间的位向关系、界面特征可以帮助人们更好地理解其从基体中的析出特性,从而控制其析出行为,对高温合金性能产生有益影响。尽管这些复杂结构相在高温合金中普遍存在,但人们对它们的认识仍然停留在前人基于点阵结构的研究结果上。近年来,基于像差校正电子显微术,本课题组对高温合金中的复杂结构相系统地进行了高空间分辨率的结构解析。本文将概述对这些复杂物相的新认识。

三氧化二铁外延薄膜的制备及贯穿位错表征

氧化物薄膜中贯穿位错的类型和密度对其物理与化学性质具有重要影响。本文利用脉冲激光沉积技术在Al_(2)O_(3)(0001)和SrTiO_(3)(111)衬底上分别生长了α⁃Fe_(2)O_(3)外延薄膜,并利用X射线衍射、原子力显微镜和透射电子显微术对不同温度下生长的薄膜其相结构、结晶度、表面形态和位错类型等进行了系统的表征。结果表明:生长温度对Al_(2)O_(3)衬底上薄膜的质量影响很小,而对SrTiO_(3)衬底上薄膜的质量影响显著,Al_(2)O_(3)衬底上薄膜的结晶度和表面平整度普遍优于SrTiO_(3)衬底上的薄膜;Al_(2)O_(3)衬底上薄膜中的贯穿位错为1/3<1100>刃型不全位错,而SrTiO_(3)衬底上薄膜中的贯穿位错不仅包含1/3<1100>刃型不全位错,还有1/3<1101>混合型全位错。

AlCo合金中稳定的十次对称准晶

何伦雄等于1988年首次在AlCoCu合金中发现稳定的十次对称准晶,并获得了毫米级大小的准晶单晶体,其成分为Al65Co15Cu20,随后Tsai等又在Al70Co20Ni10合金中发现稳定的十次准晶,这些稳定的十次准晶的合金成分可归结为Al65-70（Co,Ni,Cu）30-35,与Al3M相差不远,因此。

点蚀形核机制的透射电子显微学研究

钝性金属材料的点蚀是腐蚀领域中的经典问题。受研究手段空间分辨率的限制,点蚀形核阶段的机制有待进一步阐明。以透射电子显微技术为主要研究手段,围绕与点蚀形核密切相关的材料基体结构特征及钝化膜性质两方面,阐明了点蚀形核的基体结构相关性以及钝化膜结构及与Cl^-的交互作用这两大基本科学问题。在原子尺度下建立了材料基体结构特征与腐蚀溶解活性之间的关联,揭示了钝化膜的结构特征和Cl^-与之交互作用之间的内在规律,丰富、完善甚至修正了材料点蚀形核机制方面的经典认识。研究发现,在点蚀形核初期,无论是基体中夹杂或第二相的腐蚀溶解活性,还是表面钝化膜本身的击破,起源都可以追溯到原子尺度的结构缺陷。

高分辨像的解卷处理用于S-Al_2 CuMg相及孪晶界面结构确定

S-Al2CuMg相是Al-Cu-Mg合金中重要的强化相,但它的晶体学结构还存在争议。利用高分辨电子显微学和像的解卷处理技术,获得了Al-Cu-Mg合金中S-Al2CuMg相在[100],[010]和[001]的原子投影图,进而验证PW模型是S相正确的结构模型。另外,将动力学校正引入到S相孪晶图像的处理过程,确定了S相孪晶面的位置。像解卷处理方法首次应用于金属材料并确定了S相缺陷结构,说明该方法适用于金属材料。通过解卷处理方法可以使原本不直接对应所观察材料的高分辨晶格像转变成点分辨率达到电镜的信息分辨极限的结构像。

Pickering乳化沥青稳定性初步分析

为了解释新型Pickering乳化沥青的制备与稳定过程中的实验现象,运用数学方法分析纳米颗粒湿润性及浓度对乳液稳定性的影响。首先,通过稳定性观察及微观手段得出乳液粒径分布是决定乳液稳定性的主要因索,然后通过筛上剩余量实验分析乳液粒径分布变化,最后通过数学方法推导出乳液粒径与纳米颗粒湿润性、浓度之间的关系。结果表明:推导公式能较好地解释乳液稳定性变化,为Pickering乳化沥青稳定机理分析提供理论基础。

庞磁电阻La_(0.8)Sr_(0.2)MnO_3薄膜的微结构研究

利用激光分子束外延方法在(001)SrTiO3衬底上制备庞磁电阻La0.8Sr0.2MnO3薄膜。发现高密度、尺度均匀的纳米聚集物弥散地分布在La0.8Sr0.2MnO3薄膜中。Z衬度像、EDS及电子衍射综合分析表明,这些纳米聚集物的内部成分出现起伏,主要特征是富Mn贫La,Mn La的比值在其核心处达到极大值,形成立方结构的第二相MnO。LSMO薄膜由两种正交结构的取向畴组成。MnO与畴1的取向关系为:[101]LSMO,1[100]MnO和(010)LSMO,1(010)MnO;与畴2的关系为:[101]LSMO,2[100]MnO和(010)LSMO,2(001)MnO。在LSMO STO外延体系中,还观察到大量的失配位错。失配位错的类型分为刃型失配位错,位错线沿〈100〉方向;螺型失配位错,位错线沿〈110〉方向。刃型位错是基体中原有位错在薄膜生长过程中沿生长表面的扩展造成的;螺型失配位错的形成与降温过程中LSMO正交结构的取向畴的形成有关。

过饱和乙醇溶液重结晶导致三苯基膦单斜结构到正交相的相变

本文利用透射电子显微术和X-射线衍射,研究发现单斜结构三苯基膦在过饱和乙醇溶液重结晶后形成了新的三苯基膦正交相。确定该正交相的晶格常数a=0.914 nm,b=0.976 nm,c=0.532 nm1。文中提出了三苯基膦从单斜晶系到正交晶系相变过程的形成机理。三苯基膦正交相最可能的空间群类型是I212121。伴随着相变行为的发生,在新的三苯基膦正交相中发现了具有伪12次对称性的36°旋转畴微结构。

难熔元素W/Re对镍基单晶高温合金再结晶的影响

两种实验合金(DD00和DD0WR)被设计用于阐明难熔元素W/Re对镍基单晶高温合金再结晶行为的影响。对比DD00合金,加入W/Re的DD0WR合金的再结晶形核阶段被延长,晶粒长大速率减慢,这也意味着DD0WR合金的再结晶行为明显受到抑制。通过透射电镜(TEM)明场像观察,随着热处理时间地延长,DD0WR合金的位错密度消除得更慢。结合TEM中扫描透射电子显微探测器(STEM)和X射线能谱仪(EDS)观察发现,在DD0WR合金中,位错和晶界处有W/Re元素富集。据此可知,对于DD0WR合金,由于难熔元素W/Re在位错和晶界处富集,阻碍了位错运动和晶界迁移,有效地抑制了再结晶的发生。

形变导致渗碳体(Fe_3C)分解的电子显微学研究

本文利用TEM和XRD研究了两种形态的珠光体钢形变导致渗碳体(Fe3C)分解的现象,发现Fe3C的形态影响其分解的方式。在变形的初始阶段,片状和粒状Fe3C分别通过热力学机制和位错机制分解。而且形变导致Fe3C分解是一个动态过程,在严重塑性变形情况下,仅根据碳原子最终的位置不能判断Fe3C的分解机制,只有经过中小变形量后样品中碳原子的位置才能真实反映Fe3C的分解方式。

316F不锈钢中MnS夹杂的电子显微学分析

本文利用透射电子显微术,研究了SUS 316F不锈钢中MnS夹杂的结构和缺陷,发现并确定了MnS中的一种(Cr,Mn,Ti,V)O氧化物颗粒所属物相,并利用扫描透射电子显微镜(STEM)结合X射线能量色散谱(EDS),对MnS和不锈钢界面及MnS和氧化物颗粒的界面进行了成分分析,表明在MnS和不锈钢界面处不存在贫Cr区,在部分MnS和氧化物界面存在一层厚度为10 nm以下的氧化硅非晶层。

多铁材料BiFeO3薄膜中失配压应变导致的界面重构

本文利用透射电子显微术研究了外延生长的多铁BiFeO3/NdGaO3(110)O薄膜中的界面重构现象。高分辨HAADF-STEM像表明:衬底的截止层为GaO2原子层;在BiFeO3/NdGaO3界面处,Nd元素部分取代了BiFeO3的Bi元素,从而在平行于界面的第一原子层形成了BiO-NdO交替排列的界面重构形态。利用寻峰拟合方法对高分辨HAADF-STEM像的分析表明,这种界面重构的发生可以部分释放衬底施加的压应变。本研究提出了多铁材料BiFeO3薄膜中一种新的应变释放途径。

应变对铁酸铋薄膜结构畸变特性的影响

应变工程作为调控铁电薄膜结构及性能的重要手段一直以来是研究热点。本文通过采用不同的单晶衬底对BiFeO3薄膜施加不同大小的拉压应变,利用像差校正透射电子显微术系统地研究了应变对BiFeO3薄膜晶格常数、离子位移以及氧八面体旋转的影响。原子尺度高角环形暗场像(HAADF)以及环形明场像(ABF)实验表明,从拉应变过渡到压应变条件下BiFeO3薄膜中面外晶格经历了逐渐拉长的过程。与此同时,伴随着MB—MA—MC等多种单斜相转变,薄膜中Fe3+的相对位移也由拉应变下的面内离子位移大于面外离子位移逐渐转变到在压应变条件下面外离子位移明显大于面内离子位移。除此之外,随着压应变的增加,氧八面体转角逐渐减小,当BiFeO3薄膜转变为MC相时,FeO6的八面体结构会转变为FeO5金字塔结构。该结果为利用应变对薄膜结构和性能进行微观调控提供了重要借鉴。

PbTiO_3/SrTiO_3(001)复杂畴组态和缺陷的研究

用透射电子显微镜对PbTiO_3/SrTiO_3(001)薄膜内部所形成的复杂畴组态以及畴壁处的位错进行了系统的研究。透射电镜结果和几何相位分析(GPA)表明,薄膜内部两个交叉的a畴内部出现了180°畴壁,导致在局部区域形成了全闭合畴结构,在铁电畴壁处观察到高密度位错。高分辨HAADF-STEM像分析显示,在90°畴壁处容易形成a<011>型位错,在180°畴壁处容易形成a<100>型位错,表明位错的形成与铁电畴壁类型存在强耦合关系。

铁性氧化物界面应变耦合诱导极化拓扑结构

结合像差校正透射电子显微术和精密脉冲激光沉积,本文探索研究了生长在GdScO_(3)衬底上的多层铁电PbTiO_(3)/SrTiO_(3)薄膜中应变调控诱导的90°铁弹畴组态。衍衬分析表明薄膜中存在“鱼骨”状90°畴组态。像差校正HAADF⁃STEM成像研究发现这些特殊90°畴通过中间超薄全共格SrTiO_(3)层传递弹性应变耦合,在中间SrTiO_(3)层和邻近PbTiO_(3)层中形成巨大的长程非均匀周期性弹性应变分布,从而在相邻PbTiO_(3)层中诱导形成了极化涡旋畴和极化涡旋-反涡旋对极化拓扑结构。

新型铁电拓扑结构的构筑及其亚埃尺度结构特性

铁电拓扑结构因其尺寸小而且具有优良的物理特性,有望应用于未来高性能电子器件中.本文从应变、屏蔽和外场等对于铁电材料至关重要的几个外部要素出发,结合薄膜厚度等材料内部参数,针对PbTiO3和BiFeO3这两种典型的铁电材料,简要总结新型铁电拓扑结构的形成及其在外场作用下的演变规律.利用具有亚埃尺度分辨能力的像差校正透射电子显微术呈现了相关拓扑结构的原子结构图谱,构建了针对PbTiO3体系的厚度-应变-屏蔽相图,系统归纳了两种材料中各种拓扑结构的形成条件.最后指出这两类铁电材料中易于调控出拓扑结构的几何维度体系,并指出像差校正透射电子显微术在表征铁电拓扑结构方面的重要作用,展望了未来可能的关注重点.

TiO_(2)薄膜的相结构调控与表征

本文利用脉冲激光沉积技术在LaAlO;(001)衬底上生长了单晶锐钛矿和双相TiO_(2)薄膜,并利用X射线衍射和透射电子显微术对薄膜的显微结构进行了系统表征。单晶锐钛矿薄膜在LaAlO;(001)衬底上实现了外延生长,双相TiO_(2)薄膜以单晶锐钛矿TiO_(2)为基体,在其中夹杂着金红石TiO_(2)颗粒。TiO_(2)薄膜的相结构可通过调整靶材与衬底的间距来调控,远靶基距(150 mm)利于单晶锐钛矿薄膜生长,近靶基距(50 mm)易获得双相TiO_(2)薄膜。锐钛矿TiO_(2)电镜样品在离子减薄过程中易发生表面还原,导致电镜观察中出现莫尔条纹。研究表明30%H_(2)O_(2)浸泡可有效去除离子减薄样品表面的损伤层,防止莫尔条纹的出现。