新世纪的基石 新世纪的缤纷——新型材料与工程研究开发在中国科技大学之一斑

新材料、新技术是当今人类历史发展阶段的鲜明特征 ,也是 2 1世纪持续发展的基石。材料科学与工程学科领域的人才培养和先进材料的研究开发一直是我国重点高等学校的重要任务之一 ,本文简要回顾中国科技大学自建校以来在新型材料与工程研究开发的历程和现况 。

CIPs@Mn_(0.8)Zn_(0.2)Fe_(2)O_(4)-CNTs复合材料低频吸波性能研究

随着5G无线通信与低频雷达侦察技术的飞速发展,低频电磁波辐射已成为当代的严重问题。目前,中高频段吸波材料的研究已趋于成熟,而设计低频段吸波材料仍面临巨大的挑战,亟待研究者们解决。基于四分之一波长相消机制,本研究设计了0.5~3 GHz低频段复合吸波材料。采用简单的一步水热法,诱导铁氧体在羰基铁粉与碳纳米管表面生长,制备出CIPs@Mn_(0.8)Zn_(0.2)Fe_(2)O_(4)-CNTs三元复合材料,对比研究了碳纳米管含量对材料吸收峰频率的影响。实验结果表明,引入碳纳米管,一方面为材料带来了界面极化、偶极极化等额外的损耗机制,增加了材料的衰减系数;另一方面基于四分之一波长相消机制,高介电与高磁导率的耦合,使材料在低频段获得良好的阻抗匹配。最终,在4 mm厚度下,样品分别在2.11与1.75 GHz处,获得了–40.8与–32.1 dB的反射损耗,–10 dB带宽分别为1.70~2.70 GHz和1.40~2.20 GHz。该复合材料制备工艺简单,低频吸收性能良好,具有很大的应用潜力,为开发更有效的低频吸波材料提供了新的思路和方法。

新能源材料为高水平科技自立自强充电

习近平总书记在中央政治局第三次集体学习时强调要“加强基础研究,从源头和底层解决关键技术问题”。当前,新一轮科技革命和产业变革突飞猛进,科学技术和经济社会发展加速渗透融合,基础研究转化周期明显缩短,国际科技竞争向基础前沿前移。我国的新能源材料领域目前在科技革命中勇立潮头,这与能源、材料、化学等领域长期、大量基础研究的积累与关键技术的突破密不可分。

自然界“军备竞赛”中的材料科学

自然界中的生物材料具有优异的力学性能与独特的功能特性,这主要归功于它们复杂而巧妙的微观组织结构。特别是在长期的自然选择与生存竞争中,生物体进化出各种各样的天然武器,实现强力攻击与稳固防御这两种本身相互矛盾的技能之间的完美平衡。探索自然界"军备竞赛"中的材料科学能够从仿生角度为人造材料的优化设计提供宝贵的启示和灵感。文章阐明了典型天然武器的种类、形式、组织结构和力学性能特征,提炼了它们同步实现进攻与防御效果的共性的内在设计原则,总结了这些原则在促进新型仿生人造材料、器件与装置研发方面应用的最新进展,并进一步探讨了生物力学与仿生材料研究面临的机遇与挑战。

MAX相陶瓷增强金属基复合材料:制备、性能与仿生设计

由于原子间存在共价键、金属键与离子键的混合键合状态,MAX相陶瓷兼具金属和陶瓷材料的性能特点,并且常与金属之间表现出良好的润湿性,有助于形成强界面结合,独特的层状原子结构使MAX相陶瓷表现出良好的断裂韧性、阻尼与自润滑性能。因此,作为金属基复合材料的增强相,MAX相陶瓷具有显著优势,本文着重介绍相关研究进展。目前,MAX相陶瓷增强金属基复合材料主要通过搅拌铸造、粉末冶金和熔体浸渗等途径制备,得到的复合材料表现出优于金属基体的强度、硬度与模量,同时还具备良好的耐磨、导电、抗电弧侵蚀等性能。此外,借助真空抽滤、冰模板等工艺可实现超细片状MAX相陶瓷粉体的择优定向排列,然后利用金属熔体浸渗多孔陶瓷骨架,可获得具有类贝壳结构的MAX相陶瓷增强金属基仿生复合材料,进一步提升材料的强韧性能。MAX相陶瓷增强金属基复合材料在承载、电接触等应用领域具有显著优势和广阔前景。

热解碳泡沫材料吸波机理研究

为避开高分子材料作为基体,进一步拓展碳系吸波材料在空间环境或仿空间环境中的应用,本工作提出了预制体法结合热解工艺制备热解碳泡沫吸波材料的新思路,采取从400℃到1 500℃的不同目标热解温度制备了一系列热解碳泡沫材料,通过对不同温度热解碳泡沫材料的傅里叶红外光谱、热重-差热、X射线衍射和电化学分析,明确了热解碳泡沫为半导体材料,其热解残余基团无序区造成的阈值效应、共轭效应和位阻效应抑制π电子离域移动,控制载流子浓度,进而影响热解碳泡沫材料的电磁性能。对不同温度热解碳泡沫材料电磁参数的测试表明,600~700℃热解的碳泡沫材料的介电常数实部和虚部大小适合,适合作吸波材料。

颗粒增强铝基复合材料热等静压近净成形有限元模拟

目的建立可靠的模拟方法,以更高效地预测颗粒增强铝基复合材料(PRAMC)粉末热等静压中的形状变化和不同部位致密度的差异,解决传统实验试错方法适用性差且费时费力的问题,满足批量应用的需求。方法以45%(体积分数)SiCp/6092Al复合材料为研究对象,构建了能预测粉末热等静压成形过程的有限元模型。使用Gurson-Tvergard-Needleman(GTN)模型作为粉末本构模型,建立了粉末尺度的代表性体积单元(RVE)对GTN模型进行修正。结果通过对比GTN模型计算结果与实验结果,发现修正后的GTN模型能更准确地预测模型的最终变形尺寸,与修正前相比,相对误差降低了1.6%~2.9%。使用修正后的GTN模型对杯形回转体零件的热等静压成形过程进行预测,最终形状的计算结果与实验结果的相对误差仅为0.2%~3.1%,致密度分布的相对误差在0.5%以内。在探究包套厚度对热等静压过程的影响时发现,随着包套厚度的增大,热等静压过程中的屏蔽作用增强,内部粉体致密度下降。结论为PRAMC热等静压近终形制备的形状和致密度控制问题提供了有限元预测工具,辅助优化了热等静压工艺和包套设计,降低了颗粒增强铝基复合材料热等静压近净成形过程开发的试错成本。

激光增材制造高温合金原位增强钛合金复合材料的组织与力学性能

采用激光选区熔化成形(selective laser melting,SLM)技术制备TCGH(TC4+GH4169)复合材料,探究TCGH钛合金复合材料的最佳成形工艺参数,并研究沉积态试样和热处理试样的显微组织与力学性能。结果表明:TCGH钛合金复合材料的最佳工艺参数为扫描速率900 mm/s、激光功率150 W,致密度达到99.5%以上。GH4169粉末的添加改变了TC4钛合金材料的固态相变行为,沉积态组织呈现明显高温凝固特征,使得逐行扫描搭接和逐层扫描堆积成形特征变得明显,沿打印方向原始粗大柱状β晶粒尺寸明显减小,复合材料抗拉强度提升。与沉积态试样相比,950℃热处理后,试样显微组织转变为近等轴组织,同时随着热处理温度上升,第二相的回溶导致复合材料的固溶强化作用占主导地位,使得复合材料抗拉强度和塑性均得到提升。

基于Nano-CT技术研究多孔陶瓷材料的三维结构

陶瓷材料体内的多孔结构对其性能影响很大,因此研究陶瓷的多孔结构具有重要的意义。但现有的表征技术均不能够观察这种多孔的三维结构。本文采用Nano-CT成像技术对相转化制备的陶瓷中空纤维管壁内的孔结构进行了三维无损观察,得到了壁内孔的形状、走向、孔径分布以及三维结构图,并计算了孔径的大小为0.4–1.5μm,孔隙率为38.31%。从而可以为改善其制造工艺、优化结构参数提供依据,使其更好地在化工、能源、环保等多个领域得到广泛应用。

从文学和物理学到地球科学:漫谈时间

笔者从文学、物理学、地球科学到地质年代学论及时间点和时间段的定年问题。同位素地质年代学定年起源于欧洲,已有近百年的历史相当成熟,但只能测定地质事件峰值(时间点)迄今的年龄;我们倡导的构造地质年代学速率法定年为近年的探索,可以直接测定地质事件过程(时间段)历经的年龄。同位素地质年代学定年与构造地质年代学定年两者相互补。

载钯氧化铝复合材料的制备及性能研究

钯常被用作氢同位素分离的首选材料,但纯钯经历多次吸放氢循环后易发生粉化,影响分离系统的效率和工作稳定性,因此实际应用中多采用将钯负载在多孔、疏松载体上的方法抑制钯的粉化。为寻找合适的氢同位素分离材料,本文以多孔氧化铝为载体,采用PdCl_(2)溶液以浸渍还原法制备了钯含量为40.1%(质量分数)的载钯氧化铝复合材料(Pd/Al_(2)O_(3)),并采用X射线衍射(XRD)、BET比表面积、透射电子显微镜(TEM)对其进行了分析,进而对其吸放氢压力组成等温线(PCT)、动力学、热力学及热致吸放氢循环性能进行了测试。结果表明,直径在8~50 nm范围内的钯颗粒存在于氧化铝载体的孔洞内,与纯钯相比,Pd/Al 2O 3复合材料的饱和吸氢量略有降低,吸放氢平台压均升高,平台表现出正斜率,吸氢速率较纯钯提高了5倍,吸放氢焓变和熵变值均降低。经2000次热致吸放氢循环后,Pd/Al 2O 3复合材料的饱和吸氢量和平台压均保持不变,吸氢速率略有提高,未出现钯颗粒的粉化或氧化铝球的破裂,具有良好的抗粉化性能。

拓扑量子材料的合成、性质及应用

拓扑量子材料因其潜在的奇妙物性和在电子器件上的应用,已成为凝聚态物理领域研究的前沿和焦点。目前在拓扑量子材料中,拓扑超导材料和拓扑磁性材料是两类极具吸引力的体系。尽管对这些材料的研究已取得很大进展,然而对其合成、性质及应用,尤其是在合成方面,仍缺乏系统性的综述。因此,本文重点介绍了两类典型拓扑量子材料的实验制备,并简要介绍了他们潜在的物理性质及应用。最后,我们对拓扑量子材料体系的研究现状和未来发展提出了自己的思考。

用于电卡制冷的聚(偏氟乙烯-三氟乙烯)(55/45)/0.75BiFeO_(3)-0.25BaTiO_(3)复合材料的制备及热导率增强

以聚(偏氟乙烯-三氟乙烯)(55/45)(P(VDF-TrFE)(55/45))作为聚合物基体,0.75BiFeO_(3)-0.25BaTiO_(3)(BFO-BTO)纳米纤维作为填料以提高共聚物的热导率。结果表明,少量的BFO-BTO纳米纤维即可实现共聚物热导率的提高。在75℃时,纳米纤维含量为2%的复合材料的热导率为0.21 W·m^(-1)·K^(-1),几乎是P(VDF-TrFE)(55/45)共聚物膜的2倍。同时,加入纳米纤维后共聚物的电热效应(ECE)几乎没有变化。这些结果表明少量BFO-BTO纳米纤维的加入在有效提高P(VDF-TrFE)(55/45)共聚物热导率的同时能够保持共聚物较高的ECE。

轧制压下量对WE43镁合金腐蚀行为的影响

在500℃下制备压下量分别为0、25%、45%和80%的轧制WE43镁合金,并研究其在3.5 wt.%NaCl溶液中的腐蚀行为。采用光学显微镜(OM)、透射电子显微镜(TEM)和电子背散射衍射(EBSD)对轧制WE43合金的显微组织演变过程进行表征。结果表明,随着轧制压下量增加,合金的基面织构逐渐增强,晶粒尺寸逐渐减小。此外,仅压下量为45%的合金中存在弥散分布的动态析出相。浸泡实验和电化学实验结果表明,轧制WE43合金的耐蚀性由高到底的顺序为压下量45%>压下量80%>压下量25%>压下量0。压下量45%的合金具有最好的耐蚀性,主要原因是基体中大量弥散分布的析出相能促使致密腐蚀产物膜的形成。压下量为80%合金的腐蚀速率增加是析出相回溶至基体所致。析出相是轧制WE43合金腐蚀速率的主要影响因素,而晶粒尺寸、基面织构和形变孪晶是次要影响因素。

时效态WE43合金表面腐蚀产物膜的显微组织

时效态WE43合金在3.5 wt.%NaCl溶液中形成了致密且具有3层结构的腐蚀产物膜。采用透射电子显微镜分析膜层的显微组织。保护性膜层为3层结构,从内到外依次为RE_(2)O_(3)层、MgO与RE_(2)O_(3)的混合层和Mg(OH)2与RE_(2)O_(3)的混合层。析出相和稀土元素通过外氧化的方式形成大量稀土氧化物颗粒,这是保护性膜层形成的主要原因。RE_(2)O_(3)与MgO存在以下择优位向关系:(211)晶面和[231]晶向分别与MgO的(002)晶面和[110]晶向平行。因此,稀土氧化物颗粒可以填补疏松MgO膜层的空隙,从而提高了膜层的致密性。内层的RE_(2)O_(3)和MgO与RE_(2)O_(3)的混合层对于保护性膜层的形成起到了重要作用。致密的内层腐蚀产物膜能阻止腐蚀介质与镁基体发生反应。

GH4169合金塑性加工成形与组织调控方法综述

针对高温合金零部件的精密成形制造由于工艺复杂、成形效率和精度低,其微观组织、力学性能及成形精度难以协同控制的问题,采用组织调控和成形工艺优化作为实现高温合金零部件成形成性一体化制造的有效手段。作为一种高温稳定相,δ相常出现于塑性变形及热处理过程中,其析出量与形貌影响合金的微观组织及力学性能。因为零件结构及服役条件的差异,所要求的组织、性能和采取的制备工艺也不尽相同。介绍了环类、盘类及叶片类3类典型的GH4169合金零件的塑性加工技术,同时引出δ相在其中起到的作用,继而对δ相的析出、球化和溶解等演化行为及其对合金变形行为和力学性能的影响进行了阐述与总结。

TA2纯钛薄板微流道液压成形工艺研究

双极板是氢燃料电池的重要部件之一,钛作为金属双极板基材有诸多优势,但钛的成形性能差、回弹较为严重,本文以0.1 mm TA2纯钛薄板微流道液压成形为研究对象,通过试验和有限元模拟相结合的方法研究纯钛微结构变形行为,分析工艺参数对微流道成形质量的影响规律,为液压成形钛双极板提供参考。建立了TA2纯钛薄板微流道液压成形的有限元模型,通过与试验件的轮廓及厚度分布验证有限元模型的准确性;研究了液体压力、加载速率和脉动加载对微流道成形的影响。结果表明,微流道液压成形过程中材料应变路径为平面应变,且上圆角位置最容易破裂;加载速率对微流道成形影响不大,随着加载速率的提高,成形深度略有下降,但是变化不大,仅有3%;脉动加载路径能够提高材料的流动变形能力,在均为临界破裂情况下,相比较线性加载路径成形深度有较高的提高,可达232.2μm,提高幅度为23%。

从光的生-灭机制阐述量子力学

通过引入有序算符内的积分理论,从光子产生–湮灭的观点出发来阐述量子力学理论,显示表象的正态分布,在数学上支持量子力学的几率假设;指出如何从经典变换直接过渡到量子幺正算符,自然地引入纠缠态表象,并指出数学物理研究的新方向.

轴向应变作用下含腐蚀缺陷X80管道氢渗透的有限元分析

目的研究在役天然气管道掺氢输送条件下氢原子在管道腐蚀缺陷处的扩散和分布情况及应变对腐蚀缺陷处氢扩散行为的影响。方法利用COMSOL软件,将固体力学模型和扩散模型相结合,建立了基于有限元的氢原子扩散渗透模型,研究了在纵向拉伸应变作用下X80钢制管道不同尺寸腐蚀缺陷处氢原子的分布情况。结果在没有拉伸应变的情况下,氢原子一旦进入管道内,在浓度梯度的驱动下,沿径向梯度扩散到管道内。当在管道上施加应变时,氢原子的扩散受到静水应力的驱动。氢原子在腐蚀缺陷处的最大浓度超过了进入管道的氢原子初始浓度。结论氢原子在腐蚀缺陷处聚集。此外,施加的拉伸应变也影响氢原子聚集的位置,随着缺陷长度的减小和深度的增大,在内壁腐蚀缺陷处,更多的氢原子会集中在缺陷中心和尖端。

选区激光熔化Ti-6Al-4V合金在模拟乏燃料后处理环境中的腐蚀行为

研究选区激光熔化(SLM)制备的Ti-6Al-4V合金在乏燃料后处理环境中的腐蚀行为。借助光学显微镜、X射线衍射、扫描电子显微镜、电子背散射衍射以及电化学测试等手段研究SLMTi-6Al-4V合金的显微组织及耐蚀性。结果表明,相较于铸造合金,SLM Ti-6Al-4V合金在含氧化性离子的6 mol/L热硝酸溶液中的耐腐蚀性更好。进一步分析表明,SLMTi-6Al-4V合金具有α'+β的微观结构,β-Ti相含量较高且分布均匀,同时其晶粒尺寸较小、晶界密度较高,这种微观结构可提高其在含氧化性离子的硝酸中的钝化能力以及耐腐蚀性。SLM Ti-6Al-4V合金有望在乏燃料后处理过程中得到广泛应用。