Cu-Al层状复合材料金属间化合物结构稳定性的第一性原理计算

铜铝层状复合材料在固液复合铸轧成型时,固态铜与液态铝在接触面发生界面反应生成的金属间化合物容易引发晶界脆性、晶间裂纹或弹性畸变致使其开裂而失效。因此,一个强而稳定的界面对于整个复合材料的结构强度至关重要。为深入了解界面金属间化合物的化学键合、晶体结构及稳定性,利用第一性原理对Cu-Al层状复合材料中常见的金属间化合物Al_(4)Cu_(9)、Al_(2)Cu、AlCu开展了热力学性能、力学性能和电子结构的相关计算。有效生成热数值表明,扩散初始阶段Al_(2)Cu相将在界面处最先生成,待Al_(2)Cu初生相形成后,将依次生成Al_(4)Cu_(9)、AlCu。Al_(2)Cu、Al_(4)Cu_(9)和AlCu均符合力学稳定性标准,对比它们的B/G值、泊松比和硬度,3种金属间化合物均为脆性相,其中Al_(2)Cu的脆性最大且硬度最高。通过对能带、态密度和Mulliken布居进行分析,发现金属键在Al_(2)Cu和AlCu化学键中具有更强的离子性特征,而在Al_(4)Cu_(9)化学键中具有更强的共价性特征,使得Al和Cu原子之间的相互作用更紧密,稳定性更强。

1060Al/Al-Al_(2)O_(3)/1060Al层状铝基复合材料热变形模型对比分析

采用Gleeble-3500热模拟试验机在变形温度为25~400℃、应变速率为0.01~10s^(-1)和真应变为0.85的条件下,对1060Al/Al-Al_(2)O_(3)/1060Al层状铝基复合材料进行了热压缩试验,研究其热变形行为,建立了应变补偿的Arrhenius (SCA)、修正的Johnson-Cook (MJC)和修正的Zerilli-Armstrong (MZA) 3种本构模型,并对流变应力的预测值与实验值进行对比。结果表明,层状复合材料流变应力呈加工硬化型,并随温度升高或应变速率降低而降低;在100℃/0.5s^(-1)、200℃/0.1s^(-1)和300℃/0.1s^(-1)条件下,层状复合材料组元层间变形较为协调;3种本构模型中,MZA模型的相关系数最高,R为0.99085、平均绝对相对误差最低,e_(AARE)为0.046966,更适合描述1060Al/Al-Al_(2)O_(3)/1060Al层状铝基复合材料的热变形行为。

层状复合材料制备工艺现状及未来发展展望

主要阐述了各种层状复合材料制备工艺的特点及其在现实生产中的优势及不足。其中,固-液铸轧法作为一种将铸造法与轧制法结合起来的复合材料制备方式,或可成为铝基复合材料未来连续化、批量化生产的主要研究方向。

TA4/Q235层状复合材料激光穿透焊研究

为解决钛/钢层状金属在熔焊过程中易产生脆性金属间化合物而导致接头出现裂纹、难以实现可靠连接的难题,对TA4和Q235层状复合材料的激光穿透焊接进行工艺探索,并添加T2紫铜作为中间层进行工艺优化。结果显示,在合适的工艺参数下,TA4/Q235激光穿透焊接接头呈酒杯状,焊缝上下部分出现明显的元素交换,引发裂纹缺陷;引入Cu作为中间层后,得到的Ti-Cu-Fe焊接接头成形良好。能谱分析结果表明,添加Cu可有效阻隔Ti、Fe的直接接触,避免了脆性金属间化合物的产生,焊缝晶粒在一定程度上得以细化且开裂现象明显减少,从而改善了TA4/Q235的焊接性;激光穿透焊接的最佳参数为激光功率3 000 W,线速度2.0 m/min。研究结果对Ti/Fe复合板在航空航天、石油化工等领域的应用有积极的探索作用,具有重要的工程应用前景。

金属层状复合材料的力学行为及微观变形机理

金属层状复合材料作为一种典型的非均质材料,通过调控其内部的多尺度微结构特性,可以实现金属结构材料强度-韧性的协同提升,在高端先进制造领域具有潜在的应用前景。金属层状复合材料的宏观力学性能显著依赖于各组元层的性能、厚度和异质界面的结构特性。变形过程中材料内部的微观应力/应变在异质界面处的协调特性对组元金属的形变微观机制产生重要影响,进而影响复合材料整体的性能。因此,探索金属层状复合材料的“微观结构-力学行为-变形机制-宏观力学性能”的内在关联并揭示其对应的微观形变机理,对设计具有优异综合力学性能的金属层状复合材料有重要的理论指导意义和实际应用价值。聚焦于晶态金属层状复合材料的微观力学行为及变形机理,介绍了其力学行为的尺寸与界面效应,着重讨论了室温下材料的微观形变物理过程,阐明了非均匀金属层状复合体强韧化的机理。最后,对金属层状复合材料力学行为的研究进行了简要展望。

不同铝合金对Al/Mg/Al层状复合材料腐蚀行为的影响

将镁合金与铝合金经过热轧制成Al/Mg/Al层状复合材料,结合析氢试验、电化学试验和电偶试验,对1060/AZ31/1060、5052/AZ31/5052和6061/AZ31/6061在3.5%(质量分数)NaCl溶液中腐蚀行为进行研究,通过分析其腐蚀形貌、腐蚀产物、析氢速率、动电位极化曲线和交流阻抗谱,探究Al/Mg/Al层状复合材料的腐蚀机理。结果表明:Al/Mg/Al层状复合材料的表面腐蚀行为与铝合金的腐蚀行为相似,其相对于原始镁合金的腐蚀电流密度降低了两个数量级;Al/Mg/Al层状复合材料截面腐蚀产物呈颗粒状密集分布在镁一侧,腐蚀行为主要受电偶效应的影响,镁-铝电偶对电偶电流可达10^(-3)A·cm^(-2)数量级;对应的三种镁-铝电偶对电偶电流密度和电偶电位与混合电位理论拟合值相差不大;三种Al/Mg/Al层状复合材料中5052/AZ31/5052的整体耐蚀性最好。

层状C_(f)/ZrB_(2)-SiC复合材料断裂行为仿真研究

为研究层状C_(f)/ZrB_(2)-SiC复合材料断裂行为的影响因素和规律以及裂纹扩展规律和形成机理,从细观尺度建立了单边切口梁法(SENB)有限元模型,使用软件ABAQUS进行了仿真模拟。仿真计算的断裂韧性为10.01 MPa·m^(1/2),结果与试验数据基本一致,验证了有限元模型的有效性;裂纹扩展过程中多次沿界面偏折,裂纹呈阶梯状特征。在荷载-位移曲线上表现为曲线升降的变化,呈现出明显的阶梯断裂模式。断裂韧性随层厚比的增加,表现出先增大后减小的趋向,最佳层厚比约为1。断裂韧性随界面层厚度的增加呈现先上升再下降的趋势,最佳界面层厚度是200 nm。

层间硬度比对Cu-Be/Cu层状异构复合材料强韧性的影响

通过真空热压复合、冷轧及热处理的方式制备了具有不同层间硬度比(R_(Cu-Be/Cu)分别为3.0、5.0、7.0)的Cu-Be/Cu层状异构复合材料。研究了层间硬度比R_(Cu-Be/Cu)对复合材料强度-塑性匹配及应变硬化率的影响,探索了不同R_(Cu-Be/Cu)下异质变形诱导强化对复合材料应变硬化行为的影响。研究结果表明,随着R_(Cu-Be/Cu)升高,层状异构复合材料的抗拉强度升高、均匀伸长率降低,但复合材料抗拉强度均高于依据混合定律计算值,且均匀伸长率均高于相应Cu-Be组元,其中R_(Cu-Be/Cu)为5.0的复合材料具有最优强度-塑性匹配。异质变形诱导强化作用可使层状异构复合材料中产生额外应变硬化,但R_(Cu-Be/Cu)为3.0的复合材料中异质变形诱导强化产生的应变硬化作用较弱,而R_(Cu-Be/Cu)为7.0的复合材料中异质变形诱导硬化作用在塑性变形初期就达到饱和状态并迅速降低,R_(Cu-Be/Cu)为5.0的复合材料中异质变形诱导硬化在材料应变硬化过程中占据主导作用,且可在较大应变范围内为材料提供额外应变硬化能力。

基于物质点法Ti/Al_(3)Ti层状复合材料抗斜侵彻性能研究

为研究Ti/Al_(3)Ti层状复合材料在弹体斜侵彻下的防护性能以及解决有限元法模拟侵彻过程存在的网格畸变问题,利用物质点法建立了弹体侵彻Ti/Al_(3)Ti层状复合材料的数值模型,模拟了弹体侵彻Ti/Al_(3)Ti层状复合材料的过程,得到的弹道冲击靶板应变云图和弹体剩余速度时程曲线与已有文献结果对比,吻合较好。并基于物质点法模拟了卵形弹以不同入射角度侵彻Ti/Al_(3)Ti层状复合材料的过程。当弹体入射角度θ从0°增加到45°时,弹体垂直靶板方向弹体剩余速度减少,Ti/Al_(3)Ti层状复合材料的能量吸收率从43.4%增加至99.9%。且当弹体入射角度为45°时,发生了明显的跳弹现象。结果表明:随着弹体入射角度的增加,Ti/Al_(3)Ti层状复合材料的抗斜侵彻性能提升。

热处理对Cu/Ti层状异质结构复合材料组织及力学性能的影响

利用金相显微镜、扫描电镜、电子背散射衍射和疲劳试验机研究了热处理对Cu/Ti层状异质结构复合材料微观组织及力学性能的影响。结果表明,在400℃×60 min热处理后,Cu/Ti界面处无扩散;在600℃×60 min热处理后生成2μm的扩散层,在800℃×60 min热处理后扩散层厚度增长至约12μm,分为Cu_(4)Ti、Cu_(4)Ti_(3)和CuTi_(3)共3层结构。400℃×60 min热处理后,复合材料因Ti层而存在异质结构,在拉伸变形过程中,异质变形诱导强化导致其拥有良好的综合力学性能,其抗拉强度和断后伸长率分别为361.7 MPa和36.7%。随着热处理温度的升高,Ti层异质结构逐渐消失,异质变形诱导强化减弱,同时Cu/Ti界面间生成金属间化合物层,从而导致复合材料塑性下降。

层状Ti-Al复合材料界面约束导致的晶内变形不均匀性

以纯钛箔和纯铝箔为原料,通过热压和热轧制制备层状Ti-Al复合材料。使用原位电子背散射衍射技术,研究层状复合材料拉伸过程中的取向演化和形变微结构特征。结果表明,Ti晶粒内部塑性变形存在不均匀性,即越靠近晶界或Ti/Al层状界面,Ti晶粒的塑性变形越困难。这种晶内变形不均匀性主要来自于晶界和Ti/Al相界的协同约束效应。因此,本研究提供了一种通过充分利用界面约束效应来调控塑性变形行为从而实现性能优化的新策略。

铜铝层状复合材料研究进展

铜铝层状复合材料既具有铜优良的导电和导热性能,又具有铝的质轻、耐腐蚀的优点,兼具优良性能和成本经济,可广泛应用于电力电气、通讯、新能源等领域。鉴于铜铝层状复合材料的优良性能和广泛的应用前景,铜铝层状复合材料逐渐成为当前研究的热点,本文主要对铜铝层状复合材料的制备工艺、复合机理、变形行为、热处理以及导电性能等研究进行综述。

玻璃纤维强化Ti/Al_(3)Ti层状复合材料的方法与性能研究

利用真空热压烧结工艺,以一种新型的材料排列方式(复合材料前半部分为Ti/Al_(3)Ti层状复合材料,后半部分在Ti/Al_(3)Ti层之间扦插玻璃纤维),成功利用玻璃纤维强化Ti/Al_(3)Ti层状复合材料。在同样的工艺条件下,通过改变玻璃纤维的层数(玻璃纤维的体积分数),探究玻璃纤维的层数对复合材料静态压缩性能、静态拉伸性能的影响。研究结果表明:随着玻璃纤维层数的增加,复合材料的静态压缩性能与静态拉伸性能都有提升,但不是简单的正相关,而是前期提升效果明显,后期提升效果不明显;同时,复合材料的静态压缩性能在沿垂直于叠层方向测试时,提升效果要比沿平行于叠层方向测试时明显。

热等静压烧结制备Ti/Al_(3)Ti金属间化合物层状复合材料的微观结构和性能

Ti/Al_(3)Ti金属间化合物层状复合材料因其本身具有高比弹性模量、低密度、高比强度、抗蠕变能力强、抗氧化能力强、耐高温等优异的性质,在航天精密零部件、装甲防弹、现代武器、汽车工业等领域广泛应用。利用热等静压烧结工艺制备了Ti/Al_(3)Ti金属间化合物层状复合材料,对复合材料的微观结构、显微硬度、压缩性能、拉伸性能进行了探究。结果表明:在保温700℃、压力为150 MPa条件下,烧结得到的复合材料无明显缺陷、界面结合良好;复合材料的硬度值呈周期性变化,Ti层在300 HV左右、Al_(3)Ti层在530—600 HV之间、中心线处在530—540 HV之间;Ti层的引入对复合材料整体韧性有所提升,在静态压缩测试中垂直于叠层方向的平均最大抗压强度为1185.1 MPa、平行于叠层方向为894.6 MPa,在静态拉伸测试中最大抗拉强度为281.7 MPa。说明,采用热等静压烧结工艺制备的Ti/Al_(3)Ti金属间化合物层状复合材料具有优异的力学性能。

累积叠轧制备层状铝基复合材料研究进展

铝基复合材料是工业中应用最广泛的有色金属结构材料。其中,层状铝基复合材料可以借助不同金属与铝合金直接构筑形成层状结构,从而表现出更优异的综合力学性能。累积叠轧(ARB)作为一种成熟的制备层状铝基复合材料的方法,因其设备要求简单、操作简便、易于工业化的优点而一直备受关注。本文综述了近几年累积叠轧制备铝基复合材料的研究现状,并对其发展趋势进行了分析和展望,指出了累积叠轧制备层状铝基复合材料今后的发展方向和研究重点。

层状碳纤维复合材料结构热应变光纤传感特性研究

针对高分辨率遥感卫星关键载荷复合材料支撑结构热变形光纤在轨监测需求,研究层状复合材料结构热应变光纤光栅传感特性。首先,采用有限元方法分析得出层状复合材料结构在局部热载荷作用下热应变场分布特征;然后,制作层状复合材料结构试件,建立光纤光栅热应变监测实验系统;最后,以同样尺寸的铝合金结构为对比试件,实验分析T700级碳纤维增强复合材料层压板的热应变传感特性。实验数据表明,在30~100℃范围内,碳纤维复合材料结构热应变随温度升高而近似线性增大,但其热应变量明显小于同一温度下铝合金结构热应变;碳纤维复合材料的热应变场呈各向异性分布特征,100℃时其轴向和径向应变的光纤光栅测量值分别为155.8με、181.3με,与仿真计算结果的平均相对误差为1.58%、1.52%。利用光纤光栅传感器能够有效测量碳纤维复合材料结构的热应变,研究结果可为高分辨率遥感卫星层状复合材料结构光纤在轨监测提供参考。

基于DIW的“互锁”型层状钛基复合材料成型及其力学性能

采用浆料直写打印(direct ink writing,DIW)技术对0.8%(体积分数,下同)BNNSs/TC4浆料和TC4浆料进行双材料互嵌打印,构建层间“互锁”界面。结合DIW和快速热压烧结(fast hot pressed sintering,FHPS)技术得到纳米TiB增强的层间“互锁”型致密层状TC4-TiB/TC4复合材料,并对其力学性能进行研究。结果表明:烧结后成功保留了层间“互锁”结构;利用DIW制备的层间“互锁”型层状TC4-TiB/TC4复合材料与未作构型的增强相均匀分布的0.4%TiB/TC4复合材料相比,强度提升了9.1%,达到1206 MPa,但韧性并未下降。分析发现,“互锁”的层间界面使裂纹发生极大的偏转,阻碍裂纹扩展,提升整体材料的韧性,为成型复杂强韧复合材料构件提供了思路。

碱式碳酸铜层状复合材料制备及类芬顿催化性能研究

以层状双金属氢氧化物(LDHs)作为载体,采用机械混合法将催化活性物质负载于LDHs表面,制备了碱式碳酸铜/NiAl-LDHs层状复合催化剂。以亚甲基蓝为降解物,研究了碱式碳酸铜,NiAl-LDHs和复合后样品的类芬顿反应活性。利用X射线衍射、扫描电镜、透射电镜等方法分析了复合物的结构和形貌、复合材料中碱式碳酸铜和NiAl-LDHs界面结合方式,研究复合催化剂制备方法、界面结合方式等对其催化性能的影响。实验结果表明:复合催化剂中碱式碳酸铜和NiAl-LDHs以片/片界面方式结合;碱式碳酸铜/NiAl-LDHs层状材料作为催化剂时反应速率增加,表现出最佳的催化活性;催化反应2 min后亚甲基蓝完全脱色,反应速率常数为1.367 min^(-1)。最后,结合亚甲基蓝降解反应动力学阐释了降解机理。

镁铝纳米层状复合材料的简介

简单叙述镁基复合材料的研究现状，综述了层状金属复合材料的多种制备方法及其优缺点，并重点介绍复合轧制法来制备镁铝纳米层状复合材料。主要阐述镁铝复合相的表面自纳米化处理技术，特别是机械研磨技术的应用。展望了镁铝纳米层状复合材料的发展前景。

异种金属层状复合材料累积叠轧工艺的研究进展

综述了异种材料累积叠轧技术,介绍了累积叠轧的工艺原理及异种材料累积叠轧试样的宏观结构和力学性能研究进展,分析了层状复合材料累积叠轧工艺的复合机理和强化机制,最后展望了异种材料累积叠轧工艺的应用和发展并对进一步的研究提出了建议。