原位合成TiB_(2)颗粒增强铝基复合材料研究进展

原位合成技术制备的铝基复合材料,权衡了强度和塑性间的矛盾,有望实现铝基复合材料的结构功能一体化。原位合成TiB_(2)颗粒增强铝基复合材料比刚度,比模量高,具有优异的力学性能、耐腐蚀性能、耐磨性能和抗疲劳性能,是近年来金属基复合材料的研究热点之一,在汽车制造、高铁动车、航空航天和国防军事等领域具有广阔的应用前景。归纳了三种原位合成TiB_(2)颗粒增强铝基复合材料反应体系(Al-K_(2)TiF_(6)-KBF_(4)体系、Al-TiO_(2)-B_(2)O_(3)体系和Al-Ti-B体系)的特点和优势,概述了原位合成TiB_(2)颗粒对铝基体晶粒尺寸、界面结合和润湿性产生影响的研究现状,对TiB_(2)颗粒强化铝复合材料力学性能的作用机制展开了讨论,梳理总结现阶段在此领域研究过程中仍未解决的问题,展望TiB_(2)颗粒增强铝基复合材料的潜在发展空间,以期为研究和开发原位合成颗粒增强铝基复合材料提供参考。

预处理对TiB_(2)增强铝基复合材料电弧增材影响

以TiB_(2)/6056铝基复合材料丝材为焊材,采用冷金属过渡焊接技术,研究TiB_(2)增强铝基复合材料丝材的电弧增材,重点分析预热处理对增材层成形及接头质量的影响。结果表明:当焊接电流为140 A、送丝速度为8 m/min、焊接速度为5 mm/s、基板预热温度为200℃时制备的增材层与基板未预热制备的增材层相比,外观成形更好,气孔数目降低,气孔尺寸减小,晶粒更细小,TiB_(2)颗粒分散更好,且增材层硬度与拉伸性能均得到了提高。

MoS_(2)/Fh复合材料的制备及高盐条件下EDTA-Pb(Ⅱ)的去除研究

水铁矿(Fh)因其比表面积大、吸附能力强等优点,对络合态重金属表现出良好的吸附能力,但是盐离子的存在会阻碍Fh对络合态重金属的去除。本研究引入了二硫化钼(MoS_(2)),利用其优异的阻盐能力弥补Fh去除性能被抑制的情况。考察了溶液pH、盐度等不同因素对MoS_(2)/Fh复合材料吸附性能的影响,在15 g/L NaCl的背景盐度、pH=4条件下,1 g/L MoS_(2)/Fh复合材料对20 mg/L EDTA-Pb(Ⅱ)的去除率仍能达到96.72%,较相同条件下Fh的去除率显著提高。通过对吸附机理的探究发现EDTA-Pb(Ⅱ)主要以静电吸附方式被去除。

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。

纳米TiB_(2)/7075铝基复合材料超声滚压数值仿真研究

超声滚压数值仿真研究亟待丰富和深入开展。采用温度-应变率相关Johnson-Cook本构模型描述纳米TiB_(2)/7075铝基复合材料塑性变形行为,通过Gleeble热压缩模拟实验结合最小二乘拟合标定相关本构参数。利用有限元软件ABAQUS构建3D全六面体渐变网格模型,通过6个步骤对复合材料超声滚压强化过程进行了数值仿真研究。结果表明,残余应力分布的仿真结果与实测结果存在明显差异,但网格失效形式较好地反映了表层材料的开裂和分层,从模拟角度验证了往复超声滚压过程中过度塑性变形导致材料表面损伤的现象。该结果对金属基复合材料超声滚压工艺的探索和相关数值仿真研究的深入开展具有重要指导意义。

超声振动优化铝基复合材料中亚微米TiB_(2)颗粒分布及其对力学性能的影响

利用熔盐-金属反应法成功制备了9 mass%TiB_(2)颗粒原位增强Al-4.5Cu铝基复合材料,研究超声振动处理对团聚状亚微米TiB_(2)颗粒分布的改善作用。结果表明:利用超声振动产生的空化效应和声流效应,有效消除了熔体中颗粒团聚的现象。经超声处理4 min后,TiB_(2)颗粒均匀地分散在整个熔体中,由小于100 nm的TiB_(2)颗粒形成的微小团聚也被打散。复合材料凝固后,有一些小于400 nm的TiB_(2)颗粒分散在晶界附近的基体中。超声振动处理4 min后,复合材料的屈服强度比基体合金和未超声振动处理的复合材料分别提高119%和64.3%,这主要是由于超声振动处理使得TiB_(2)颗粒细小并弥散分布在复合材料的基体中,导致Orowan强化和热膨胀错配强化效果增强,从而使其强度增加。

MoS_(2)/ZnO异质结纳米材料降解亚甲基蓝的光催化性能研究

为了提高ZnO的光转换效率,选用带隙较低的MoS_(2)形成异质结提高ZnO的光催化性能。通过水热法制备ZnO纳米棒,并进一步制备MoS_(2)/ZnO异质结构的纳米复合材料。通过扫描电镜(SEM)、X射线粉末衍射仪(XRD)、固体紫外可见漫反射测试仪(UV-Vis)和紫外可见分光光度计(UV-245)等分析方法对样品的形貌、结构及光学性能等进行表征。结果表明,MoS_(2)/ZnO异质结复合材料呈棒状结构,并由于内建电场存在可有效增强光生载流子的分离效率,进而提高了可见光区的吸收,提高了光催化性能。在模拟太阳光(包含紫外波段)下,60 min时MoS_(2)-15/ZnO纳米复合材料对亚甲基蓝的降解率可达99%,比纯ZnO的降解率提高了10%。

原位合成Al_(2)O_(3)/TiB_(2)颗粒混杂增强铝基复合材料的性能研究

针对传统铝合金无法满足工业和民用中对高强高导铝合金需求的问题,开发一种提升铝合金表面硬度且保证其导电导热性能的新型铝基复合材料。通过机械合金化法制备了Al-TiO_(2)-B混合粉末,采用放热弥散结合接触反应技术成功原位合成Al_(2)O_(3)/TiB_(2)颗粒混杂增强铝基复合材料,探究了原始粉末Al-TiO_(2)-B体系反应生成Al_(2)O_(3)/TiB_(2)颗粒混杂增强铝基复合材料的反应机理及反应温度对原位反应的影响,分析了铝基复合材料的微观组织形貌以及表面显微硬度和导电导热性能。XRD分析结果表明,反应温度达到1100℃保温200 min后,原始粉末Al-TiO_(2)-B体系中的TiO_(2)和B粉末完全反应,并且在反应过程中B粉抑制了中间产物Al3Ti和AlB2的生成,最终原位生成为Al_(2)O_(3)和TiB_(2)颗粒混杂增强的铝基复合材料。显微组织观察表明,在铝基体中原位生成了TiB_(2)颗粒(直径小于1μm)和Al_(2)O_(3)颗粒(粒径约为2μm),且铝基复合材料表面组织均匀致密。原位合成Al_(2)O_(3)/TiB_(2)混杂颗粒增强铝基复合材料的电导率为46.1%IACS,热导率约为198.5 W·m-1·K-1,显微硬度较传统A356铝合金的68 HV提升至76 HV,新型原位合成铝基复合材料在保证导电导热性能的前提下提升了铝基复合材料的显微硬度。

磁性MoS_2/CuO/Fe_3O_4复合材料的合成及光催化性能研究

采用催化剂负载到助催化剂上制得一种可以磁分离的光催化复合材料。采用湿化学法制备纳米级二硫化钼,用化学沉淀法制备球状纳米级氧化铜,通过磁力搅拌将其分散在溶有二硫化钼的去离子水中,形成含二硫化钼/氧化铜复合微粒的微乳液,经水热反应、烘干得其复合材料。采用简单的溶剂热法制备球状Fe_(3)O_(4),将所得复合材料超声处理,使其均匀分散在含四氧化三铁的悬浊液中,再经水热反应、烘干煅烧后得到纳米级磁性MoS_(2)/CuO/Fe_(3)O_(4)复合材料。通过扫描电镜、红外等手段对该磁性复合材料进行表征,复合材料具有良好的吸附性能和光催化性能,并可通过磁场进行分离和回收。

低成本TiH_(2)粉末制备Ti/(TiB+TiC)复合材料的组织与性能

使用低成本的TiH_(2)粉末代替纯钛粉,通过添加B4C原位生成TiB和TiC两种增强相,经过真空无压烧结及热挤压工艺制备出具有优异力学性能的Ti/(TiB+TiC)钛基复合材料,分析了制备工艺和增强相对复合材料组织与性能的影响。结果表明,TiH_(2)粉末具有较好的烧结活性,脱氢烧结样品的相对密度可达97.7%;经热挤压工艺,相对密度进一步提升到99.9%,接近于全致密。增强相TiB为短纤维状,TiC为颗粒状,均匀分布在等轴α-Ti基体中,能抑制等轴晶的长大,细化晶粒。热挤压工艺能进一步细化晶粒,使组织更加均匀致密,挤压态钛基复合材料具有高硬度和良好的强塑性匹配。TiH_(2)+4%B4C(体积分数)挤压态复合材料维氏硬度Hv0.3310,屈服强度683 MPa,抗拉强度851 MPa,断后伸长率15.1%。

石墨烯化学镀铜对放电等离子烧结石墨烯增强铝基复合材料组织和性能的影响

通过化学镀方法得到镀铜石墨烯粉末,再通过静电自组装方法将镀铜石墨烯粉末与铝粉混合,然后经放电等离子烧结工艺制备镀铜石墨烯增强铝基复合材料,研究了不同质量分数(0.1%,0.2%,0.3%,0.4%,0.5%)镀铜石墨烯增强铝基复合材料的微观结构和性能,并与质量分数0.1%未镀铜石墨烯增强铝基复合材料进行对比。结果表明:镀铜石墨烯在复合材料中分散均匀,复合材料的相对密度均在99%以上;铝和铜发生反应生成了中间相Al_(2)Cu,但未有Al_(4)C_(3)界面相生成;镀铜石墨烯增强铝基复合材料的硬度和耐磨性能均优于未镀铜石墨烯增强铝基复合材料;随着镀铜石墨烯含量的增加,复合材料的硬度先升高后降低,磨损质量损失和摩擦因数均呈先减小后增加的趋势。当镀铜石墨烯的质量分数为0.2%时,复合材料具有优异的综合性能,其硬度为74.7 HV,磨损质量损失和摩擦因数均最小,分别为0.0023 g和0.259,磨损机制为氧化磨损。

掺杂Y_(2)O_(3)钨基复合材料在近韧脆转变温区的静载拉伸特性

制备了掺杂质量分数分别为0.5%,2.0%Y_(2)O_(3)的钨基复合材料,研究了其显微组织,通过不同温度(25~800℃)下的拉伸试验分析了其近韧脆转变温区的变形特性。结果表明:2种复合材料均存在由轧制变形导致的大量位错,Y_(2)O_(3)颗粒对位错运动起到钉扎作用;Y_(2)O_(3)掺杂质量分数为2.0%的复合材料的晶粒更细小,发生韧脆转变的温度更低,在300~400℃拉伸时发生半脆性行为,断口区域位错密度在3.8×10^(15)~3.9×10^(15)m^(-2),在600~800℃下发生明显塑性变形,位错密度增加至6.2×10^(15)~6.8×10^(15)m^(-2)。

PVA纤维和纳米SiO_(2)对水泥基复合材料性能影响研究

通过复掺PVA纤维和纳米SiO_(2)到水泥基复合材料中,研究不同PVA纤维掺量(1.0%、1.5%、2.0%)和纳米SiO_(2)掺量(1.0%、1.5%、2.0%)下水泥基复合材料的抗折性能、抗压性能和抗硫酸盐侵蚀性能,并利用SEM扫描电镜分析了水泥基复合材料的微观形貌,探讨了PVA纤维和纳米SiO_(2)对各方面性能的作用机理。结果表明:水泥基复合材料的28 d抗折强度和抗压强度均随着PVA纤维体积掺量和纳米SiO_(2)掺量的增加逐渐增大,当二者掺量均为2.0%时,抗折强度最高为11.34 MPa,抗压强度最高为70.2 MPa。随着PVA纤维体积掺量和纳米SiO_(2)掺量的增加,水泥基复合材料干湿循环后的质量损失率逐渐减小,抗压强度耐蚀系数逐渐增大,当PVA纤维体积掺量和纳米SiO_(2)掺量均为2.0%时,质量损失率最低为0.827%,抗压强度耐蚀系数最高为0.995。

Al_(2)O_(3)纤维增强TiAl基复合材料的界面反应

采用电火花等离子烧结(SPS)制备Al_(2)O_(3)短纤维(含28%(体积分数)SiO_(2))增强Ti Al基复合材料。通过热力学和动力学分析,阐明界面反应机理。基体与Al_(2)O_(3)纤维的界面相为Ti_(5)Si_(3),该相主要来源于TiAl基体中的Ti元素和Al_(2)O_(3)纤维中的Si元素。TiAl基体与Al_(2)O_(3)纤维的界面反应激活能为285.1kJ/mol。此外,由于界面反应过程中Ti元素的消耗,界面周围的基体由γ-TiAl相组成。在热处理态Al_(2)O_(3)纤维和烧结态复合材料中,γ-Al_(2)O_(3)与非晶态SiO_(2)相发生化学反应,形成莫来石相。

MoS_(2)/RGO复合材料的电化学性能和第一性原理研究

利用MoS_(2)高的理论储锂容量和石墨烯良好的导电性能,采用一步水热法成功制备出卷曲片层状的MoS_(2)/RGO复合材料,通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱(EDS)、Raman光谱等手段对其进行了结构、形貌、和成分的表征,并通过第一性原理计算了MoS_(2)和MoS_(2)/RGO模型的最稳定锂离子吸附位置、电荷密度、差分电荷密度、态密度和扩散能垒。实验结果表明,MoS_(2)/RGO复合材料在前70次充放电循环中,保持着800 mAh/g以上的高放电比容量,经过100次循环后,放电比容量为515.3 mAh/g,明显高于单一MoS_(2)(170.8 mAh/g),同时,该复合材料具有优于单一MoS_(2)的倍率性能,经过1000 mA/g的大电流密度循环后重新回到100 mA/g时,MoS_(2)/RGO复合材料仍保持在高的放电比容量(941.2 mAh/g)。第一性原理计算结果表明,在石墨烯的作用下,MoS_(2)层的Mo原子附近的电荷呈减少趋势,MoS_(2)/RGO整体态密度增强,使价带中的电子更容易跃迁到导带,同时,MoS_(2)/RGO较单一MoS_(2)低的扩散能垒(0.25 eV)使锂离子更容易扩散,这解释了在石墨烯的作用下,MoS_(2)/RGO复合材料拥有优于单一MoS_(2)的电化学性能。

微波原位合成Ag NPs/MoS_(2)复合材料及其电化学性能

二硫化钼纳米片(MoS_(2))受到带电杂质、结构缺陷和易聚集等因素的影响,导致其电子转移性能下降,使其应用受限。将银纳米颗粒(Ag NPs)与少层MoS_(2)纳米片复合,可提升MoS_(2)纳米片的电化学性能。本研究创新性地采用微波还原法,使Ag NPs原位沉积于MoS_(2),得到Ag NPs/MoS_(2)复合材料。结果表明,将Ag NPs/MoS_(2)复合材料修饰于丝网印刷电极(screen printed electrodes,SPE)后,测得的循环伏安(cyclic voltammetry,CV)曲线峰电流值为同浓度单一MoS_(2)修饰电极的1.8倍,方波伏安(square wave voltammetry,SWV)曲线峰电流值为单一MoS_(2)修饰电极的3.4倍,电化学阻抗谱(electrochemical impedance spectroscopy,EIS)的电子转移阻抗值(R_(et))仅为167Ω,相比MoS_(2)/SPE的R_(et)(320Ω)显著减小,说明Ag NPs与MoS_(2)复合可显著增强单一MoS_(2)的电化学性能。此外,还推测了高导电性Ag NPs/MoS_(2)复合材料的导电机理。最后,基于Ag NPs/MoS_(2)复合材料构建了电化学传感器并对前列腺特异性抗原(PSA)进行检测。结果表明,该传感器针对PSA的检测限为0.009 ng·mL^(-1),线性检测范围为0.1~1000 ng·mL^(-1),灵敏度为0.011μA·mL·ng^(-1)。

粉末冶金法制备TiB_(2)与Al基复合材料与性能研究

使用粉末冶金法制备了TiB_(2)/Al基复合材料,使用X射线衍射仪(XRD)对复合材料进行衍射图谱分析,确定复合材料的物相组织,复合材料晶界处为增强体TiB_(2)的主要分布位置,随着TiB_(2)质量分数的增加,团聚现象增多。探讨了TiB_(2)/Al基体的显微结构和机械性质的变化,并分析了TiB_(2)粒子的加入对TiB_(2)/Al基体的影响。实验发现,TiB_(2)/Al与TiB_(2)/Al的界面结合较好。在1 h的保温、610℃烧结、20%质量分数硼化钛的硬度最高,维氏硬度值为68.2 HV。此时的复合材料在TiB_(2)质量分数15%时的综合力学性能最好,抗拉强度为153.43 MPa,比纯铝提高了19.68%。

花状Zn-MOF衍生碳@MoS_(2)复合材料制备及吸波性能

采用Zn-MOF(MOF为金属有机骨架)制备纳米多孔碳材料,通过自组装法将多孔碳与花状MoS_(2)结合,制备出具有规整有序结构的花状Zn-MOF衍生碳@MoS_(2)复合吸波材料。基于Zn-MOF衍生纳米多孔碳的高孔隙率、大比表面积,MoS_(2)的花状结构引起的电磁波多次反射和散射,以及MoS_(2)和Zn-MOF衍生碳之间存在的强极化效应、良好的阻抗匹配和协同作用,Zn-MOF衍生碳@MoS_(2)在频率为9.28 GHz时的最佳反射损耗达到-49.68 dB,表现出优异的电磁波吸收性能。

电解铣削加工TiB_(2)/7050铝基复合材料阴极设计与试验验证

为提高TiB_(2)/7050铝基复合材料电解铣削加工的加工效果,设计了三种具有不同底部出液孔形式的直径工具阴极,通过多组参数下的对比试验,优选出加工效果最好的工具阴极进行后续的试验探究。结果表明:在只改变加工电压的情况下,工具阴极C有最高的材料去除率,工具阴极A可加工得最优的沟槽底面平整度。在加工电压30 V、进给速度70 mm/min下采用工具阴极C进行电解铣削加工,材料去除率和沟槽底面平整度分别达到581.9 mm3/min和0.16 mm,表面粗糙度值达Ra0.648μm。

Zn掺杂1T/2H-Zn@MoS_(2)复合材料的制备及其电催化析氢反应性能

开发原料丰富、价格低廉且催化性能优异的析氢反应(HER)催化剂代替Pt基催化剂,对于水分解制氢产业具有非常重要的意义。以廉价的四水合钼酸铵((NH_(4))_(6)Mo_(7)O_(24)·4H_(2)O)、硫脲(CH_(4)N_(2)S)、六水合硝酸锌(Zn(NO_(3))_(2)·6H_(2)O)以及葡萄糖(C_(6)H_(12)O_(6))为原料,采用常规的水热法成功地制备了具有片状形貌的Zn掺杂1T/2H-Zn@MoS_(2)复合物。采用了X射线衍射仪(XRD)、Raman光谱仪、扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱仪(XPS)对制备的样品进行了详细的表征分析。实验结果表明,Zn掺杂量能够影响MoS_(2)相结构的变化,当Zn与Mo的物质的量之比为1∶500时,制备的MoS_(2)中无ZnS相,而此时Zn原子取代了MoS_(2)中Mo原子的位置。Zn原子的取代使MoS_(2)产生了结构缺陷,活化了1T-MoS_(2)面内活性位点,提高了活性位点密度。实验结果也表明,Zn原子作为电子给体,促使了1T/2H-Zn@MoS_(2)中MoS_(2)的2H相向1T相的转变,使得1T相的占比率提高到了38.6%。因此,1T/2H-Zn@MoS_(2)的HER性能得到了显著增强,在质量浓度0.5 mol/L的H_(2)SO_(4)溶液中,仅需178.6 mV的过电位就可达到10 mA·cm^(-2)的电流密度,并展现了良好的稳定性。