P掺杂β-FeSi_(2)材料的制备与热电输运性能

β-FeSi_(2)作为一种绿色环保、高温抗氧化的热电材料,在工业余热回收领域具有潜在的应用价值。虽然磷(P)是一种理想的β-FeSi_(2)硅(Si)位的n型掺杂元素,但是P掺杂β-FeSi_(2)易出现第二相,从而限制了其热电性能的提升。本研究采用感应熔炼法合成了一系列FeSi_(2)-xPx(x=0,0.02,0.04,0.06)样品,极大程度地避免了第二相的产生,并系统研究了P掺杂对β-FeSi_(2)热电输运性能的影响。结果表明,P在β-FeSi_(2)中的掺杂极限约为0.04,与前期的理论缺陷计算结果相符。此外,P掺杂优化了β-FeSi_(2)的热电性能,在850 K时,FeSi1.96P0.04的最高热电优值ZT约为0.12,远高于已有的研究结果(673 K,最高ZT仅为0.03)。然而,与同为n型Co和Ir掺杂的β-FeSi_(2)相比(其载流子浓度可达10^(22)cm^(-3)),P掺杂β-FeSi_(2)的载流子浓度较低,最高仅为10^(20)cm^(-3),这导致其电声散射效应较弱,从而限制了整体热电性能的提升。若能提高其载流子浓度,则热电性能有望得到进一步提升。

Mg对亚共晶Al-10Mg_(2)Si合金组织与力学性能的影响

研究了不同Mg含量对含10 mass%Mg_(2)Si的亚共晶Al-Mg-Si合金显微组织、拉伸性能和断裂行为的影响。结果表明:在合金中添加1.2~2.8 mass%的Mg能够减小初生α-Al枝晶的尺寸,适量的Mg明显地细化了合金中的Mg_(2)Si共晶相,并使其形貌由粗大的汉字状转变为短条状、颗粒状和纤维状。共晶Mg_(2)Si的细化归因于Mg原子团簇在其两侧的富集,抑制了共晶Mg_(2)Si的生长,促进了其生长方向的改变。适量的Mg的添加同时提高了合金的强度和塑性,添加2.8 mass%Mg的合金拉伸性能达到最高,抗拉强度、屈服强度和伸长率分别由未添加Mg的232.4 MPa、150.4 MPa和1.5%增加到322.0 MPa、270.4 MPa和6.1%,分别提高了38.6%、79.8%和306.7%。未添加Mg的合金的断裂机制为脆性断裂,添加2.8 mass%Mg的合金的断裂机制转变为韧性断裂。

60Si2Mn钢表面激光熔覆铁基涂层的组织及耐磨性研究

目的提高60Si2Mn钢的表面耐磨损性能。方法采用同步送粉方式在60Si2Mn钢表面进行激光熔覆X1、X22种铁基粉末。通过金相显微镜、场发射扫描电镜和X射线衍射仪,观察和分析熔覆层的显微组织、化学元素分布及相组成,采用显微硬度仪、多功能摩擦磨损试验机进行硬度、耐磨损性能测试。结果2种熔覆层均无裂纹、气孔等缺陷,涂层内部存在大量树枝晶、等轴晶和少量沿基材表面生长的平面晶,其中X1熔覆层的顶部区域等轴晶数量较多,组织更细小均匀。2种熔覆层均由相同物相(α-Fe)固溶体组成,未出现明显的其他物相的衍射峰。基体60Si2Mn钢平均硬度约为300HV,X1熔覆层的硬度为950~1000HV,平均硬度为975HV。X2熔覆层的硬度为784~821HV,平均硬度为803HV。经过球-盘磨损试验后,X1、X2熔覆层以及基体的体积磨损率分别为1.32×10^(-4)、1.94×10^(-4)、3.29×10^(-4)mm^(3)/(N·m)。结论2种熔覆层的硬度和耐磨损性能均优于基体,其中X1熔覆层的平均硬度比X2熔覆层的高约21%,其体积磨损率最小,耐磨损性能更好。

硅膜厚度对Si/β-FeSi_(2)/Si在宽光谱范围的传输特性影响

分析了β-FeSi_(2)和Si在可见光和近红外(NIR)范围内的复折射率,并设计了由Si和β-FeSi_(2)组成的简单的三层薄膜结构Si/β-FeSi_(2)/Si。顶层硅的厚度是可变的,但中间层β-FeSi_(2)的厚度和底层硅的厚度都是固定的。在可见光和近红外范围内,利用菲涅耳理论和有限元数值分析方法分析了该结构在光垂直入射情况下的光学传输特性,并解释了其物理机制。材料Si在波长0.30~0.37μm范围有巨大的反常色散dn/dλ=30.5μm^(-1),而材料β-FeSi_(2)在波长0.30~1.10μm范围有较大的反常色散dn/dλ=5μm^(-1)。结果表明,这种设计简单的膜层结构可以应用于许多光电器件中,并且反射率和透射率等性能可以通过顶层硅厚度的变化进行灵活调整。当波长在可见光范围和近红外范围内时,该结构的透射率和反射率均有显著差异。

选区激光熔化成形TiB_(2)/Al-Si-Mg大尺寸复杂构件

选区激光熔化(SLM)成形大尺寸复杂构件厚度多样、成形高度较高、方向复杂,需要研究构件微观组织均匀性和力学性能稳定性。本文以SLM成形TiB_(2)/Al-Si-Mg复合材料为研究对象,分析复合材料多级微观组织,对比不同成形厚度、高度、方向下复合材料的力学性能。结果表明:复合材料表现出熔池特征结构,细小等轴晶粒组织均匀分布且随机取向,纳米TiB_(2)颗粒在材料内部弥散分布。随成形厚度增加,复合材料伸长率保持稳定,抗拉强度受本征热处理影响略微增大;在不同成形高度下,复合材料抗拉强度和伸长率保持稳定;在不同成形方向下,复合材料抗拉强度保持稳定,伸长率受熔池结构影响在水平方向略高。基于以上结果,成功制备大飞机舱门铰链臂(588 mm×318 mm×470 mm)复杂结构件。

CO_(2)氧化多孔Mg_(2)Si制备微纳分级Si/C材料及储锂性能

硅基负极材料储量丰富、能量密度高、工作电压稳定,是最具有前景的锂离子电池负极材料之一。然而硅接近300%的体积膨胀和较低的离子导电率在电池的循环中十分不利。本文以多孔Mg_(2)Si为原料,通过CO_(2)氧化一步法去除了Mg的同时,在微米级多孔硅体系中引入了纳米级孔隙,并实现了碳层的均匀复合,制备了微纳分级三维多孔Si/C复合材料(MN-p-Si/C)。该结构不仅减轻了硅在脱嵌锂过程的体积膨胀,为离子和电子的传输提供了三维有效通道,碳层还大幅提高了材料的导电性。得益于这些优势,MN-p-Si/C表现出优异的电化学性能,首次充放电比容量分别为2869.2 mAh/g、2364.5 mAh/g,初始库仑效率高达82.41%,在1A/g高电流密度下,200圈循环后MN-p-Si/C可逆容量还保持在1127.1 mAh/g,容量保持率为70.9%,具有良好的应用前景。

新型电极Mg_(2)SiNi_(3)与Mg_(2)Si的连接和界面行为研究

Mg_(2)Si基热电材料是中温区间最有前途的热电材料之一。为了提高Mg_(2)Si基热电接头的界面性能,提出了一种新型电极材料Mg_(2)SiNi_(3)作为Mg_(2)Si的电极材料,并采用放电等离子烧结技术(SPS)实现了Mg_(2)SiNi_(3)和Mg_(2)Si的连接。同时,测试分析了所得接头的界面微观形貌、界面电性能、力学性能以及稳定性。结果表明,Mg_(2)SiNi_(3)与Mg_(2)Si烧结后形成了完整的冶金结合,界面处各组成元素均实现了均匀过渡;界面接触电阻得到了有效地优化,而且接头以及界面稳定性良好;时效前后,界面性能均未出现大幅的退化。Mg_(2)SiNi_(3)的提出为Mg_(2)Si基热电器件设计和集成提供了一种新的思路。

Er_(2)SiO_(5)纳米粉体的并流共沉淀法合成

以Er_(2)O_(3)和正硅酸乙酯(TEOS)为原料,采用并流共沉淀法合成了纳米Er_(2)SiO_(5)粉体。研究了前驱体Si/Er摩尔比、煅烧温度以及反应体系pH值对Er_(2)SiO_(5)物相组成和显微结构的影响,并探讨了Er_(2)SiO_(5)粉体的合成机理。结果表明:前驱体Er/Si摩尔比为20∶12,煅烧温度为1300℃时,Er_(2)SiO_(5)粉体由X2-Er_(2)SiO_(5)纯相组成,具有近球形形貌特征。低Er/Si摩尔比可降低Er_(2)SiO_(5)的结晶温度并促进X2-Er_(2)SiO_(5)的生成,反应体系pH值的升高则对[Si—O—Er]结构的生成具有一定的促进作用。Er_(2)SiO_(5)前驱体是以[Si—O—Er]网络结构形式存在的,煅烧过程中通过分解和结构重组逐步生成Er_(2)SiO_(5),Er_(2)O_(3)杂质相的生成是高Er/Si摩尔比前驱体[Si—O—Er]网络结构中的Er^(3+)在Er_(2)SiO_(5)结晶过程中的析出造成的。

纳米SiO_(2)-CaCO_(3)混凝土损伤本构模型及能量演化特征

采用纳米SiO_(2)-CaCO_(3)混合掺入混凝土中,对混掺纳米SiO_(2)-CaCO_(3)混凝土进行了受压性能试验,基于损伤力学理论和能量耗散原理分析了纳米SiO_(2)-CaCO_(3)增强混凝土的本构关系,建立了普通混凝土和纳米SiO_(2)-CaCO_(3)混凝土损伤本构模型。结果表明:混掺纳米材料比单掺纳米材料对提升混凝土强度效果更佳,强度最大增幅为31.46%;混掺纳米材料显著降低了混凝土的弹性应变能释放速率,增大了混凝土的总应变能和耗散能,从而提高了混凝土的延性和韧性。基于SEM微观测试结果揭示了纳米材料对混凝土增强效应的作用机理。

基于第一性原理GGA+U方法研究Si掺杂β-Ga_(2)O_(3)电子结构和光电性质

采用基于密度泛函理论的GGA+U方法,计算了本征和Si掺杂β-Ga_(2)O_(3)的形成能、能带结构、态密度、差分电荷密度和光电性质.结果表明,Si取代四面体Ga(1)更容易实验合成,得到的β-Ga_(2)O_(3)带隙和Ga-3d态峰值与实验结果吻合较好,且贫氧条件下更倾向于获得有效掺杂.Si掺杂后,总能带向低能端移动,费米能级进入导带,呈现n型导电性;Si-3s轨道电子占据导带底,电子公有化程度加强,电导率明显改善.随着Si掺杂浓度的增加,介电函数ε_(2)(ω)的结果表明,激发导电电子的能力先增强后减弱,与电导率的量化分析结果一致.光学带隙增大,吸收带边上升速度减慢;吸收光谱结果显示Si掺杂β-Ga_(2)O_(3)具有较强的深紫外光电探测能力.计算结果将为下一步Si掺杂β-Ga_(2)O_(3)实验研究和器件设计的创新及优化提供理论参考.

60Si2CrVAT钢弹簧疲劳试验断裂的原因

60Si2CrVAT钢弹簧疲劳试验时断裂。对断裂的弹簧进行了断口分析、金相检测、硬度检测和非金属夹杂物检测。结果表明:弹簧的硬度和非金属夹杂物含量均符合要求,但有因热处理工艺不当而产生的两种显微组织,即回火托氏体加少量铁素体和保持淬火马氏体位向的回火托氏体,导致其疲劳性能较差而断裂。

直接熔化制备Al-Si-Al_(2)O_(3)复合材料的组织和性能

采用光学显微、XRD、SEM和EDS分析了Si含量分别为10.00wt%、7.64wt%的Al-Si-Al_(2)O_(3)复合材料的显微组织形貌以及物相组成。结果表明:Al-10.00wt%Si试样的组织细小,孔隙率较高。基体晶粒Al呈细小圆形,Si颗粒主要在基体晶界周围聚集长大,部分向基体晶粒内部生长;而Al-7.64wt%Si试样组织略微粗大,孔隙率较低。基体晶粒Al呈不规则形状,Si颗粒聚集长大现象更为明显。原位反应成功进行,Al-10.00wt%Si复合材料以Al为基体生成的Al_(2)O_(3)是增强相;另一生成物Si没有细小弥散的分布于Al基体中,而是聚集附着在基体Al晶界周围,且有部分SiO_(2)残留存在于基体晶界周围。在加热升温过程中,混合原料只出现了部分熔化现象,金属液滴从混合原料中析出,凝结为含Al量极高的合金液滴。合金液滴致密度较高,固溶体呈枝晶状,Si呈条状或针状;且有小颗粒第二相的存在,含有Al、Si、C元素。

60Si2Mn弹簧钢盘条拉拔裂纹原因分析

针对60Si2Mn弹簧钢盘条在拉拔、淬火后出现的表面裂纹,通过对缺陷钢丝进行取样分析,确认为连铸坯缺陷导致,进而检查铸坯发现铸坯存在角部裂纹与之相对应。对铸坯角裂产生的原因进行分析,并提出了有效的控制措施,最终消除了铸坯角部裂纹缺陷。

SiC_(f)/SiC复合材料表面Si/Yb_(2)Si_(2)O_(7)涂层1350℃抗热冲击和抗热冲刷性能研究

为了研究Si/Yb_(2)Si_(2)O_(7)涂层在1350℃条件下的抗热冲击和抗热冲刷性能,首先在SiC_(f)/SiC复合材料上采用真空等离子喷涂技术制备了Si/Yb_(2)Si_(2)O_(7)涂层,并采用金相、物相、SEM、EDS、燃气热冲击设备和燃气热冲刷设备对试样进行了结构及性能表征。结果表明:涂层与SiC_(f)/SiC复合材料的结合强度为25.01 MPa。经过1350℃燃气热冲击1000次,1350℃、550 m/s燃气热冲刷1 h后,Yb_(2)Si_(2)O_(7)涂层的表面物相均主要为Yb_(2)Si_(2)O_(7)、Yb_(2)SiO_(5)、Yb_(2)O_(3)和SiO_(2),抗热冲击和抗热冲刷2项性能测试结果均达设计要求。涂层结合强度很高,复合材料、Si层和Yb_(2)Si_(2)O_(7)层耐高温且热匹配性能较好,且面层的抗燃气腐蚀能力很强,是涂层热冲击、热冲刷性能良好的主要原因。燃气热冲刷的燃气燃烧时间比燃气热冲击的总时间短,且热冲刷为恒温连续冲刷,无冷热的剧烈交替变化,故燃气冲刷后涂层边缘处靠近工装装卡的地方未见明显开裂,且连续冲刷后的黑色烧蚀区域较燃气热冲击的面积小。

p-Si/n-Ga_(2)O_(3)异质结制备与特性研究

本实验采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)工艺,在p(111)型Si衬底上制备了p-Si/n-Ga_(2)O_(3)结构的PN结。通过X射线衍射仪、原子力显微镜等对样品进行了晶体结构、表面形貌、表面粗糙度等的表征分析;通过磁控溅射与蒸镀方法在样品上生长Ti/Au电极并进行I-V特性曲线、开启电压、开关电流比、反向饱和电流、理想因子、零偏压下的势垒高度等结特性测试,研究了掺杂浓度与薄膜厚度对PN结特性的影响,并对其原因进行了分析;通过二步生长法和缓冲层温度优化实验,减少了Si衬底与β-Ga_(2)O_(3)之间的晶格失配与热失配带来的影响,对薄膜与器件特性进行了优化。最终获得了表面粗糙度最低可达到4.21 nm的高质量n型β-Ga_(2)O_(3)薄膜,以及具有较低理想因子(42.1)的PN结。

热处理对航空用高品质65Si2MnWA弹簧钢显微组织与力学性能的影响

对65Si2MnWA弹簧钢进行了不同温度的热处理试验,采用显微组织观察、拉伸试验等研究了不同温度热处理对65Si2MnWA弹簧钢组织和力学性能的影响。结果表明:850~950℃淬火态65Si2MnWA弹簧钢组织主要为马氏体及均匀分布的粒状碳化物。对850~950℃淬火试样在435℃回火后,随着淬火温度的升高,其抗拉强度无较大变化,屈服强度却逐渐增加,脆性增大。随即对850℃淬火的65Si2MnWA弹簧钢进行了435~515℃回火试验,随着回火温度的升高,65Si2MnWA弹簧钢的强度逐渐下降,屈强比呈先下降再升高的趋势,弹簧钢的断面收缩率先升高再降低,在455℃回火时,65Si2MnWA弹簧钢达到最佳力学性能。

粗规格60Si2Mn弹簧钢丝的预冷淬火

为了降低水淬开裂倾向,采用钢丝感应淬火-回火生产线对ϕ6.8 mm的60Si2Mn弹簧钢丝进行了910℃保温3 s,随后通过控制其线速度冷却至不同温度后水淬和520℃回火。采用金相显微镜、扫描电子显微镜、万能拉伸试验机和显微硬度计研究了淬火、回火后钢丝的显微组织、硬度和拉伸性能。结果表明:线速度为5 m/min时,钢丝的冷却时间为40.0 s,淬火、回火后其显微组织为珠光体、铁素体和少量回火托氏体;线速度为15~20 m/min时,冷却时间为13.3~10.0 s,淬火、回火后钢丝的显微组织为回火托氏体和少量残留奥氏体;随着线速度的降低,钢丝的冷却时间延长,淬火温度降低,抗拉强度从1 715 MPa降至1 318 MPa,硬度从526~532 HV0.1降至364~425 HV0.1。

抛丸工艺对60Si2Mn热轧弹簧钢表面残余应力的影响

采用不同抛丸时间、抛丸电流的抛丸工艺对高速铁路扣件用弹条原材料(60Si2Mn热轧弹簧钢)进行抛丸,弹丸为粒径0.6~0.7 mm的S230铸钢丸,并通过X射线应力测定仪测量60Si2Mn热轧弹簧钢表面残余应力。结果表明:经不同抛丸工艺处理后,热轧弹簧钢表面残余应力均为压应力;在抛丸电流相同抛丸时间减小、抛丸时间相同抛丸电流减小两种情况下,残余应力场特征参数(最大残余应力、最大残余应力对应的深度和残余应力影响深度)和半高宽(层深相同时)均减小,抛丸效果变差;抛丸覆盖率100%、抛丸时间16 s、抛丸电流50 A时,残余应力场特征参数和半高宽最大,抛丸效果最好。

65Si2CrV汽车尾门弹簧钢丝表面龟裂原因分析

3.90 mm 65Si2CrV汽车尾门弹簧钢丝生产过程中出现表面龟裂。对表面龟裂产生的主要原因进行分析,6.50 mm钢丝剥皮过程中表面产生厚度约3~4μm白亮层,在韧化转变不充分时遗传下来,后续拉拔时在钢丝表面重新生成白亮层,形成微裂纹,随着拉拔道次增加,表面白亮层厚度和裂纹深度不断增大,形成裂纹。通过调整剥皮钢丝的韧化工艺,在原韧化温度基础上提高50℃处理后,钢丝表面龟裂未再发生。

微量Co^(2+)-Si^(4+)取代对多晶石榴石铁氧体材料旋矩磁性能的影响

采用传统陶瓷工艺制备了多晶石榴石铁氧体,研究了微量Co^(2+)-Si^(4+)联合取代对GdCaSnV-YIG、GdCaZrV-YIG、GdCaInV-YIG和GdAl-YIG材料旋矩磁性能的影响。结果表明,Co^(2+)-Si^(4+)联合取代GdAl-YIG可使其矫顽力显著增高,而Co^(2+)-Si^(4+)取代GdCaSnV-YIG、GdCaZrV-YIG和GdCaInV-YIG,可调节其矫顽力和剩磁比。当Co^(2+)-Si^(4+)取代量为0.015时得到GdCaSnV-YIG的矫顽力为0.17 Oe,取代量为0.025时得到GdCaZrV-YIG的矫顽力为0.23 Oe,取代量大于等于0.035时三者的剩磁比均能达到0.79或以上。