粉末冶金纳米颗粒增强钛基复合材料研究进展

钛基复合材料(TMCs)作为新一代轻质高性能金属结构材料在航空、航天等重大装备领域展现出广阔的应用前景。与传统微米增强TMCs相比,纳米增强TMCs在强塑性协同与热变形能力等方面展现出更为显著的优势,但目前由于纳米增强体分散性和热稳定性等问题,材料的性能潜力尚未充分发挥。如何设计TMCs的复合体系和制备途径引入纳米增强体,并在热加工与热处理过程中保持稳定性,一直是纳米颗粒增强TMCs面临的严峻挑战。本文围绕粉末冶金纳米颗粒增强TMCs工艺特点、制备方法、组织特征与力学性能等方面分析研究现状和进展,指出纳米增强体分散性、热稳定性等制约其发展的基础问题,提出未来研究的发展方向。未来应侧重的研究方向有:(1)碳纳米材料增强TMCs的界面反应控制与热稳定设计;(2)纳米颗粒增强TMCs粉体的批量化低成本制备技术;(3)纳米颗粒增强TMCs专用热变形及热处理工艺研究;(4)纳米颗粒增强TMCs组织构型化设计及强韧化机理研究;(5)纳米颗粒增强TMCs材料其他关键力学性能研究。

介孔碳负载纳米金颗粒物复合材料的合成及应用进展

具有结构化孔道的介孔碳材料是纳米颗粒物良好的载体,可以有效抑制纳米颗粒物的聚集。在介孔碳上负载纳米金颗粒物(AuNPs)合成的复合材料具备大比表面积、优异的热稳定性、可调控的孔径和孔道结构、良好的分散性以及可再生性等多重优势。综述了介孔碳负载AuNPs复合材料的合成方法,如浸渍法、离子交换法、沉积沉淀法和溶胶-凝胶法等,以及复合材料在化学传感器、能源储存和分离吸附等领域的应用,介绍了透射电子显微镜、X射线衍射和电感耦合等离子体发射光谱等表征技术在揭示复合材料组成、结构和界面特性中的作用,指出复合材料与其他活性材料结合或将人工智能应用于复合材料的设计和优化是未来的研究方向。

纳米碳/铝复合材料强韧化研究现状及展望

以碳纳米管、石墨烯为代表的超高性能纳米碳,具有优越的力、热、电等综合性能,是复合材料的理想增强体,以纳米碳为强化相少量加入到铝中,有望开发出高强、高模、低热膨胀的复合材料,并使复合材料保持轻质、易加工等特性,在航空、航天、国防等领域具有重大的应用前景,因而以纳米碳/铝为代表的新一代铝基复合材料备受关注。然而,碳纳米管等纳米碳易团聚,与铝等大多数金属并不浸润,且容易分布在晶界上诱导显著的晶粒细化,使得复合材料的强韧性等关键性能指标提升困难,或者使强度提高的同时使塑韧性下降显著,限制了其工程应用潜力。综述近年来国内外研究者在纳米碳/铝复合材料强韧化方面的策略和方法,包括纳米碳分散、界面和构型调控等,以期推动新一代轻质高强纳米碳/铝复合材料的发展,支撑国家未来重大工程应用。

玄武岩纤维纳米改性对增强环氧复合材料绝缘与力学性能的影响

使用纳米氧化铝对玄武岩纤维进行表面改性,采用层压法制造改性玄武岩纤维/环氧树脂复合材料(BFRP),并研究纳米Al_(2)O_(3)含量对改性复合材料绝缘与力学性能的影响。结果表明:质量分数为1.0%的纳米Al_(2)O_(3)改性的玄武岩纤维复合材料(1.0K-BFRP)界面改性效果最佳。与未改性的复合材料相比,1.0K-BFRP的介质损耗因数降低了38.13%,沿面闪络电压提高了42.96%,击穿电压提高了33.96%,表现出更加优越的绝缘性能;拉伸强度、弯曲强度、层间剪切强度分别提高了26.46%、48.19%、66.06%,玻璃化转变温度提高了4.49℃。

高韧性环氧树脂的制备及在复合材料中的应用

为探究不同纳米核壳增韧粒子对环氧树脂及其复合材料性能的影响,选用了3种纳米核壳增韧剂与自制的改性酸酐固化剂结合,制备出具有高韧性的环氧灌注树脂组合料。在固化前,对比测试了所制环氧树脂组合料的外观、密度、黏度和环氧值,发现黏度受增韧剂的影响尤为显著。利用差示扫描量热分析仪和万能材料试验机测试了环氧树脂固化物在不同温度下的力学性能和热性能。通过扫描电子显微镜(SEM)分析了树脂增韧的机理。采用真空灌注工艺,将环氧树脂制备成高韧性环氧树脂/玻璃布复合材料,并测试了复合材料在不同温度条件下的性能。结果显示,使用纳米核壳增韧剂的改性树脂的玻璃化转变温度超过140℃,显示出良好的耐热性。特别是采用增韧剂MX125的树脂,在-50℃的低温下,拉伸强度达到96.2MPa,冲击强度为36kJ/m^(2)。对比测试不同纳米粒子含量的改性树脂,发现当纳米粒子质量分数约为15%时,改性树脂的冲击韧性达到最佳。SEM观察树脂断面的微观结构表明,当树脂受到冲击发生断裂时,纳米粒子会在树脂断面的表面形成空穴或残留颗粒,有助于提高树脂的韧性。

纳米材料增强植物纤维复合材料研究进展

对近4年来纳米材料增强植物纤维复合材料制备方法进行了综述。纳米材料增强植物纤维复合材料的制备方法主要包括硅烷偶联剂处理、溶胶-凝胶法、化学接枝法、横穿结晶技术和机械混杂法,总结了各种方法的优缺点,讨论了纳米纤维增强植物纤维复合材料制备过程中存在的问题,最后展望了纳米材料增强植物纤维复合材料未来的发展方向。

碳纳米材料增强镁基复合材料界面调控的研究进展

碳纳米材料(石墨烯、碳纳米管)具有卓越的机械性能、优异的热力学稳定性和导电性,被认为是金属基复合材料的理想增强体。将碳纳米材料与镁合金复合,能够解决镁合金强度低、硬度低和模量低等问题。然而,由于镁与碳纳米材料不发生化学反应且润湿性能差,导致镁与碳纳米材料增强体的界面强度低,限制了增强体性能的发挥。利用界面调控物质改善复合材料界面结合强度是一种常用的方法。本文主要介绍碳纳米材料增强镁基复合材料的制备方法及界面调节材料的种类,着重讨论界面调节物质添加到复合材料中的方法,界面调节物质分别与增强体和基体的界面结合情况及其改善复合材料界面结合强度的作用机理。

Nd:Bi_(2)WO_(6)/ZnS纳米复合材料的制备及其光学性能研究

采用简易的化学溶液法结合采用外延生长技术制备Nd:Bi_(2)WO_(6)/ZnS掺杂纳米复合材料。详细地研究了Nd:Bi_(2)WO_(6)/ZnS纳米复合材料的结构、光谱性质和光学性能。通过掺杂的策略,调控了Bi_(2)WO_(6)/ZnS复合结构的光学带隙调控,优化了样品对可见光的利用。当掺杂浓度为5 at%时,样品的禁带宽度最小,对可见光的吸收能力最强,此时产物的光致发光性能最低。

淀粉/黏土纳米复合材料应用进展

淀粉是地球上最丰富的天然聚合物之一,具有成本低、来源广泛、可完全降解、无毒等优点。但淀粉材料吸水性强、机械强度差等特点限制了其在许多领域的应用。近年来,淀粉/黏土纳米复合材料性能较纯淀粉体系材料有显著提高而受到广泛关注。综述了淀粉/黏土纳米复合材料的结构及制备方法,讨论了纳米黏土对淀粉机械性能、阻隔性能的增强作用,为淀粉的共混改性提供参考。介绍了淀粉/黏土纳米复合材料的应用现状,尤其是在食品包装与生物医疗领域的应用情况,最后对其未来发展前景进行了展望。

碳纳米管增强铝基复合材料界面与晶粒调控研究进展

随着碳纳米管增强铝基复合材料制备工艺的不断完善,碳纳米管的难分散问题被妥善解决,复合材料的强度有所提高,但复合材料的高模量、高强度没有得到充分利用,并出现“强度–塑性”倒置现象。本文总结了近年来对碳/铝复合材料界面结构、晶粒结构与复合构型设计的调控手段,讨论了界面结构强度对碳纳米管载荷传递效率的影响,分析了出现倒置现象的原因,并针对复合材料塑韧性差的问题,提出了调控思路,为制备强度高、韧性强的碳纳米管增强铝基复合材料提供依据。

连续纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料低成本制备工艺研究进展

连续纤维增强陶瓷基复合材料具有低密度、高强度、耐高温等优异性能,已被广泛应用于航空航天、国防军工和新兴民用等领域,但连续纤维增强陶瓷基复合材料制备工艺大多存在成本较高、周期过长等问题,限制其应用和推广,发展低成本制备工艺是推动连续纤维增强陶瓷基复合材料广泛应用的关键。本文简要介绍了连续纤维增强陶瓷基复合材料制备工艺现状,总结了反应熔渗、纳米浆料浸渗瞬时共晶、浆料浸渗结合热压等低成本工艺的研究现状,围绕制备工艺优化、复合材料微观结构和性能等方面进行综述,提出了低成本制备工艺的未来研究方向,如熔盐法制备超高温陶瓷界面和反应诱导相分离制备具有孔隙结构均匀的多孔基体,可显著提升连续纤维增强陶瓷基复合材料的综合性能。

SiCp/Al复合材料纳米压痕/划痕下的脆塑性行为研究

为探究SiCp/Al复合材料中两相材料相互作用引起的力学性能差异,研究微观尺度下法向载荷变化对SiCp/Al复合材料形变和去除的影响。采用纳米压痕实验,基于Oliver-Pharr法测得其硬度和弹性模量,并对其压痕表面进行观察,结合有限元仿真分析产生力学性能差异的原因;同时,根据纳米压痕实验所得力学参数进行变载荷纳米划痕仿真,并配合实验后划痕表面观察结果分析材料的形变和脆塑性行为。结果表明:当金刚石压头作用于SiC颗粒时,颗粒出现破碎和二次压入现象,所测硬度与弹性模量小于单晶SiC的理论值;当金刚石压头作用于基体相时,由于SiC颗粒阻碍基体压入,复合材料的硬度与弹性模量测量结果偏大。在纳米划痕过程中,复合材料的去除形式随载荷变化体现为划擦、耕犁和切削阶段,其中的基体相通过塑性流动产生塑性脊堆积并伴随有涂覆现象,SiC颗粒则以脱黏、断裂破碎和拔出等脆性机制而去除,且SiC颗粒的二次压入、断裂、破碎和拔出是导致复合材料力学性能与单晶SiC的力学性能产生巨大差异的主要原因。随着划痕载荷增加,SiC体积分数为45%的SiCp/Al复合材料的去除机制更多取决于以塑性去除为主的基体相,而SiC颗粒则主要表现为脆性去除。

石墨烯和碳纳米管增强铜基复合材料的研究进展

本文回顾了碳纳米管(CNT)和石墨烯(Gr)增强铜基复合材料的研究进展,探讨了这些复合材料的制备方法、性能提升机制及潜在应用前景。CNT和Gr因独特的物理化学特性,作为铜基复合材料的理想增强相,显著提升了材料的力学性能、导电性和热导率。首先回顾了铜基复合材料的传统制备技术,包括粉末冶金法和机械合金化法,随后介绍了新兴的化学气相沉积(CVD)和电沉积法,这些技术通过直接生长或电化学沉积实现更好的界面结合。对比分析了不同方法的优缺点,指出粉末冶金和机械合金化的成本较低但可能引起增强相分布不均,而CVD法虽能制备高质量材料但成本较高且环境影响敏感。进一步分析了CNT和Gr在铜基体中的分散性及界面结合对性能的影响,强调了良好分散性和强界面结合的重要性。在力学性能方面,CNT和Gr的分散性和界面结合对复合材料的强化机制起着关键作用,包括载荷转移、晶粒细化和Orowan强化等。此外,讨论了CNT和Gr增强铜基复合材料在耐腐蚀性、磨损性能及热管理等方面的应用潜力。尽管存在挑战,但这些复合材料在电力传输、电子器件和航空航天等领域显示出巨大应用前景。未来的研究将集中于微观结构控制、制备工艺创新和多功能复合材料开发,以实现更高性能的工业应用。

纳米颗粒填充玻璃纤维增强环氧树脂复合材料的力学性能

为探究纳米颗粒[纳米氧化铁(NFe)、纳米二氧化硅(NS)、多壁碳纳米管(MWCNT)]填充玻璃纤维增强环氧树脂复合材料(GFRP)的力学性能,对纳米颗粒质量分数分别为0.1%、0.2%、0.5%、1.0%的纳米颗粒/GFRP材料开展了拉伸、压缩、弯曲及冲击力学性能试验,并结合扫描电镜(SEM)分析了纳米颗粒的种类及质量分数对试件力学性能的影响规律。结果表明,随着纳米颗粒质量分数的增加,试件拉伸强度均先增大后降低,纳米颗粒的良好分散性及与树脂间的黏聚力能够提升试件的拉伸强度,但过量纳米颗粒的掺入会形成积聚现象,使得试件拉伸强度降低。相较于GFRP试件,掺入纳米颗粒的质量分数为0.1%、0.2%、0.5%和1.0%时,MWCNT/GFRP抗压强度的增幅分别为25.31%、36.04%、26.84%和27.25%,弯曲强度的增幅分别为58.74%、63.21%、40.89%及43.11%,纳米颗粒的掺入使得试件抗压强度、弯曲强度、冲击强度均得到改善,颗粒种类及质量分数的不同使得试件力学性能提升效果存在差异。SEM试验结果表明,外荷载作用下纤维出现断裂、分层现象,纤维与纳米颗粒间存在的摩擦效应增强其力学性能,颗粒的积聚使得试件力学性能降低。

金磁纳米复合材料对胃癌细胞和肿瘤生长抑制作用的研究

目的利用体内和体外实验探讨金磁纳米复合材料对胃癌的抑制作用。方法将胃癌细胞分为Ctrl组(不添加任何纳米材料)和实验组(金磁纳米材料处理)。采用噻唑蓝(MTT)法检测细胞增殖活力;细胞周期检测试剂盒检测细胞G1期、G2期、S期的细胞比例;Western blot检测细胞中细胞增殖核相关抗原(Ki67)、细胞周期蛋白D1(CyclinD1)、切割模式的半胱天冬酶3(cleaved-caspase 3)、B细胞淋巴瘤-2(Bcl-2)、Bcl-2相关X蛋白(Bax)、血管内皮生长因子A(VEGF-A)、基质金属蛋白酶(MMP)-2、MMP-9、神经钙黏蛋白(N-cadherin)、上皮钙黏蛋白(E-cadherin)的表达水平。将30只成年C57BL/6小鼠均接种胃癌细胞,待肿瘤体积达100 mm3后随机分为空白组(尾静脉注射100μl PBS)、观察组(尾静脉注射100μl 2 mg/ml的光热磁纳米材料)及对照组(尾静脉注射100μl 2 mg/ml的光热碳纳米材料),每组10只。采用近红外激光照射小鼠的整个肿瘤区域,30 d后测量3组小鼠肿瘤体积和质量的变化。结果实验组和Ctrl组SNU-16及KWS-1细胞培养7 d的细胞增殖活力均高于同组同类型细胞培养3 d,实验组SNU-16和KWS-1细胞培养3 d及7 d的细胞增殖活力、S期细胞比例、Ki67、CyclinD1、Bcl-2、VEGF-A、MMP-2、MMP-9、N-cadherin表达水平均低于Ctrl组,G1期细胞比例、Bax、cleaved-Caspase 3及E-cadherin表达水平均高于Ctrl组(P<0.05)。空白组、对照组和观察组小鼠第30 d肿瘤质量和肿瘤体积均依次下调(P<0.05)。结论金磁纳米复合材料化疗治疗对肿瘤细胞的杀伤率更高,肿瘤体积更小。金磁纳米复合材料对胃癌细胞具有抑制作用。

高分子纳米复合材料在水基钻井液中的研究进展

传统高分子聚合物材料难以满足日益复杂的井下环境要求,而无机纳米材料又存在分散性不足的缺陷,将纳米材料接枝到聚合物链上或将聚合物嵌入纳米材料中形成高分子纳米复合材料,可发挥两种材料的协同增效作用,进而提升水基钻井液的综合性能。文章介绍了高分子纳米复合材料在改善水基钻井液流变性、优化封堵降滤失性、增强封堵防塌性方面的应用,总结了其作用效果及作用机理。高分子纳米复合材料改善钻井液流变性的机理包括聚合物增强固体纳米颗粒在钻井液中的分散性、增加流体层间内摩擦力、通过聚合物与黏土颗粒之间的氢键和静电相互作用形成空间网络结构等。优化钻井液封堵降滤失性的机理包括利用无机纳米材料对微孔进行封堵,形成致密的泥饼,利用聚合物的强吸附性和两亲性,在泥饼表面形成疏水膜等。增强钻井液封堵防塌作用的机理包括纳米颗粒桥接和堵塞页岩纳米孔隙,形成致密屏障,阻止水分子侵入页岩;聚合物链上的多功能基团在黏土表面形成竞争吸附,降低黏土对水分子的吸附;成熟聚胺类聚合物的氨基嵌入和阳离子压缩双电层的综合作用,强化页岩水化抑制性能。提出了高分子纳米复合材料面临的挑战,如大规模生产过程中无机纳米颗粒在聚合物基质中可能出现的分散不均匀问题。最后,从降磨减阻、储层保护和可持续性3个方面对高分子纳米复合材料的研究方向进行了展望。

高模量高强韧碳纳米管/铝合金复合材料研究进展

碳纳米管/铝合金(CNT/Al)复合材料作为新一代航天航空和武器装备用新型轻量化结构材料的典型代表,近年来其制备技术与应用技术研究都取得了长足进展。本文首先综述CNT/Al复合材料各种制备技术与工程化瓶颈,重点介绍可工程化的叠片粉末冶金与元素合金化相结合的基元组装制备技术,分析该技术制备的大尺寸CNT/2A12Al复合材料在室温与高温下的力学性能与阻尼性能;其次阐述CNT/Al复合材料的强韧化原理,重点介绍CNT晶内化分布与晶粒异构构型这2种可实现强塑性同步提升的强韧化策略;最后展示该复合材料的变形加工以及应用技术研究进展,并展望该材料的应用前景和未来研究重点。

基于纳米氮化硼-聚氨酯/玻纤三维骨架的环氧导热复合材料性能研究

纤维增强环氧树脂比重小,比强度高,固化收缩率低,耐腐蚀性能优异,被广泛应用于航空航天等领域。受到特殊加工工艺和电子电力行业散热需求的影响,产品对材料导热性能的要求日益严格。本研究以阻燃聚氨酯开孔泡沫(PUF)为模板,在其中引入纳米氮化硼(BNNS)进行改性,并采用浸渍-热压成型法制得低填充氮化硼-聚氨酯/玻纤/环氧导热复合材料,以研究不同BNNS用量对复合材料热性能和电气性能的影响。结果表明,BNNS原位生长在PUF的三维骨架表面,随着BNNS用量的增加,复合材料的热性能显著提高。当氮化硼纳米片含量为1vol%时,复合材料热导率可达0.53 W/(m·K),提高了103%,同时其线膨胀系数降低了77.6%。当BNNS含量为0.5vol%时,复合材料玻璃化转变温度提升了13.5℃,并具有最佳的热稳定性和力学性能。此外,得益于氮化硼自身优异的绝缘性,复合材料的体积电阻率提升至7.2×10^(15)Ω·cm,且耐电弧性能也有明显提升。

纳米MnO_(2)复合材料制备及其光催化性能的研究

相关研究主要研究了纳米MnO_(2)复合材料在光催化领域的应用。首先,通过水热法制备出了纳米MnO_(2),并对其进行了表征。接着,制备了MnO_(2)/活性炭和MnO_(2)/硅藻土两种复合材料,并对其进行了结构和性能的表征。实验结果表明,纳米MnO_(2)复合材料具有较好的全光谱响应性能和光催化效率,有望在废水处理等领域得到广泛应用。此外还深入探讨了纳米MnO_(2)复合材料的内在机制,包括光吸收与能量转化过程、电子行为和稳定性等方面。通过这些研究,可以为提高光催化效率、拓展应用领域提供重要的理论依据和技术指导。

微量Ni对W-Cu纳米复合材料制备及热性能影响研究

采用化学共沉淀法和氢气还原工艺制备了钨铜纳米复合粉体,通过放电等离子烧结技术在不同温度下实现了钨铜合金的快速烧结,研究了微量活性剂Ni的添加对钨铜复合粉体形貌、烧结行为以及合金性能的影响。结果表明:微量Ni(0.5%)的添加使复合粉体粒径长大更充分且颗粒分布更加均匀;当烧结参数为温度970℃、压力120 MPa、保温时长10 min的最优值时,W-20%Cu-0.5%Ni粉体经SPS烧结后,合金中W颗粒平均晶粒为362.9 nm,相对密度为97.7%,孔隙率为2.10%,显微硬度为474.74HV,以上性能均优于相同SPS工艺制备的W-20%Cu合金。