着力突破发展瓶颈 迎接氢能产业光明前景——访北京航空航天大学材料科学与工程学院教授水江澜

作为我国首次发布的氢能产业中长期规划,《氢能产业发展中长期规划(2021-2035年)》(以下简称《规划》)科学分析了我国氢能产业的发展现状,明确了氢能在我国能源绿色低碳转型中的战略定位、总体要求和发展目标,为我国氢能产业中长期发展指明了前进方向。近日,北京航空航天大学材料科学与工程学院教授水江澜在接受本刊记者采访时,就《规划》对“双碳”发展起到怎样的促进作用、大力发展氢能产业有何瓶颈、如何保障氢能产业发展的安全性等相关话题进行一一解答。

航空航天结构材料专业课程思政建设的探索与实践

《高等学校课程思政建设指导纲要》明确落实立德树人根本任务,必须将价值塑造、知识传授和能力培养三者融为一体,不可割裂。航空航天结构材料为材料科学与工程专业核心课程,课程团队开展有组织的课程思政教学,以一代代航空人航空报国、科技报国的情怀激励学生,传承红色基因。通过课程思政建设,培养学生脚踏实地的实干精神和面向未来的世界眼光,淬炼学生敢为人先的创新意识和创新能力,激发学生空天报国的责任担当。该文梳理该专业课程思政建设的理念,思政元素与教学内容融入的措施和方法,分析探讨不同思政案例的效果,并对课程思政与一流课程的融合发展提出建议。

理性认识金属增材制造技术——访北京航空航天大学材料学院王华明博士

“增材制造”（3D打印）绝对是2013年的热门词语，从日常生活到高端制造业，人们部在憧憬增材制造的应用前景。在航空制造业，金属构件增材制造技术逐渐皿露出其独特的优贽。山北京航空航灭人学材料学院王华明教授带领的创新团队，旧绕C919人型飞机等同家运火专项及蘑大装备制造业发展的战略需求，

航空航天结构复合材料湿热老化机理的研究

通过研究T30 0 / 5 40 5和T30 0 /NY92 0 0复合材料以及基体树脂 5 40 5和NY92 0 0的浇注料在 80℃水浸中的吸水动力学、红外光谱、动态力学性能和表面形态的变化 ,分析了复合材料的湿热老化机理。结果表明 :在 80℃水浸的加速湿热老化条件下 ,两种复合材料的老化机理主要是吸入水分对基体的塑化 /溶胀作用以及因树脂与纤维湿膨胀的不匹配所产生的内应力引起的微观开裂。

超磁致伸缩材料及其在航空航天工业中的应用

介绍了超磁致伸缩材料在国内外发展状况 ,系统地比较了该材料各种制备方法的优缺点及其适用领域 ,采用真空感应熔炼和真空区熔定向凝固方法制备出 Tb0 .3Dy0 .7Fe1 .95 超磁致伸缩合金 ,用 X-射线及光学金相分析了该合金的凝固组织形貌、微观结构和晶体择优生长方向。结果表明 ,该合金的铸态组织为树枝状的Mg Cu2 型 ( Tb,Dy) Fe2 和富稀土相两相结构。本实验条件下 ,该合金定向凝固形态为胞状晶和树枝晶 ,其晶体生长择优取向分别为〈1 1 0〉和〈1 1 2〉方向。

基于光纤传感网络的航空航天复合材料结构健康监测技术研究现状

概述了光纤传感器的分类及特点,详细介绍了光纤传感器在航空航天复合材料结构健康监测中的应用和发展状况,包括Boeing公司、Airbus公司、美国国家航空航天局(National Aeronautics and SpaceAdministration,NASA)等对光纤传感器进行的应用研究.指出了光纤传感网络在相关应用中应考虑及有待解决的一些问题,展望了基于该类传感器的健康监测技术在航空航天领域中的应用前景.

材料科学实验教学的探索性与标准化--以先进二维材料制备与应用实验教学改革为例

实验教学是材料科学教学过程中的重要环节,原有的材料科学实验教学以经典材料实验为对象,不足以培养学生对新材料的研究兴趣,也不能满足培养高素质人才的教学目标。各高校都开展了新材料的探索性实验教学,这些新材料的出现时间不超过20年,对其性质的探索尚不完全,其制备、表征和应用都还在持续进行,因此,出现了实验教学流程不标准、教学实验结果不标准和实验成绩评价不标准的情况。鉴于此,以新型二维材料——石墨烯的制备与应用探索性实验教学为例,提出标准化的探索性实验教学流程、标准化的实验教学效果评估等改革方案,为培养高水平的材料人才打下坚实基础,也为开展新型标准化实验提供参考。

材料科学与工程专业《晶体学基础》教学改革的探讨

《晶体学基础》是材料科学与工程专业的重要专业课程之一,也是进一步学习材料专业其他课程的基础。本文根据材料专业《晶体学基础》教学中存在的问题,从教学内容和次序、教学手段以及教学模式三个方面,提出了课程教学改革的详细思路。

航空发动机轴承钢滚动接触疲劳模拟及寿命预测

主轴轴承是航空发动机中重要的安全部件,由综合性能优良的轴承钢制备,材料须具备高表面硬度、高断裂韧度、耐高温、抗疲劳、抗腐蚀等特点。然而,严苛的运行条件使轴承钢因滚动接触疲劳(RCF)而失效,严重影响飞行安全,因此,准确预测轴承钢的RCF寿命是保证航空发动机可靠性的关键。本文综述了航空发动机轴承钢RCF和寿命预测方面的重要研究成果和进展,并且展望了该领域未来的研究方向。文章首先介绍了轴承滚动体和滚道间赫兹接触导致的特殊应力场,其中剪切应力分量在次表面达到峰值,这解释了轴承钢次表面RCF复杂机理的原因,提出在理想条件下次表面起源的RCF是轴承钢的重要失效模式,同时,随着接触应力的增加,材料的响应方式从弹性向塑性演进;此外,由于航空发动机轴承实际服役环境恶劣,表面起源的RCF也会发生,因此存在两者之间的竞争。接着,总结对比了三种对RCF寿命的理论预测思路,即概率模型、机理模型和数值模型,并分析了这三种模型各自的优缺点:概率模型发展成熟,工业界应用广泛,但本质是一类统计学模型,缺少RCF机理,科学性较低;决定性模型通过对物理过程的描述预测RCF寿命,科学性高但模型过于简化,精确性不高;数值模型兼顾了工程实际和科学性,是针对RCF寿命预测问题的有力手段,但精确性有待进一步提升。最后,基于当前的研究现状,建议在未来从解决RCF过程中关键科学问题、通过嵌入RCF机理优化寿命预测模型和发展人工智能在RCF寿命预测的应用这三个方面进行研究。

实验教学示范中心对非本专业学生开放模式研究——以材料科学与工程实验教学示范中心为例

以材料科学与工程实验教学示范中心为例,通过问卷调查方式研究国家级实验教学示范中心向非材料专业学生开放的对象、途径和模式。结果表明,开放对象应以低年级学生为主,开设公选课程是重要途径,开放模式应根据学生的专业属性不同而有所不同。

SiC_(f)/SiC陶瓷基复合材料高温环境损伤原位监测研究进展

连续SiC纤维增强SiC(SiC_(f)/SiC)复合材料具有高比强度、高比模量、耐高温、耐辐照等优点,在先进航空发动机热端部件和核反应堆包壳等领域具有广阔的应用前景。SiC_(f)/SiC复合材料具有纤维、界面、基体等复杂的多尺度结构,其服役环境苛刻、损伤失效过程复杂,深刻理解与准确分析其在近服役环境下损伤失效模式对于材料和构件的可靠服役具有重要意义。传统的“事后分析”方法无法获取材料在复杂服役环境下的损伤失效过程数据,因此迫切需要发展面向高温服役环境的复合材料原位表征测试技术。本文介绍了基于扫描电子显微镜、数字图像相关、显微计算机断层扫描、声发射、电阻等原位监测方法的基本原理、优势与局限性,重点讨论了以上各种原位监测方法及多种原位监测方法联用在SiC_(f)/SiC复合材料高温环境力学表征中的最新研究进展。最后,总结了SiC_(f)/SiC复合材料高温环境原位监测技术存在的挑战,并对多种原位技术联用、太赫兹辐射等新型检测技术、复杂构件的损伤原位监测方法等未来发展方向进行了初步展望。

石墨烯增强金属基复合材料界面研究进展

金属基复合材料是由高强度增强相与金属基体组成,因具备优良的综合性能,在各领域内展现出广阔的应用潜力。与常规增强相不同,石墨烯是一种由碳原子以sp^(2)杂化轨道组成六角呈蜂巢状晶格的二维碳纳米材料,因其独特的结构而具有优异的电学、力学、热学和光学等特性。石墨烯增强金属基复合材料已经成为先进复合材料领域的研究热点,而对于金属基复合材料,其综合性能与界面的结构和性质关联密切。从近年来石墨烯增强金属基复合材料界面微观组织及理论研究出发,对常见石墨烯增强金属基复合材料体系的界面结构及力学性能进行总结,同时总结计算机模拟手段在分析界面结构、界面结合强度以及界面微观断裂机制等方面的进展,为设计和优化金属基复合材料界面提供理论依据。

面向AI时代的纤维增强树脂基复合材料工艺仿真

纤维增强树脂基复合材料制造工艺是保证其产品结构效率和应用可靠性的关键,通过计算机进行工艺仿真是提高复合材料制造质量与降低制造成本的重要手段。传统工艺仿真依赖于制造过程中的物理化学机理,通过有限元/有限体积等数值计算方法,以及计算机图形学等辅助设计方法来求解相关机理模型的数学方程,目前已在增强体/预浸料的铺覆、树脂的渗透流动、热固性树脂的固化行为、热传导与热交换、非线性力学及残余应力与固化变形预测等方面得到广泛应用。近年来,人工智能(AI)的迅猛发展,其技术基础机器学习(ML)与人工神经网络(ANN)相结合,已用于增强体铺覆、液体成型工艺和热压罐工艺领域,主要目的是数据挖掘和建立降阶模型。前者可以建立工艺条件与制件固化质量、力学性能等之间的关系,后者则可以提高工艺仿真的计算效率。然而受限于纤维增强树脂基复合材料制造过程复杂、不可测、成本高的特点,在AI时代的起点,仅依赖实验获得的数据量难以满足ML的要求,同时数据驱动AI还面临模型代表性、普适性、可解释性不确定的问题。因此,基于物理化学机理的传统工艺仿真可为数据驱动ML仿真提供大量可靠数据,进而通过AI建立更多描述复合材料工艺的定量模型,扩展工艺仿真可计算的过程;同时,通过AI技术提高计算效率后,满足实时性要求的工艺仿真可进化为制造过程的数字孪生(DT),从而可为复合材料降低成本、提高全寿命周期管理的科学性提供新的技术支撑。

混氢燃气轮机用高温结构材料与热障涂层研究进展

随着全球能源结构的转型和环保要求的提高,混氢燃气轮机作为一种高效、低排放的能源转换设备受到了广泛关注。本文综述国内外混氢燃气轮机的发展现状,分析燃气轮机中氢气燃烧的特性,探讨燃氢对复杂部件的影响及其高温材料的应用,同时分析在高温、高压和腐蚀条件下工作的热端部件材料所需满足的性能要求,以及目前材料研发中的主要挑战与潜在解决方案。详细讨论氢燃烧过程中,水蒸气以及氢脆效应对燃气轮机合金和热障涂层的影响。水蒸气会加速合金的氧化和腐蚀,导致合金力学性能下降。此外,氢脆效应也会严重影响合金的韧性和耐久性,增加裂纹扩展和断裂的风险。针对这些问题,未来研究应重点关注多场耦合模拟和加速腐蚀实验的探究,综合考虑温度、压力、不同气氛等多种因素,建立真实环境模拟器,评估合金和涂层性能。同时应注重氢气和水蒸气同时存在时对高温合金和热障涂层产生的复合效应,深入探究氢在合金中的扩散机制、与晶格缺陷的相互作用和引发氢脆的微观过程。构建高温水蒸气环境下氧化模型,明晰水蒸气在高温下的解离吸附机制,保护性氧化膜Al_(2)O_(3)和Cr_(2)O_(3)的羟基化以及非保护性氧化物(如尖晶石)的生长行为。

先进航空发动机高温功能涂层研究进展

航空发动机是飞机的“心脏”。先进航空发动机正在向高推重比、高效率、低油耗和长寿命方向发展。以热障涂层、热/环境障复合涂层、高温隐身涂层等为代表的高温功能涂层应用于航空发动机关键热端部件,起着提升发动机服役性能、服役寿命和安全可靠性的重要作用。本文以热障涂层、热/环境障复合涂层、高温隐身涂层等为例,系统概述了近年来国内外以及北京航空航天大学在高温功能涂层材料设计、涂层制备科学与技术、涂层性能评价表征等方面的研究进展,并展望了先进航空发动机新型高温功能涂层所面临的挑战和发展动向。未来先进高温功能涂层的研究重点将集中在多功能复合涂层、极端环境适应性和工艺适配性等方面。

1:12型SmFe永磁材料成分设计与矫顽力机制

稀土永磁材料大规模应用于航空航天、能源技术、交通运输等重要领域,是现代科技不可或缺的关键材料。1:12(ThMn_(12))型SmFe永磁材料拥有与钕铁硼相媲美的磁性能和更高的居里温度,是目前已报道永磁材料中理论磁能积最高的材料,且组成元素储量丰富,极具应用潜力。但是该材料存在热稳定性差的难题,导致矫顽力低,无法发挥其潜力。本文分析1:12相热稳定性差的原因,总结占据不同晶位的合金元素对相稳定性和内禀磁性能的影响规律;剖析影响合金矫顽力的关键因素,揭示制备工艺与矫顽力的内在联系;论述通过多晶位元素共掺杂、控制冷却速度、晶界包覆等方法获得高磁能积1:12型SmFe永磁体的研究思路,为稀土永磁的发展提供重要参考。

微量Sm元素对TiC_(p)/Al-Cu-Mg-Mn复合材料微观组织和力学性能的影响

以0.27%(体积分数)TiC颗粒增强的TiC_(p)/Al-5Cu-1.9Mg-0.9Mn复合材料为基体,研究不同Sm元素含量对复合材料组织与力学性能的影响规律。结果表明:Sm元素的加入明显细化了枝晶组织,促进了固溶处理过程中第二相的溶解,使得时效态组织中T-Al_(2)0Cu_(2)Mn_(3)和S′-Al_(2)CuMg析出相的数量密度增加,当Sm元素含量较高时(0.3%,质量分数,下同),组织中将出现块状难溶稀土化合物。随着Sm的加入,复合材料室温和250℃下的屈服强度逐渐增加,但会引起塑性降低,当Sm元素添加量为0.3%时,室温屈服强度从246 MPa提高到310 MPa,250℃屈服强度从191 MPa提高到220 MPa。分析认为,强度提高源于Sm引起的组织细化和析出相数量密度增加,而塑性下降是由于粗大块状难溶稀土化合物割裂了基体,导致裂纹源容易产生。

SiC_(f)/SiC陶瓷基复合材料增韧机理及界面相微区性能测试方法研究进展

作为一种典型的陶瓷基复合材料(ceramic matrix composites,CMC),SiC_(f)/SiC复合材料具有高比强度、耐高温、抗氧化和抗热震等优点,在航空航天领域应用前景广阔。纤维和基体中间的界面相具有保护纤维、传递载荷、偏转裂纹等作用,赋予SiC_(f)/SiC复合材料伪塑性断裂特征。界面相的设计方案会显著影响其微区性能,进而影响SiC_(f)/SiC复合材料宏观力学性能和损伤失效模式。近年来发展的基于聚焦离子束(focused ion beam,FIB)的微纳加工技术和基于纳米压痕的微观力学测试技术是表征SiC_(f)/SiC复合材料界面相微区性能的有效手段。本文综述了SiC_(f)/SiC界面相现有设计方案及界面相微区性能对增韧效果的影响机制,重点总结了单纤维顶出/顶入、微柱压缩等小尺寸力学测试(small-scale mechanical testing,SSMT)技术的应用现状及各方法的适用条件和优缺点。最后,对CMC界面相微区性能研究的发展趋势做了初步展望,并指出测试方法的标准化、测试环境的高温化及测试数据的模型化是未来的主要发展方向。

p型PbSe热电材料研究进展:从中温区发电到近室温制冷

热电材料能够实现电能和热能高效且清洁的相互转化,在余热回收和电子制冷方面具有重要的应用前景。碲化铅(PbTe)材料已经应用于深空探测领域的温差发电电源,硒化铅(PbSe)材料作为PbTe的同族类似物,有望作为其更为储量丰富、价格低廉的替代品,在中温区温差发电中展现出重要应用前景。近年来,对无Te热电冷却材料和器件需求不断增长,PbSe的研究方向逐渐从中温区发电转向近室温制冷。本文回顾了p型PbSe材料研究进程中所采用的典型优化策略,概述了基于该材料的热电发电和制冷器件的关键研究进展,展示了这一材料重要的发展前景。最后,对未来如何实现p型PbSe材料近室温热电性能的充分开发以及高性能热电制冷器件的制造进行了总结展望,包括整合各种优化策略,优化器件组装技术,确定合适的接触材料,以及开发基于PbSe的无Te热电器件,以推进其在深空探测、激光制冷等关键领域的实际应用。

基于拓扑/二维量子材料的自旋电子器件

拓扑材料和二维材料等新型量子材料,为自旋电子器件的研究与发展提供了新契机.这些量子材料不但有助于提高电荷-自旋转换效率及提供高质量异质结界面,从而改善器件表现,更由于它们丰富的相互作用和耦合关系,能提供新奇物理现象和新的物性调控机制,在自旋电子器件方面具有潜在的应用价值.拓扑材料和二维材料,尤其是层状拓扑材料、二维磁性材料以及它们组成的异质结的相关研究,取得了丰硕的成果,兼顾了启发性与及时的实用性.本文将综述这些新型量子材料的近期研究成果:首先重点介绍拓扑材料在自旋轨道力矩器件中实现的突破;其次着重总结二维磁性材料的特性及其在自旋电子器件中的应用;最后将进一步讨论由拓扑材料/二维磁性材料组成的全范德瓦耳斯异质结的研究进展.