2023年度工程与材料科学部基金项目评审工作综述

本文总结了2023年度国家自然科学基金委员会工程与材料科学部项目评审工作情况,对各类项目申请、受理、评审和资助情况进行了整理及分析,重点回顾了本年度工程与材料科学部深化科学基金改革新举措及实施成效,并提出了下一年度评审工作的思路及建议,以进一步提高工程与材料科学基础研究资助质量。

分子束外延中波/中波双色HgCdTe材料研究

采用分子束外延(Molecular Beam Epitaxy,MBE)法制备了高质量的npn型中波/中波双色HgCdTe材料。利用傅里叶变换红外光谱仪(Fourier Transform Infrared Spectrometer,FTIR)、二次离子质谱(Secondary Ion Mass Spectroscopy,SIMS)、X射线双晶衍射仪(X-Ray double-crystal Diffractometer,XRD)分别测试了材料组分、厚度、元素分布和平均半峰宽等参数。结果表明,材料底部n型吸收层的碲镉汞组分为0.318,厚度为7.15 m;p型层的组分为0.392,厚度为2.47 m;顶部n型吸收层的组分为0.292,厚度为4.71 m。As掺杂浓度约为3×10^(18)cm^(-3),In掺杂浓度为4×10^(15)cm^(-3),平均半峰宽约为95 arcsec,表明该材料具有良好的质量。利用聚焦离子束(Focused Ion Beam,FIB)、扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope,SEM)、X射线能谱仪(Energy-Dispersive X-ray spectrometer,EDX)测试表征了HgCdTe外延材料表面缺陷的形貌,确认缺陷主要受生长温度和Hg/Te束流比等生长参数的影响。

挤压铸造工艺参数的案例推理设计方法

挤压铸造工艺参数是挤压铸造的关键,目前主要通过实验和经验来确定,效率低。结合数据驱动制造的趋势,提出基于案例推理的挤压铸造工艺参数设计方法。将收集的工艺数据视为案例,然后构建挤压铸造工艺参数的马尔可夫毯约简非关键影响因素,去除冗余影响因素并建立案例属性的关系,在此基础上,应用信息熵确定彼此的权重,然后基于案例推理原理得到新材料铸件的工艺参数。通过实验和应用,证明了该方法的有效性和准确性,为挤压铸造工艺参数设计提供了新的方法,可大幅度节省设计时间,也加强了对已有数据的利用。

工程教育专业认证背景下地方本科高校材料类专业创新型人才培养体系的研究

创新型人才的培养不仅可以促进我国核心制造业和地方本科高校的发展,还可以帮助大学生快速实现自我价值。地方本科高校肩负着为当地培养工程人才的重任,对地方经济和产业的进步起着举足轻重的作用。因此,在工程教育专业认证背景下构建地方本科高校材料类专业创新型人才培养体系具有重要的社会意义和经济意义。

原子级制造测量与表征研究现状综述

原子级制造是指将能量作用于原子,通过原子级材料的可控去除或者原子/分子级结构的大规模操控及组装,实现产品性能与功能跃迁的前沿制造技术,是一种可以大规模、批量化的先进制造技术。该过程需要在10-10m空间尺度下精确操控原子。同时,制造过程中原子的键合时间、电子动力学变化均发生在飞秒(10-15s)至阿秒(10-18s)量级。因此,只有具备超快时间和空间分辨在线检测与表征能力,才能够深入了解并利用原子级制造过程中原子尺度的新原理、新效应,保障原子级制造的可达性与可控性;只有实现原子级制造过程的高通量、大范围的在线监测,才能保障原子级制造的可靠性。基于此,原子级制造的测量与表征是指在原子级的时间、空间、能量尺度上对材料、结构或器件进行精确的测量和表征,以保障原子级制造的可达性、可控性与可靠性。本文介绍了原子级制造所需的测量表征手段的研究现状,从原子级超快动力学过程观测、原子结构演变原位表征、原子级制造过程在线质量监测三大方向进行系统梳理,总结了目前原子级制造测量与表征的挑战并针对未来发展给出建议。

凝露条件下环氧超疏水涂层工频污闪特性研究

超疏水材料因其具备优异的憎水性和自清洁性能,在电气设备的防凝露防污闪领域具有广大应用前景,但关于超疏水涂层工频污闪机理尚不明确。利用低表面能改性的纳米SiO_(2)掺杂到环氧树脂中,在基底表面固化成型,制备出环氧超疏水涂层。对超疏水涂层进行凝露条件下的工频污秽闪络试验,并结合闪络过程中涂层表面水滴的运动行为,对不同污秽等级下超疏水涂层污闪过程所表现出的差异进行力学分析。结果表明:纳米SiO_(2)的质量分数为60%时,涂层接触角和滚动角分别为160.4°和3.3°,兼具良好的超疏水性能和耐磨性能。超疏水涂层污闪过程中表面水滴粘附污秽形成液体弹珠,导致水滴运动所受摩擦力增大,大量粘污水滴的滞留是导致涂层闪络电压下降的主要原因。污闪试验结果表明,在相同条件下,与RTV涂层和典型环氧树脂板相比,超疏水涂层具备更低的泄流电流以及更高的闪络电压。

场发射扫描电镜的科学管理与规范操作

扫描电镜具有分辨率高、信号稳定、操作简便等优点,可观察试样的微观形貌,在材料测试中起着重要的作用。扫描电镜主要由真空系统、电子光学系统、显示系统以及附属设备等组成。随着科技的不断发展,扫描电镜变得越来越普及,多数操作人员缺乏系统性的培训,操作水平参差不齐,对设备维护方面不够了解。以FEI Nova NanoSEM 450型场发射扫描电镜为例,介绍了该设备的一系列科学管理与规范操作方法,以期为相关操作人员提供参考。

退火处理对CVD生长石墨烯薄膜功函数的影响

通过退火处理去除了石墨烯薄膜上的吸附气体和杂质,改变了石墨烯表面吸附情况.利用原子力显微镜和开尔文扫描探针显微镜,对退火处理前后的石墨烯薄膜表面进行了原位扫描,分别得到其退火前、后的表面形貌和表面接触电势差图.根据表面接触电势差测量结果进一步计算其功函数,并对退火处理导致的功函数变化机理进行分析.结果表明:退火处理使得石墨烯薄膜与SiO_(2)衬底间的水分子层逸出,从而导致石墨烯薄膜与SiO_(2)衬底间距减小,降低了石墨烯薄膜的P型掺杂水平,使得费米能级上升、石墨烯薄膜功函数减小.

Zr对Al-Si-Mg-Mn合金凝固过程、时效组织和性能的影响

通过模拟计算、组织观察以及力学性能测试,研究了不同Zr含量对铸造Al-Si-Mg-Mn合金凝固过程、时效组织及力学性能的影响。结果表明,随着Zr含量增加,合金凝固路径存在显著差异,晶粒由初期树枝晶逐步演变为等轴晶;175℃时效7 h条件下,Zr的加入显著提高合金硬度。Zr的加入促使析出相在更低时效温度析出,这可能是Zr细化了晶粒从而提高了扩散效率。峰值时效时合金主要析出相为β″相和Q′相。

考虑温度和时间双重影响的混凝土蠕变模型构建

为了研究温度对混凝土结构蠕变特性的影响,开展不同温度作用下混凝土三轴蠕变试验,分析了不同温度作用下混凝土结构的轴向蠕变特性。在温度作用下,混凝土的内部损伤与非均匀程度参数有关,建立非均匀程度参数与温度之间的关系;假定混凝土蠕变模型是关于温度和时间的函数,结合上述损伤变量和微元体强度分布概率模型,建立了考虑温度和时间双重影响的混凝土蠕变模型。基于最小二乘法和试验数据对模型的准确性进行验证,并采用西原模型对其优越性作进一步验证。结果表明:不同温度作用下蠕变损伤模型与试验数据的吻合度都较好,且相关性系数在0.95以上,说明了所建立模型的正确性;同时,该模型与试验数据的吻合度要优于西原模型,并且在描述加速蠕变方面具有一定的优越性。该理论模型为地下工程中混凝土支护结构的长期变形预测研究提供理论依据。

基于电测法测量弹性模量和泊松比的实验研究

测量材料的弹性模量和泊松比是材料力学实验的一项重要实验项目。为了丰富材料力学实验教学手段和教学内容,把理论计算、有限元仿真技术和电测法测试技术有机地融合在一起。分别通过电测法、ABAQUS软件模拟和理论计算方法得到低碳钢的弹性模量和泊松比。结果表明:模拟结果和理论计算结果几乎相等,但是电测法实验测试结果与理论计算结果之间的误差相对较大,主要是由于电阻应变片在试样表面的粘贴质量不高和试样的几何尺寸测量不精确造成的。

偏心拉伸实验的理论分析与实验研究

偏心拉伸实验是一种综合性、研究性的材料力学实验项目。为了增加材料力学实验课程的难度和深度,通过理论分析推导偏心拉伸应力公式,并指出偏心拉伸试样的实际中性层并不再是几何中性层;利用ABAQUS软件模拟了偏心拉伸试样的应力分布;通过自制的一种可以在电子万能试验机上进行偏心拉伸实验的装置并利用电测法测试了试样横截面上各点的应变。结果表明:偏心拉伸实验的理论计算结果、实验结果和模拟结果基本吻合,3种数据之间的偏差较小;而且,应力在试样横截面上几乎呈线性分布,左边受压缩,右边受拉伸,左边的应力最小,右边的应力最大。

Gleeble高温拉伸样品标距段的选定对拉伸曲线的影响

Gleeble热模拟试验机是目前测定金属材料在高温条件下力学性能的主要设备之一。利用该设备进行高温拉伸试验时,样品属于局部加热,中间温度最高,向两侧随距离增大温度呈现递减状态,因此常选用温差在50~100℃范围内的区域作为标距段长度来获取最终的拉伸曲线。该文选取了两种棒材和两种板材,对其分别进行600、800和1000℃的高温处理,获得不同样品的加热区域温度分布情况,进而给出推荐的标距段长度。随后对4种样品分别进行800℃、应变速率0.1/s下的高温拉伸试验,获得不同标距长度下样品的高温拉伸曲线。通过对曲线结果进行分析,给出利用该设备进行高温拉伸时的样品选用和标距范围的建议。

模拟计算与课程思政在教学中深度融合的策略——以材料科学与工程基础课程教学为例

为提高学生的材料设计与性能优化能力,改善职业道德素养,我们在材料科学与工程基础课程教学中进行了“模拟计算+课程思政”改革与设计。以纯钨和钨铁合金的中子辐照分子动力学模拟实验教学为例,详细介绍了EAM势函数构建、中子辐照模拟及模拟结果分析三部分教学过程。同时,我们在教学中融合思想政治元素,进行了模拟结果分析与人生观教育。实践表明,“模拟计算+课程思政”不仅强化了学生的科研动手能力,而且激发了学生的学习兴趣,提升了其学习效率及专业认同感。

基于机器视觉的镍板材表面缺陷检测研究

针对电解法提纯镍板材表面出现的质量缺陷,设计改进Canny的缺陷检测方法。利用双边滤波使图像去噪保边,研究一种增强梯度的掩模并融入Sobel中形成双层卷积核,增强缺陷边缘梯度,弱化缺陷内部及背景区域的梯度。采用分水岭算法代替非极大抑制与形态学边缘连接算法进行边缘细化。实验结果表明:本算法对镍板缺陷的检测效果优于经典算法和其他几种改进算法。

2种硬度检测方法在压力管道检验中的有效性对比

采用便携式里氏硬度计和实时压痕分析仪对不同材质、不同壁厚的试样进行了硬度检测。通过对比验证方法研究了布氏硬度压痕法和里氏硬度试验方法在相同试验条件下得到的硬度值,同时将实时压痕分析仪所得的材料力学性能数值与试验数据进行对比。结果表明:实时压痕分析仪测得的数据更准确,稳定性高,重复性好;可以现场无损且较准确获得材料力学性能。

原位充氢-拉伸载荷作用下304不锈钢氢脆行为及显微组织表征

搭建了原位电化学充氢—慢应变速率拉伸载荷平台,模拟真实临氢环境—载荷环境,研究了原位充氢对304奥氏体不锈钢氢脆敏感性的影响。结果表明:相比传统预充氢拉伸实验,304奥氏体不锈钢经原位电化学充氢拉伸后呈现较低的强度和更高的氢脆敏感性,未发生明显马氏体相变;试样在变形早期即发生严重氢致断裂,对实际临氢环境服役条件下不锈钢氢脆行为研究和应用具有参考价值。

基于创新创业能力培养的《材料热力学与动力学》课程思政建设

课程思政教育与创新创业教育在育人目标和具体途径上存在相似性,在新时代教育改革的背景下应切实发挥课程思政建设的作用,将课程思政与专业知识教学的各个环节有机融合并产生协同效应,使价值引领和思想政治教育贯穿在专业知识教学的全过程。以《材料热力学与动力学》为例,从课程内容重塑、教学方式改革、思政建设等几方面探讨了课程思政与创新创业教育协同共进的思路与举措,实现了专业核心课程教学环节支撑高水平人才创新创业能力培养的目标,提升了学生的学习兴趣和参与度,提升了课程教学质量,培养出了高素质、创新性的复合型高级工程人才。

外场快速修复用六价铬转化膜的性能

外场装备损伤部位快速修复可维持装备服役期间的功能性及寿命。文章对比分析了AA7B04铝合金表面损伤部位及六价铬转化膜再修复样品的表面微观组织、化学成分、电化学性能、酸性盐雾性能。研究结果表明,自主研发六价铬溶液可有效修复划痕样品。划痕修复部位形成一层致密薄膜,且主要成分包括Cr、F、O、K等元素;对比分析拉曼光谱结果,划痕修复部位存在显著的六价铬CrO_(4)^(2-)(847 cm^(-1));电化学阻抗谱结果证明再修复样品在10-2Hz处阻抗膜值为5.09×10^(5)Ω⋅cm^(-2),比划痕样品提高了5倍;电动位极化曲线显示再修复样品自腐蚀电流密度为10^(-5.5)A·cm^(-2),与划痕样品相比下降了1个数量级;此外,再修复样品耐酸性盐雾周期超过336 h,样品表面无腐蚀点,表面盐雾评级达到10级,失重法表征的腐蚀速度比划痕样品下降1个数量级。

柔性复合管在油田服役后的性能

为评价柔性复合管在油气田地面集输系统中的应用效果,采用宏观观察、微观分析、水压爆破试验、气密封性能测试、结构组成分析、热分析、红外光谱分析、力学性能测试等方法对两条柔性复合管进行分析,以确定其在不同工况下的适用性。结果表明:在经过一段时间的服役后,两条柔性复合管结构层保持完整,未发现明显缺陷,内衬层颜色加深;两条管道的失效形式均为管体爆破,其中1号试样因长期高温运行,其爆破压力不满足标准要求;两条管道的内衬层分别为交联聚乙烯和普通聚乙烯,增强层分别为芳纶纤维和涤纶纤维,热分解温度分别为580℃和440℃,但芳纶纤维的抗拉强度明显小于涤纶纤维。