熔体过热度对Zr基非晶合金力学性能和热稳定性的影响

采用吸铸法制备Zr_(70)Cu_(13.5)Ni_(8.5)Al_(8)非晶合金,采用同步差示扫描量热仪(DSC)和万能试验机对非晶合金显微结构进行表征和力学性能测试,并利用XRD和SEM对试样的相组成和剪切带观察。研究发现:随着吸铸功率增加,热稳定性、玻璃形成能力不断提高;Zr_(70)Cu_(13.5)Ni_(8.5)Al_(8)非晶合金的锯齿流变现象越明显,综合力学性能越好,其中吸铸功率8 kW时,试样的屈服强度、抗压强度和塑性达到最值,室温综合力学性能最好,且剪切带分布情况最好,但是继续提高吸铸功率,力学性能反而变差。

铋酸盐封接玻璃的研究及其连接应用现状

无铅低温封接玻璃由于具有绿色安全、成本低、封接温度低等优势,被广泛应用于航空航天、电真空、集成电路等领域。在磷酸盐、钒酸盐、硼酸盐和铋酸盐等多种封接玻璃体系中,因铋与铅具有相似的性质特点,使得铋酸盐玻璃成为最有可能替代铅酸盐玻璃的绿色玻璃钎料。综述了铋酸盐玻璃的成分和性能调控、网络结构的研究现状,介绍了目前使用铋酸盐封接玻璃进行金属、陶瓷同质/异质材料连接的研究进展,最后对未来的发展趋势进行了展望。

Li_(2)O/Na_(2)O对YAS微晶玻璃结构、析晶与力学性能的影响

透明微晶玻璃由于优异的力学性能被广泛应用于电子领域。本文采用熔融法制备了不同质量分数Li_(2)O和Na_(2)O的Y_(2)O_(3)-Al_(2)O_(3)-SiO_(2)(YAS)微晶玻璃,通过Raman、DSC、XRD、FESEM、UV-VIS-NIR等测试方法研究了其结构特征、析晶与力学性能。结果表明:当碱金属氧化物R_(2)O(R=Li,Na)总量保持不变,随着Li_(2)O取代Na_(2)O含量的增加,YAS微晶玻璃的转变温度、软化温度和结晶峰温度逐渐降低,Q^(4)基团对应的含量逐渐减少,说明Li_(2)O作为网络外体使YAS微晶玻璃结构逐步解聚,玻璃的析晶能力逐渐增强。在同一热处理制度下,随着Li_(2)O取代量的增加,YAS微晶玻璃维氏硬度显著提升,而透过率明显下降。在680℃/10 h+750℃/1 h热处理制度下,可以制备出晶体大小一致且分布均匀的以钇稳定氧化锆为主晶相的透明YAS微晶玻璃,此时2%(质量分数,下同)Na_(2)O+4%Li_(2)O YAS微晶玻璃具有良好的综合性能,如维氏硬度为646 HV,断裂韧性为1.07 MPa·m^(1/2),透过率为85.7%,在诸多领域具有巨大的应用潜力。

掺银硫系玻璃光电探测器响应波长特性研究

由于硫系玻璃具有良好的光学性质,在非线性光学等方面研究广泛,但基于硫系玻璃光电探测器的相关研究却很少。本文利用真空共热蒸发技术制备了不同掺银比例的硫系玻璃薄膜作为半导体膜层结构,并设计构建了金属-绝缘体-半导体结构的自供电光电探测器,探究了该光电探测器的响应光谱范围。结果表明,该探测器对可见光到近红外区域的光均有响应。针对掺银硫系玻璃光电探测器在635 nm波长激光下,研究了探测器响应电压与激发功率之间的关系。当激光功率小于10 mW时,探测器响应电压与激发功率线性相关;当激光功率大于10 mW时,探测器响应电压逐渐饱和。探测器的上升和衰减时间分别为3.932 s和1.522 s。本研究为硫系玻璃材料在自供电光电探测器领域的应用提供了证明。

深冷循环热处理下锆基金属玻璃的回春行为调控

研究Zr_(55)Cu_(30)Ni_(5)Al_(10)(摩尔分数,%)金属玻璃在深冷循环处理过程中的回春行为。实验发现,随着循环次数的增加,样品的回春程度更高,表现为更高的弛豫焓与更低的密度。回春程度经200次循环后逐渐饱和,这可能与非晶结构中有限的自由体积含量有关。同时,高循环次数下的样品硬度更低,塑性更好,这与其剪切转变区体积增大有关。此时,更低的剪切面形成能有利于多重剪切带的形成。此外,还发现自由体积含量与样品塑性应变及剪切转变区体积呈线性关系。分子动力学模拟结果还表明,在高冷速下回春程度高的样品会发生原子体积的饱和。

钆含量对Fe-B-Nb-Gd非晶合金磁学性能和氧化机制的影响规律

研究了Gd含量对(Fe_(73)B_(22)Nb_(5))_(100–x)Gd_(x)(x=0,0.5,1.0,1.5,2.0)合金非晶形成能力、热稳定性和磁学性能的影响规律,并对比分析了非晶氧化机制.通过添加Gd元素,合金的原子尺寸差超过13%,构型熵增大了30%,提升了合金的非晶形成能力.随着Gd含量的增大,过冷液相区范围达到73 K,热稳定性得到明显增强.Gd元素导致合金局部各向异性受到限制,准位错偶极子型缺陷密度降低.这有效减少了阻碍磁畴壁旋转的钉扎位点,提高合金软磁性能.此外,Gd元素使得非晶在氧化过程中对温度的变化更为敏感,达到最大氧化速率的温度降低了15 K,但是并未恶化其抗氧化性能.Gd原子受结合能影响向表层迁移,形成的富Gd氧化物填充了表层缺陷,占据了大量顶部空间,合金表面附近的结构更加致密.这种结构减少了氧原子通过微观组织界面进行扩散的通道,有助于增强抗氧化性能.

退火处理对Pt基块体金属玻璃塑性动力学行为的影响

采用退火的热诱导方法向Pt基块体金属玻璃(Pt-BMG)基体内原位引入纳米晶,通过纳米压痕实验,考察了Pt-BMG在铸态和在玻璃转变温度Tg之上(250℃)退火15 min,2 h和6 h的力学性能和塑性动力学行为.研究结果表明,退火时间从15 min增加到6 h时,Pt-BMG的结晶度从34%增加到57%,平均晶粒尺寸从25.6 nm增加到38.3 nm,硬度和折合模量分别从5.66 GPa和133.83 GPa增加到8.65 GPa和182.89 GPa,同时载荷-位移曲线上的锯齿流变行为呈现从可明显观察到不连续的位移突变到比较平滑的变化规律.通过分子动力学模拟进一步证明,随着纳米晶尺寸的增加,剪切转变区的激活与剪切带的成核呈现先促进后抑制、先增加后减小的趋势.这是由于金属玻璃在塑性变形过程中,小尺寸纳米晶会被剪切带所包裹或溶解,促进了金属玻璃塑性变形的形成;而大尺寸纳米晶在承受载荷时,在晶体内部产生了位错和滑移,进一步抑制了剪切带的成核与传播.本文结合纳米压痕实验和分子动力学模拟,从原子尺度上揭示了纳米晶的尺寸影响非晶合金塑性变形的内在机理,为设计理想性能的金属玻璃提供了有效的实验基础与理论支撑.

激光表面处理对工业级锆基块体非晶合金塑性变形能力的影响

目的针对工业级Zr_(49.7)Ti_(2)Cu_(37.8)Al_(10)Er_(0.5)块体非晶合金受到原材料中杂质元素和制备环境中氧元素的影响,其本征塑性变形能力较差的问题,研究激光表面处理对工业级Zr_(49.7)Ti_(2)Cu_(37.8)Al_(10)Er_(0.5)块体非晶合金在压缩和拉伸条件下塑性变形能力的影响。方法采用低纯原料制备工业级母合金锭子,利用铜模铸造法在低真空环境下制备工业级非晶合金试样,采用激光法对试样进行表面处理,利用万能试验机对激光处理试样的压缩和拉伸力学性能进行测试。通过X射线衍射仪和电子探针对试样的微观组织结构进行表征,采用扫描电镜对力学测试失效后试样的形貌进行微尺度观察。结果经激光表面处理后影响区的深度约为150μm,在影响区内铜元素的含量有所降低,但依然为非晶结构。在压缩条件下,未经激光表面处理的工业级Zr_(49.7)Ti_(2)Cu_(37.8)Al_(10)Er_(0.5)块体非晶合金的塑性应变为0,断裂强度为1534 MPa。经过激光表面处理后,试样具有1%的塑性应变,屈服强度为1337 MPa,断裂强度为1562 MPa。在拉伸条件下,激光表面处理前后工业级块体非晶合金的塑性应变均为0,断裂强度也无明显变化,其平均值为1379 MPa。结论通过激光表面处理在工业级Zr_(49.7)Ti_(2)Cu_(37.8)Al_(10)Er_(0.5)块体非晶合金试样表面引起的成分变化和引入的残余应力状态,能够有效促使压缩载荷作用下剪切带的萌生,提高其压缩塑性变形能力。

基于融合策略的块体金属玻璃形成能力预测

提出一种融合策略来提高随机森林(RF)、k近邻(KNN)、梯度提升决策树(GBDT)和极端梯度提升(XGBoost)模型预测块体金属玻璃(BMGs)形成能力(GFA)的准确性。该策略使用训练好的卷积神经网络(CNN)模型提取来特征向量,且合金的成分信息是唯一的输入变量,不需要通过实验获得其他物理和化学特性。此外,通过网格搜索方法和k折交叉验证对RF、KNN、GBDT和XGBoost模型的超参数进行了优化。结果表明,本文作者提出的4种融合模型CNN-RF、CNN-KNN、CNN-GBDT和CNN-XGBoost比上述4种机器学习模型(即RF、KNN、GBDT和XGBoost模型)预测精度更高,这表明训练好的CNN模型比人工特征提取更为高效。此外,与已报道的机器学习模型和GFA判据相比,本文作者提出的融合模型可以更精准地预测金属玻璃的形成能力。

超快差示扫描量热数据的俯视法分析

超快差示扫描量热仪是第三代差热分析技术,可以实现最高60000 K/s的超快速加热和最高40000 K/s的超快速冷却,适合对熔点小于1000℃的物质或材料进行速率跨越五个数量级的反复原位升降温测试.该仪器独特的高速率在满足人们观测样品中毫秒尺度上的结构转变需求的同时,也产生大量的数据.本文提出一种“俯视图”的数据分析方法,即将热流投影到温度-速率或温度-时间的平面,然后用颜色衬度代表热流强弱.该方法有效地解决速率或时间在“侧视图”上难以被区分和量化的问题,实现同时观测几个物理现象和比较其动力学行为的目的.本文以一种Au基非晶合金为例,从4篇代表性文献中的“侧视图”上采集数据,重新绘制出“俯视图”,比较两者的优缺点.上述方法具有普适性,适合对任何物质或材料的超快差示扫描量热数据进行分析.不仅如此,“俯视图”也为构建新材料的工艺相图、发现新的结构转变和探索不同物理现象的动力学行为提供支持和帮助.本文数据集可在https://doi.org/10.57760/sciencedb.j00213.00012中访问获取.

NiNb金属玻璃原子结构和力学性能的分子动力学研究

采用分子动力学模拟的方法,对不同成分的NiNb合金进行原子结构和力学性能方面的研究。通过对降温过程中玻璃转变温度的变化和高温熔体混合焓、混合熵的变化对比发现,在成分点c_(Ni)=0.65前后,合金表现出截然不同的变化趋势。同时利用双体分布函数,配位数,Warren-Cowley参数,键对分析,准近邻原子等方法对NiNb合金进行原子结构相关分析,发现在c_(Ni)=0.65前后,部分结构参数也表现出不同趋势,说明在此成分点前后,NiNb金属玻璃在原子结构上差异较大。综合热力学和结构参数的变化,c_(Ni)=0.65可能是两个合金体系的分界点,c_(Ni)=0.65之前为Nb基,c_(Ni)=0.65之后为Ni基。最后对力学性能进行了模拟,发现力学性能的表现主要和不同成分下NiNb之间的结合方式相关。此项研究有利于加深对金属玻璃原子结构和力学性能的理解。

利用不锈钢渣制备微晶玻璃的研究进展

工业的快速发展导致固体废弃物逐年增加,由其带来的环境与资源问题不容忽视。利用工业固体废弃物制备微晶玻璃材料是固废资源化利用的重要途径之一,同时,该方法还可实现有害重金属元素的固化,减少环境危害。本文基于不锈钢渣的来源与特性,对比分析了不锈钢渣无害化处理的常见方法。针对不锈钢渣的无害化处理和资源化利用问题,重点综述了利用不锈钢渣制备微晶玻璃过程中主要成分对材料结构与性能的影响;另外,基于微晶玻璃对重金属元素的固化研究现状,重点讨论了微晶玻璃对不锈钢渣中Cr、Ni、Mn重金属元素的固化;最后对不锈钢渣无害化处理与资源化利用的未来研究方向进行了展望。

冷却润滑对金属玻璃钻削特征及可加工性的影响研究

金属玻璃钻削高温极易导致光发射、大毛刺和孔烧蚀等严重问题。研究锆基金属玻璃在干切削、冰冻切削和切削油条件下的钻削过程、钻削特征及孔质量,通过对比三种冷却润滑条件下的轴向力动态变化过程、钻削能、刀具磨损以及孔口毛刺,提出适用于金属玻璃钻削加工的工艺方法。研究结果表明:刀具磨损积累与热软化是影响金属玻璃钻孔过程及轴向力动态变化的主要因素;干切削会使孔材料处于过冷液态,导致孔无法成形。金属玻璃入口孔毛刺主要为冠状和无规则扭曲形毛刺;出口孔毛刺主要为冠状毛刺。冰冻切削仅适用于低速钻削金属玻璃;切削油条件下高速钻削金属玻璃可获得最佳孔口质量和最长刀具寿命。

非晶合金结构演变影响玻璃形成能力的分子动力学研究

通过分子动力学方法模拟了Ti_(75)Al_(25)、Ni_(50)Zr_(50)和Cu_(50)Zr_(50)非晶合金的玻璃转变过程,得到并分析了平均原子体积和双体分布函数等结构参数,并应用Voronoi多面体指数分析法统计了玻璃转变过程中二十面体及类二十面体团簇的数量,通过分析团簇在玻璃转变过程中种类和数量的涨落趋势,研究了非晶原子由短程序连接至中程序再至长程无序的动力学演化过程.结果表明,非晶合金的玻璃形成能力以及塑性变形能力与动力学演化过程中Voronoi团簇的种类和数量密切相关.在玻璃转变过程中局部五次对称性高的团簇倾向于连接在一起形成链,从而密排整个空间,降低系统的动力学行为从而提高玻璃形成能力.塑性形变倾向于发生在局部五次对称性较低的区域.在玻璃转变温度附近团簇种类和数量的突变反映出非晶合金的自组织临界行为,蕴含着丰富的非线性动力学现象.

脉冲激光焊接Zr基非晶合金晶化后纳米压痕行为

试验采用脉冲激光束将Zr基非晶合金与铝结合,研究焊接接头中非晶合金晶化后的纳米压痕变形行为。该文从自由体积与塑性变形能量耗散的角度详细分析了不同晶化相含量对变形行为的影响。焊接接头不同区域的微区X射线衍射研究表明,由于不同的冷却速率可形成3个不同的结晶度区域,焊缝由部分结晶区域(熔合区和热影响区)和非晶态区域(BMGs母材)组成,并且形成了Zr2Cu和Zr2Ni等硬质金属间化合物。该文讨论了压痕周围的锯齿状流动行为和堆积形态,验证了非晶合金中,自由体积越大的区域在纳米压痕过程中呈现出更明显的锯齿,结晶率最高的熔合区具有最高的纳米压痕硬度和约化弹性模量。在1600~3100μN压痕载荷范围内,纳米压痕中的塑性变形能耗随压痕载荷的增大而增大。

可伐合金预氧化工艺对金属-玻璃封接气密性的影响研究

可伐合金和硅硼玻璃是通过可伐合金表面的氧化物与玻璃互溶而紧密结合在一起的,因此可伐合金的预氧化工艺是金属-玻璃封接的关键工序,是直接影响金属-玻璃封接气密性的重要因素。基于空气预氧化方法分析预氧化温度、时间、曲线等工艺因素对可伐合金在空气中预氧化及封接外壳气密性的影响。结果表明,可伐合金在空气中的氧化层厚度随温度和时间单调增加,在500~550℃空气气氛中氧化15~20 min,可伐合金表面形成0.7~1.6μm厚的氧化层,金属-玻璃封接外壳可获得较高的气密可靠性。

微量氮元素添加对Zr基非晶合金力学性能影响的研究

采用铜模吸铸法,成功地制备了直径3 mm的(Zr_(55)Cu_(30)Al_(10)Ni_(5))_(100-x)N_(x)(x=0、0.5、1.0、1.5、2.0)非晶合金棒材。利用氮氧分析仪、X射线衍射仪、差示扫描量热仪、万能试验机、显微硬度计和扫描电镜等手段,系统地研究了氮含量对(Zr_(55)Cu_(30)Al_(10)Ni_(5))_(100-x)N_(x)非晶合金的力学性能的影响。同时,对氮元素添加时非晶合金体系的剪切带与断口形貌进行了分析讨论。结果表明:不同氮含量的(Zr_(55)Cu_(30)Al_(10)Ni_(5))_(100-x)N_(x)合金中,氮含量(原子百分数)分别为0.08%、0.49%、1.18%、1.48%、1.73%;在添加微量氮元素前后,块体合金(Zr_(55)Cu_(30)Al_(10)Ni_(5))_(100-x)N_(x)均呈现完全非晶结构;原始Zr_(55)Cu_(30)Al_(10)Ni_(5)非晶合金的显微硬度值为478.62 HV,添加氮元素后显微硬度随氮含量增加而递增,显微硬度最高为519.16 HV;添加氮元素前,Zr_(55)Cu_(30)Al_(10)Ni_(5)合金的抗压强度为1738 MPa、塑性形变量为2.1%;当x=0.5时,抗压强度降至1719 MPa、塑性形变量降至1.0%;当x≥1.0时,抗压强度持续下降且塑性较差。

氧化镉对CMAS系微晶玻璃结构与性能的影响

利用熔融法制备了CaO-MgO-Al_(2)O_(3)-SiO_(2)系微晶玻璃,探索氧化镉的不同添加量对玻璃析晶以及机械性能的影响。随着CdO的加入,微晶玻璃的密度不断增加达到2.94 g/cm^(3),而抗折强度、维氏硬度先增加后减小,当CdO的添加量为2.2 wt%时,抗折强度和维氏硬度达到最大值,分别为138 MPa和20.07 GPa。镉的浸出浓度最高为0.036 mg/L低于危险废物最高浸出浓度。结果表明,添加适量的CdO能够促进玻璃析晶并且提高微晶玻璃的机械性能,同时微晶玻璃也能够有效稳定有毒重金属。

玻璃纤维/环氧树脂/不锈钢网复合材料性能研究

为研究金属网厚度、金属网粒度、上层预浸料厚度和铺层角度对复合材料力学性能的影响。制备了1.8 mm厚度的9组玻璃纤维/环氧树脂/不锈钢网复合材料,对其进行正交试验仿真分析,并与试验结果对比。结果表明:仿真与试验的最大偏差为4.36%,证明仿真结果可靠。当金属网厚度为0.4 mm,粒度为590μm,上层预浸料厚度为0.9 mm,铺层角度为0°时力学性能最优。

ZIF-62(Co)玻璃催化活化过一硫酸盐降解水中微污染物

近年来,在水处理领域中,利用高级氧化技术去除水中有机污染物引起了研究者的广泛关注.双氧水、过一硫酸盐(PMS)和过二硫酸盐(PDS)等氧化剂可以被含Fe,Mn,Cu和Co等过渡金属的催化剂活化,并通过产生的活性氧物质、高价金属或直接电子转移等途径实现污染物高效降解.其中,Co被认为是活化过硫酸盐最有效的物种之一.粉体ZIF-67和ZIF-9等Co基金属有机框架(Co-MOFs)在水体污染物去除方面得到了广泛关注,但面临稳定性差及回收困难等问题.经熔融-淬火工艺所制备的无定形MOF玻璃颗粒克服了粉体材料难以回收再利用的缺点,同时保持了其中催化位点的高活性.本文利用MOF玻璃作为非均相催化剂实现高级氧化降解水体微污染物,研究了其催化活化性能及反应机理.本文采用熔融-淬火方式将ZIF-62(Co)晶体转化成ZIF-62(Co)玻璃(ag-ZIF-62(Co)),并研究了ag-ZIF-62(Co)活化PMS降解磺胺甲恶唑(SMX)等微污染物的性能.粉末X射线衍射、傅里叶变换红外光谱、X射线光电子能谱(XPS)等表征结果表明,熔融-淬火过程使结构有序的ZIF-62(Co)晶体变成无定形的玻璃态ag-ZIF-62(Co),但并未破坏其中的有机配体和Co-N键.ag-ZIF-62(Co)可以在较宽的溶液pH范围(3.0-9.0)内高效催化活化PMS降解SMX等污染物.由于ag-ZIF-62(Co)玻璃活化PMS产生的SO_(4^(•-))自由基有可能被溶液中碳酸氢根消耗,所以溶液中的碳酸氢根浓度越高,SMX的降解效率越差.水中的氯离子会诱导产生HClO,从而提高ag-ZIF-62(Co)活化PMS降解SMX的效率.其他阴离子(如硝酸根、硫酸根与磷酸二氢根等)对ag-ZIF-62(Co)活化PMS降解SMX的效率无明显抑制或促进作用.利用自来水配制模拟含SMX废水,研究其中存在的多重阴离子和阳离子对ag-ZIF-62(Co)活化PMS降解SMX性能的影响.结果表明,ag-ZIF-62(Co)在30 min内对低浓度(1.0 mg/L)和高浓度(5.0 mg/L)SMX的降解效率均保持较高的水平.捕捉实验、电子自旋共振和自由基定量等实验证明了硫酸根自由基与单线态氧是降解SMX的主要活性物种.结合电喷雾质谱结果提出了SMX的降解路径,并评估了中间产物的毒性.利用XPS分析了ag-ZIF-62(Co)反应前后Co的价态变化,并结合其他实验结果阐明了硫酸根自由基与单线态氧的产生路径.为探究ag-ZIF-62(Co)在实际应用中的潜在价值,搭建了固定床反应器并填充ag-ZIF-62(Co).结果表明,ag-ZIF-62(Co)在反应器中能连续120 h活化PMS并高效降解SMX.此外,ag-ZIF-62(Co)还可以高效降解多种微污染物(如阿特拉津、双酚A、磷酸氯喹、氧氟沙星和罗丹明B等).ag-ZIF-62(Co)玻璃在水体系中活化PMS时,Co离子溶出低于GB 25467-20标准要求,有效地避免了Co离子带来的环境压力.综上所述,本文报道了ag-ZIF-62(Co)活化PMS降解水中SMX的性能,分析了不同因素对SMX降解效率的影响,并探究了活化PMS降解SMX的机理.通过搭建了固定床反应器,实现了对SMX的长时间高效降解,显示了ag-ZIF-62(Co)在AOPs中的应用潜力.本研究不仅为MOF玻璃在环境污染控制中的应用提供了新思路,也为后续MOF玻璃作为催化剂在环境催化领域的发展提供参考.