碳化物与钛合金层协同强韧化TiAl基叠层复合板材的微观组织及力学性能

叠层复合设计是突破传统金属基复合材料强韧性失配瓶颈的有效途径。基于仿生学原理,通过碳化物和通孔构型钛合金层协同增强制备了TiAl基叠层复合板材,并研究了该复合板的微观组织和力学性能,采用XRD、SEM、EBSD及三点弯曲法等分析了复合板材的相组成、微观结构,并测量其弯曲强度和断裂韧性。结果表明,复合板材主要由Ti_(2)AlC、α_(2)-Ti_(3)Al、γ-TiAl和少量的TiC相组成。当Ti_(2)AlC含量为0wt%时,复合板材的性能最佳,呈各向异性,平行叠层方向的弯曲强度和断裂韧性分别为1165.35 MPa和34.90 MPa·m^(1/2),垂直叠层方向的弯曲强度和断裂韧性分别为722.68 MPa和28.55 MPa·m^(1/2)。随着Ti_(2)AlC含量的增大,垂直和平行叠层方向的性能实现了近各向同性。结论可为金属基复合材料的仿生复合设计、优化和工程应用提供理论依据和技术支撑。

通孔构型Ti6Al4V/Ti_(2)AlC-TiAl基叠层复合板材的组织和性能

将Ti-Al-TiC混合粉末和通孔构型TC4钛合金箔(Ti6Al4V)依次叠放装入模具,采用放电等离子烧结技术(SPS)制备了珍珠层结构Ti6Al4V/Ti_(2)AlC-TiAl基叠层复合板材。采用XRD、SEM、EBSD等测试手段分析相组成及微观结构,测试其室温力学性能,研究其强韧化及断裂机理。结果表明,Ti_(2)AlC理论生成量为10%(质量分数)时,复合板材在垂直于叠层方向弯曲强度和断裂韧性达到最大值,分别为645.77 MPa和25.06 MPa·m^(1/2)。通孔构型TC4钛合金强韧层设计改变了裂纹扩展路径,使裂纹扩展驱动力不断被削弱,同时第二相Ti_(2)AlC对裂纹扩展也产生阻碍作用,从而提高了TiAl基叠层复合板材的综合力学性能。

通孔式钛合金层强韧化Ti2AlC/TiAl基叠层复合板材

以通孔式结构TC4钛合金箔为增韧层,以TiC-Ti-Al混合粉末为反应体系,采用放电等离子烧结技术(SPS)制备TC4/Ti2AlC-TiAl基叠层结构复合板材。借助XRD、SEM等分析相组成和组织结构,并测量室温弯曲强度和断裂韧性。结果表明,叠层结构复合板材的力学性能呈各向异性;当Ti2AlC含量(质量分数)为15%时,断裂韧性在加载方向垂直于叠层方向时达到最大值18.81 MPa·m1/2,远高于无Ti2AlC的复合板材的断裂韧性。通孔叠层结构设计以及复合化手段构建了复杂的裂纹扩展路径,且钛合金韧化层可以吸收断裂能,对改善韧性具有重要作用,为金属复合板材研究提供了一种全新的设计思路。

杉木/钙基蒙脱土插层复合板材的力学性能研究

为了探究不同条件下杉木/钙基蒙脱土插层复合板材的力学性能,该文测定了其氧指数、硬度、耐磨性和尺寸稳定性。结果表明:①与未处理杉木板材相比,杉木/钙基蒙脱土插层复合板材的性能,除了耐磨性略有降低之外,其氧指数、硬度、尺寸稳定性均有显著的提高。②通过对比杉木/钙基蒙脱土插层复合板材的力学性能,得出其最佳制备工艺参数:浓度5%的天然钙基土与浓度20%的水溶性酚醛树脂配制成浸注处理液,杉木规格为450(纵向)mm×60(径向)mm×18(弦向)mm,浸注温度为20℃,真空度为0.098 MPa,浸注压力为1.0 MPa,抽真空时间1 h,加压时间1 h,固化温度110℃,固化时间2 h,常规鼓风干燥。

累积叠轧制备的Cu/Al/Cu复合板材金属间化合物层演变及其对力学性能影响研究

目的研究在不同温度条件下Cu(商业纯铜)/Al(AA1060)/Cu复合板材累积叠轧过程中界面金属间化合物层对材料性能的强化规律。方法在不同温度条件下(350~500℃)累积叠轧制备Cu/Al/Cu层状复合板材,深入分析其界面金属间化合物层形状、元素分布及其对力学性能的影响规律。结果金属化合物层的厚度随着轧制温度的升高逐渐增加,且随着轧制温度的不同,形貌呈现很大的差异。当轧制温度为350℃和400℃时,金属间化合物相对平整。轧制温度升高到450℃时,金属间化合物层呈现锯齿形,使该工艺条件下加工的材料同时具有较好的强度(273 MPa)和塑性(4.06%)。结论制备Cu/Al/Cu层状复合材料过程中,通过优化轧制温度这一重要轧制参数,能实现强度和塑性的综合提高。

热轧制镁基叠层复合材料的力学性能

采用热轧制备7075Al/MGY/7075Al叠层复合材料,材料的拉伸强度达300MPa。基于经典叠层板理论计算该材料的首层失效强度,其计算结果与试验结果吻合较好,表明经典叠层板理论可用于预测轧制制备的叠层复合材料首层失效强度。结果表明:随着铝合金厚度的增加,镁基叠层复合材料的拉伸强度、弯曲刚度、压缩强度和弯曲比强度增加,弯曲比刚度和拉伸比强度先增加后降低,且7075Al/MGY/7075Al、7075Al/AZ31/7075Al和3003Al/MGY/3003Al叠层复合材料的拉伸比刚度增加,但3003Al/AZ31/3003Al叠层复合材料的拉伸比刚度逐渐减小。

放电等离子烧结制备TC4/Ti_(n+1)AlC_n-TiAl叠层结构复合材料的组织和性能

以TC4钛合金箔(Ti-6Al-4V)作为强韧层,TiC-Ti-Al混合粉末作为复合层,采用放电等离子烧结技术(SPS)制备TC4/Ti_(n+1)AlC_n-TiAl叠层结构复合材料(n=1或2)。研究了TC4/TiAl基叠层复合材料组成、结构和力学性能。结果表明:叠层之间结合良好,随着强韧层数量和Ti_(n+1)AlC_n含量的增加,界面层厚度减小,裂纹在扩展过程中Y型分叉角增大,应力集中因子减小,材料的力学性能显著提升。当强韧层数为9层时,材料的抗弯强度和断裂韧性在Arrester受力方向上达到最大值,分别为(1419.28±70.96)MPa和(62.17±3.11)MPa·m^(1/2)。

连续陶瓷SiC纤维增强钛基仿生叠层复合材料热加工工艺研究

以韧性金属Ti箔、连续陶瓷Si C纤维、金属间化合物Ti2AlNb箔为原材料,对箔-纤维-箔进行了单元堆叠,采用真空热压和陶瓷SiC纤维编织技术制备了不同热加工工艺参数下的连续陶瓷Si C纤维增强钛基仿生叠层复合材料。利用扫描电子显微镜(SEM)和能谱分析仪(EDS)对制备态复合材料微观组织形貌和各组元间界面元素分布进行了分析。结果表明,当热加工工艺参数为920℃/30 min/40 MPa时,复合材料各组元间实现理想冶金结合,陶瓷SiC纤维均匀等距分布于韧性金属Ti基体中,韧性金属Ti箔与金属间化合物Ti2AlNb箔通过元素扩散实现了理想冶金结合。

寿光晨鸣板材开发多层实木复合地板基材

近期，寿光晨鸣板材公司成功开发出多层实木复合地板基材，进一步丰富了公司产品结构，填补省内空白。

Fe-Al金属间化合物基叠层复合材料的界面表征及生长动力学研究

将SUS441不锈钢薄板和1060纯铝薄板交替叠放后,经“轧制复合—合金化退火”工艺制得Fe-Al金属间化合物基叠层(Fe-Al metal-intermetallic-laminate,Fe-Al MIL)复合材料。采用光学显微镜(optical microscope,OM)、扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)、X射线衍射仪(X-ray diffractometer,XRD)等设备测试了不同热处理制度下Fe-Al MIL复合材料的界面微观组织形貌、物相组成及化合物生长行为。结果表明:在640℃退火时,均匀层的主要物相为Fe_(2)Al_(5),且有原子分数为5%~6%的Cr固溶于该均匀层;在高于640℃退火时,除由Fe_(2)Al_(5)相组成的均匀层之外,化合物层还出现了明显的由Fe_(4)Al_(13)相和Cr_(2)Al_(13)相组成的两相层,且两相层交界处有Al_(5.50)Cr_(1.95)Fe_(2.55)相析出;金属间化合物的厚度随退火温度的升高及时间的延长而增加,Fe_(2)Al_(5)相的生长规律满足抛物线法则,其生长激活能为192.28 kJ/mol。

反对称斜交叠层板双向弯曲问题的横向基理论解

研究反对称斜交叠层板的双向弯曲问题。根据横向基理论 ,在厚度方向 ,给出了三个方向位移沿厚度的分布规律 ;在面内方向 ,采用升阶谱位移函数 ;然后 ,应用最小势能原理导出叠层板的静力控制方程。通过对多种层数和铺层角的层板力学响应计算分析表明 :在典型位置的应力分布 ,本文解与三维弹性解符合很好 。

超强韧性纤维混凝土的叠层修补试验研究

为了改善破损混凝土的修补工艺与修补质量,进行了超强韧性纤维混凝土进行叠层修补体系试验的研究.通过素混凝土与超强韧性纤维混凝土的修补体系的对比,研究了在试验中观察到的修补系统内部界面裂纹的扩展和分叉裂纹的捕获过程及产生机理.试验结果表明,超强韧性纤维混凝土叠层修补体系的承载能力和延性相对于传统混凝土的修补体系有了明显的改善,产生不同于传统的脱层失效模式或剥落失效模式.超强聚丙烯纤维混凝土作为叠层修补材料时会产生独特的多重裂纹破坏模式,该特征使其成为耐久性修补工程应用所需的理想材料.

振动辅助钻削对CFRP/钛合金叠层结构孔径阶差影响规律实验研究

在飞机部件装配过程中,CFRP/钛合金叠层结构的连接十分常见,而由于两种材料迥然不同的材料性能,导致制孔后存在孔径阶差,严重影响了CFRP/钛合金结构的疲劳强度。本文开展了低频轴向振动辅助钻削的正交实验,分析了低频振动辅助钻削工艺参数与切削力和切屑形态的关系以及工艺参数对CFRP/钛合金孔径阶差的影响。结果表明,由于低频振动辅助钻削刀具的周期性进给,钛合金切屑由连续长切屑变为扇形短屑,减少了对CFRP的扩孔效应,钻削区域切削热降低,平均轴向力降低;另外,振幅和进给量对孔径阶差的影响较为显著,而主轴转速的影响较小,且孔径阶差随着振幅的增大先减小后增大,随着进给量的增大而增大。通过试验验证和分析,确定面向孔径控制的最优工艺参数组合方案:主轴转速为600 r/min、进给量为0.02 mm/r、振幅为150μm。

冷却润滑方式对CFRP/钛合金叠层制孔刀具磨损的影响

碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon fiber reinforced polymer,CFRP)和钛合金组成的叠层结构由于其优良的机械性能在航空航天领域得到了广泛的应用。为了延长刀具寿命,本文在CFRP/钛合金叠层低频振动钻削试验中采用中心吹气、微量润滑技术(Minimum quantity lubrication,MQL)、水基冷却液和液氮冷却方法,研究冷却润滑方式对钻削温度、轴向力与刀具磨损的影响。试验结果表明,使用中心吹气时加工温度最高,使用液氮时加工温度最低,液氮冷却时轴向力最大,而使用水基冷却液时轴向力最小。水基冷却液对延长刀具寿命的效果最好,达到了66个孔,而液氮冷却时最差,只有12个孔。刀具主要的磨损形式为粘结磨损和磨粒磨损。

深冷处理对叠层穿刺C_(f)/Al基复合材料组织特征和拉伸性能的影响

以M40J-6K叠层穿刺结构碳纤维为增强体,ZL301合金为基体,采用真空气压浸渗法制备叠层穿刺C_(f)/Al基复合材料,研究单次深冷处理时间(6、12和48 h)、循环深冷处理次数(1、3和9次)对复合材料拉伸性能和组织特征的影响,并对拉伸性能提高的原因进行了分析。结果表明,深冷处理可以提高叠层穿刺C_(f)/Al基复合材料的拉伸性能,改善组织特征。单次深冷处理可以提高复合材料的抗拉强度,而对拉伸模量的影响较小,抗拉强度以深冷处理6 h时提高幅度最大,较无深冷处理下的559 MPa提高至664 MPa,提高了18.8%;当延长处理时间至12和48 h时,抗拉强度基本趋于稳定。与单次深冷处理相比,循环深冷可以进一步提高叠层穿刺C_(f)/Al基复合材料的抗拉强度和拉伸模量,3次循环深冷处理后的抗拉强度和弹性模量,较单次深冷下的676 MPa、125 GPa分别提高至706 MPa、138 GPa,分别提高了4.4%、10.4%;当继续增加深冷循环至9次时,抗拉强度和拉伸模量趋于稳定。深冷处理后叠层穿刺C_(f)/Al基复合材料应力释放及状态的改变、致密度提高、晶粒择优取向、基体位错密度增高是影响复合材料宏观拉伸性能的主要原因。

钛合金层和Ti_2AlC协同增强TiAl基叠层复合材料的耦合机制

以TC4钛合金板材(Ti-6Al-4V)作为强韧层,Ti C-Ti-Al混合粉末作为复合层,采用放电等离子烧结技术(SPS)制备TC4/Ti_(n+1)Al C_n-TiAl叠层结构复合材料(n=1或2)。研究了TC4/Ti Al基叠层复合材料组成、结构和力学性能。研究表明,碳化物的原位形成细化了复合材料层中Ti Al晶粒,抑制了界面反应,阻碍了裂纹扩展,对提高材料的断裂韧性有利。但随着碳化物含量的增加会导致材料的抗弯强度下降。当Ti_2Al C理论生成量为30wt%时,TC4/Ti^(n+1)Al Cn-Ti Al叠层复合材料的断裂韧度在垂直叠层结构受力方向(arrester orientation)上达到55.07 MPa·m^(1/2)。当Ti_2Al C理论生成量为10wt%时,TC4/Ti_(n+1)Al C_n-Ti Al叠层复合材料的抗弯强度在垂直叠层结构受力方向上达到1222.12 MPa。

室温累积叠轧Mg/Al多层复合板材的界面表征

通过室温累积叠轧技术制备了Mg/Al多层复合板材,借助SEM、EDS、TEM和同步辐射CT形貌观察等先进表征手段对累积叠轧Mg/Al金属复合板材界面结合进行表征,揭示累积叠轧Mg/Al金属复合板材界面宏观结合状态以及微观界面结构。结果表明,Mg/Al复合板材界面总体上结合良好,没有明显孔洞和开裂,但板材内部仍然存在一些孔洞和局部微小裂纹。3次循环后Mg/Al界面处形成了厚度为150 nm的Mg_(17)Al_(12)层。Mg和Mg_(17)Al_(12)之间存在一种确定的晶体学位相关系[111]Mg_(17)Al_(12)//[1210]Mg、(110)Mg_(17)Al_(12)//(1011)Mg,而Mg_(17)Al_(12)和Al之间是否有位相关系并不明显。

金属间化合物对累积叠轧Mg/Al多层复合板材断裂过程的影响（英文）

采用分步拉伸观测的方法研究了累积叠轧Mg/Al多层复合板材中界面金属间化合物对复合板材断裂过程的影响。结果表明:在单向拉伸过程中,Mg/Al界面处金属间化合物导致了裂纹的萌生和扩展,从而导致Mg/Al界面的分离;在后续拉伸过程中,由于Mg层强度较低,首先产生颈缩失效,致使整个样品提前断裂。

大化所制备出石墨烯基超级电容

近日，中科院大化所研究团队成功将二维噻吩纳米片与石墨烯叠层结构复合薄膜应用于高性能、柔性化、微型化超级电容器，有望在毫秒内完成对特定微器件充电。