等离子体改性多孔聚合物材料负载银纳米粒子的抗菌性能

在材料表面均匀稳定地负载纳米银粒子并提高其抗菌性能是目前面临的一项挑战。为此利用纳秒脉冲放电预处理结合化学浸渍法制备了一种纳米银-多孔聚合物复合材料。利用原子力显微、X射线光电子能谱测试分析了等离子体改性前后多孔聚合物材料表面物理性能和化学成分的变化。利用扫描电子显微镜和X射线光电子能谱分析了纳米银在多孔聚合物材料表面的分布情况。以大肠杆菌和白色念球菌为测试菌种,测试在不用放电处理时间、脉冲峰值电压、硝酸银浓度以及作用时间下纳米银-多孔聚合物复合材料的抗菌性能。结果表明,等离子体改性时间为20min、脉冲峰值电压30kV的条件下,在10mmol/L的硝酸银溶液中浸渍得到的复合材料在作用时间为5h时,对大肠杆菌和白色念球菌的杀菌率仍高达99.3%和98.9%,展现出良好的抗菌效果。

高熵陶瓷材料研究进展及挑战

高熵作为全新的材料体系,得益于巨大的组分空间、独特的微观结构以及较大的构型熵所赋予其独特且可调的优异性能,已成为材料领域的研究热点。高熵陶瓷的研究目前还处于探索阶段,尤其在精准的成分设计理论、高纯高产率粉体制备、新型烧结工艺等方面,亟待深入研究。因此,本文针对高熵陶瓷的五大高熵效应、新的设计理论、粉体制备方法、新型烧结工艺以及综合性能与实际应用进行了梳理归纳,并通过团簇加连接原子模型(CPGA)对高熵陶瓷(HEC)成分设计进行解析,深入挖掘了HEC的组元和微结构以及性能之间的关系。未来HEC的重点发展方向仍然为基础理论设计,尤其是针对非氧化物HEC成分结构。同时,在样品制备上要在学科交叉领域寻找突破,如采用人工智能机器学习与3D打印进行制备。最后,要寻找结构、热障耐腐涂层、机械、工程光学和磁性等方面实际应用并对探究工况环境下的强化、失效机制深入探究分析。

基于第一性原理计算的固溶体合金集成学习设计方法

基于密度泛函理论的第一性原理方法在考虑了固溶体化学短程序特征后计算得到的合金的基本性质更为可靠。本工作将描述固溶体短程序的团簇加连接原子结构模型嵌入到第一性原理计算中,获得了一系列合金的基本物性数据;构建了数据管理系统,形成成分与性能数据库;进而采用多种机器学习算法构建合金成分与性能的预测模型,并对其进行对比分析;在此基础上,筛选最优算法,以精确预测合金的性能,并实现以性能为目标导向的成分设计;最终形成了一种基于第一性原理计算的固溶体合金集成学习设计方法,并开发出可视化程序软件。该方法有望大幅提升高性能先进合金材料研发的效率。

电弧离子镀制备耐事故包壳材料厚Cr涂层及高温抗氧化性能

目的在Zr-4包壳材料表面制备具有耐事故高温性能的抗氧化厚Cr涂层,保护Zr基体,以防止与高温水蒸汽反应。方法采用自主研发的φ155 mm大弧源电弧离子镀技术在Zr-4合金表面制备约20μm的Cr涂层,通过X射线衍射仪(XRD)分析氧化前后的物相变化,通过扫描电子显微镜(SEM)和电子探针(EPMA)研究厚Cr涂层在不同温度下产生的多种缺陷,探究厚Cr涂层对Zr基体的防护机制。结果当涂层沉积速率>3μm/h,制备的Cr涂层均匀致密,结合力优异,具有柱状晶结构,可经受至少15.8%的形变量,其抗塑性形变能力优异。沉积Cr层样品经过1000、1100、1200℃氧化,保温1h后快速冷却至室温,厚Cr涂层分化为Cr Ox层、Cr_2O_3层、残余Cr层和Cr-Zr扩散层。经受苛刻条件(1200℃/3600 s)测试,除保持连续性的氧化层外,在基体上仍残余良好结合的6.8μm Cr层。氧化层两次开裂阻止基体被进一步破坏。Cr-Zr扩散层是由Zr元素向Cr涂层方向渗透生长的。1200℃时,在基体近表面处产生的大尺寸隆起,是由于在近表面处韧性β-Zr(O)相转变为脆性α-Zr相,以及Cr偏聚贫Sn造成的。残余Cr层的柱状晶结构会形成Zr-O扩散通道,对涂层最后失效将起关键作用。结论 Zr合金包壳材料镀覆20μm的Cr涂层具有充分的耐事故能力,在严苛的事故条件测试下,各缺陷均未能使Zr-4合金基体暴露,涂层能够形成有效壁垒,防止锆合金基体暴露造成核事故,阻止基体进一步被破坏。

阻尼合金研究进展

阻尼合金作为一种能通过组织内部的缺陷运动使振动能转化为热能耗散的材料,兼具较高力学性能和一定功能特性,在航空航天、武器装备等领域的开发和研究具有重要意义。不同合金体系之间存在微观组织上的差异,即对阻尼起主导作用的缺陷种类不同,而组织缺陷的性质(种类、密度及可动性)是影响合金阻尼性能的关键因素。本文从组织缺陷(面缺陷、线缺陷和点缺陷)的角度出发,阐述了不同合金体系的阻尼源种类和性能特点,针对合金阻尼性能、力学性能以及功能特性(耐蚀性、铸造性能等)之间的关系综述了各类阻尼合金的发展现状,进而归纳出不同阻尼合金的发展规律和差异。最后,本文对阻尼合金的研究方向做出展望,由于合金阻尼源种类过于单一会严重限制减振性能的提升,而通过材料复合化及高熵合金化可实现合金中多种阻尼源的共存,产生多阻尼机制耦合效应,实现合金阻尼性能的二维扩展,改善合金力学性能及功能特性,为提升合金综合性能起到重要指导。

高Al含量的亚稳β型Ti-Al-Mo-Nb-V系列钛合金的组织与力学性能

目前,亚稳β钛合金的成分朝着更高Al含量和更高β稳定元素含量的方向发展,本工作基于典型亚稳β钛合金β-21S和TB18的成分设计思路,添加了更高含量的Al元素,同时添加了Mo、Nb、V三种β稳定元素,设计并利用铜模吸铸法制备了高Al含量的亚稳β型Ti-Al-(Mo,Nb,V)系列钛合金。结果表明,Ti-6.5Al-1.5V-11.5Mo-2.8Nb合金在吸铸态下的β相结构达到临界稳定状态。此时,该合金的拉伸屈服强度为623 MPa,延伸率为16.6%,其屈服强度略低于对标合金TB18,但延伸率明显高于同系列合金和TB18合金,具有最佳的综合力学性能。此外,该合金液固温区为31℃,在同系列合金中最低,且明显低于对标合金TB18的液固温区238℃。

强流脉冲电子束2Cr13钢的表面改性

利用HOPE-I型强流脉冲电子束(HCPEB)装置处理2Cr13马氏体不锈钢。通过金相显微镜、X射线衍射仪、显微硬度检测和摩擦磨损测试方法对表面显微组织和力学性能进行分析。结果表明:处理样品表面产生熔坑,主要由样品表层的(FeCr)23C6型碳化物选择喷发造成。原始样品主要为马氏体Fe-Cr(α)相,处理后样品表层中碳化物经喷发和液相溶解后减少,相反奥氏体相含量增加。由于表面碳化物的去除和高奥氏体含量的形成,处理样品表面显微硬度降低,截面显微硬度呈波动分布。使用加速电压27kV和15次脉冲处理后,磨痕深度由原始样品的7.3μm降低到5.1μm,耐磨性能提高了约30%。

超级电容器电极用N-掺杂多孔碳材料的研究进展

多孔碳材料作为双电层电容器的主要电极材料,已成功应用于商业化超级电容器。但作为电极材料,纯碳材料表面疏水、内阻较大、电容较低等缺点使其进一步发展受到制约。近年来,随着超级电容器的迅速发展,氮掺杂多孔碳材料作为其电极材料引起研究人员的广泛关注,并采用不同的制备方法成功合成了一系列结构不同、性能优异的氮掺杂碳材料。基于超级电容器氮掺杂多孔碳电极材料的最新研究进展,首先介绍了氮在碳材料中的基本存在形式及对碳电极材料性能的影响,然后重点评述了氮掺杂碳电极材料的制备,最后总结了超级电容器氮掺杂碳材料的发展趋势。

TiO_2光催化剂掺杂改性研究进展

TiO2因其特有的物理化学性质,在环境污染治理方面有着广泛的应用前景。本文简要概述了TiO2的光催化反应机理,重点讨论了TiO2光催化掺杂改性技术,主要包括金属离子掺杂、贵金属沉积、半导体复合等方法。针对这三种方法分析了改性机理,列举了国内外研究现状,提出了TiO2掺杂改性的重要性。同时,对TiO2光催化技术目前存在的问题和未来研究方向做了简要的总结和预测。

超硬纳米多层膜的材料选择与结构设计

综述了近年来超硬纳米多层膜材料选择与结构设计的研究进展,主要介绍了多层膜的选材,从构成多层膜的材料种类、膜与基体的选择、多层膜材料的选择以及从超硬效应理论得到的启示等几个方面总结了多层膜实现超硬特性时要考虑的因素,并指出了目前存在的问题及今后的发展方向。

强流脉冲电子束FV520B钢表面改性组织及耐腐蚀性能

利用强流脉冲电子束进行FV520B钢表面改性,处理参数包括加速电压27 k V,能量密度5 J/cm2,脉冲次数1到25次。使用扫描电镜、电子探针和X射线衍射分析样品表层形貌、元素分布和相组织变化。经强流脉冲电子束改性后,样品表面形貌细密均匀,晶粒尺寸降至2μm以下,重熔层厚度约4μm并形成沿(200)择优方向的柱状凝固组织。样品表层深约10μm范围内的沉淀硬化颗粒得到有效溶解,成分分布均匀化。在3.5%(质量比)Na Cl溶液中测试电化学腐蚀性能,25次脉冲处理样品的腐蚀电位由原始样品的-0.213 V升至0.038 V,腐蚀速率降低约一个数量级。

微米级P-Si@a-TiO_(2)负极材料的制备及电化学性能

以微米级Al-Si合金粉为原料,采用去合金法和溶胶-凝胶法制备了无定形TiO_(2)包覆珊瑚状多孔Si结构的复合材料(记为P-Si@a-TiO_(2)),通过XRD、XPS、SEM和TEM对复合材料的结构和形貌进行了表征,分析并揭示了TiO_(2)层的制备机理及包覆层厚度对复合材料电化学性能的影响。结果表明,珊瑚状多孔Si结构和适当厚度的包覆层可以有效缓冲材料的体积膨胀,提高电极的循环稳定性。当TiO_(2)包覆层约为10 nm时,对材料的改性效果最佳。此时的P-Si@a-TiO_(2)的电极电势差仅为0.321V,在1.0A/g电流密度下循环50次后具有1357.4 mA·h/g的放电比容量,展现出优越的电化学性能。

PEMFC不锈钢双极板表面改性用Cr-C薄膜的成分设计与制备

目的根据质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)不锈钢双极板的表面镀膜改性要求,探索改性薄膜成分对性能的影响规律,并提供一种行之有效的薄膜成分设计方法。方法首先应用团簇加连接原子结构模型,结合电子轨道饱和原则,理论上设计出Cr-C二元材料体系的最佳团簇式和最佳成分,再利用电弧离子镀技术在316L不锈钢双极板上制备出一系列不同成分的CrxC1-x薄膜,对薄膜的成分、结构及性能进行表征和分析。结果设计所得Cr-C材料体系的最佳团簇式为[Cr-C4]CrC3,对应的最佳原子比成分为Cr0.22C0.78。所制备的CrxC1-x薄膜的成分系数x在0.05~0.23之间变化,薄膜的导电性和耐蚀性能随着成分x的增加,呈明显增加趋势。其中Cr0.23C0.77薄膜的综合性能最好:在1.2MPa压紧力下,接触电阻为2.8 mΩ·cm^2;在模拟腐蚀环境下,腐蚀电流密度仅为9.1×10-2μA/cm^2。该性能已优于美国能源部DOE的标准指标要求。结论Cr-C改性薄膜的成分对导电性能和耐蚀性能有着重要的影响。由于实验制备的性能最佳的薄膜成分Cr0.23C0.77与基于团簇加连接原子模型设计薄膜的最佳成分Cr0.22C0.78基本相同,从而证实了依据此模型进行双极板改性薄膜成分设计是行之有效的。

燃料电池钛基金属双极板的表面改性

在TC4(Ti-6Al-4V)基板上,利用脉冲偏压电弧离子镀(PBAIP)技术,选用高纯石墨靶和铬靶,制备6种不同成分的CrCx薄膜。利用电子万能试验机、电化学工作站和光学接触角测量仪等,研究涂层改性后的钛基金属双极板的接触电阻、耐蚀性和疏水性。表面改性后的钛基双极板接触电阻降低,在0.6 MPa的压力下,改性涂层成分为Cr0.21C0.79的TC4镀膜双极板接触电阻为0.45 mΩ·cm2,较TC4基板的接触电阻值(197.62 mΩ·cm2)降低3个数量级。在80℃恒温水浴,0.5 mol/L H2SO4+5×10-6mol/L HF的模拟电池环境腐蚀溶液中,-0.1 V(vs.SCE)的阳极工作电压下,TC4改性样品处于阴极保护状态;在0.6 V(vs.SCE)的阴极工作电压下,TC4改性最优试样的腐蚀电流密度约为0.10μA/cm2,较原始基板降低2个数量级。

等离子体增强电弧离子镀1Cr17Ni2不锈钢表面氮化/DLC涂层复合改性研究

在等离子体增强电弧离子镀设备中,用热丝增强放电的辉光等离子体对1Cr17Ni2马氏体不锈钢进行表面氮化处理。对氮化层的表面形貌、成分、相结构及性能进行了测试及分析。结果表明,氮化处理后不锈钢的表面硬度从3.67 GPa最高提升到9.25 GPa,并且在50μm深的范围内保持7.32 GPa以上的硬度,改性层内有CrN和Fe_2N新相生成是硬化的主要原因,不过与基体相比,摩擦系数仅从1.1略微降低到0.9。在氮化预处理的基础上,再一体化用碳靶阴极弧等离子体对1Cr17Ni2钢进行氮化/DLC涂层复合改性处理,对表面DLC涂层改性层的品质及性能进行了测试与分析。结果表明,复合改性处理后,因表面得到1.5μm厚的高品质的DLC涂层,及氮化预处理使得表面硬度有梯度提升,使1Cr17Ni2钢的整体表面硬度进一步提高到17.06 GPa,且摩擦系数显著降低到0.08。

MoS2薄膜负极材料的制备及其电化学行为

采用射频磁控溅射技术,以MoS2为溅射靶材,在不同溅射功率下制备了系列MoS2薄膜。利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和X射线光电子能谱(XPS)等测试手段对薄膜进行表征,探讨循环过程中薄膜结构与形貌变化及其对电池循环性能的影响。结果表明,所制备的薄膜为富S的MoS2非晶态薄膜;SEM分析表明薄膜中S与Mo元素分布均匀,不存在偏聚现象;XPS分析表明所制备的薄膜中存在单质S相,单质S相在整体薄膜中含量大体占14%(原子分数)左右。在初始充放电循环过程中,这些均匀分布的单质S和Li^+反应生成多硫化锂,产生不可逆损耗,从而原位形成分布均匀的多孔结构,可有效缓解薄膜后续循环过程中的体膨胀,同时增加活性材料比表面积,有利于改善薄膜比容量及循环稳定性。当靶功率为100 W时,薄膜电极循环20圈,放电比容量为429.8 mAh/g,经300圈循环,放电比容量仍可保持在420.4 mAh/g,表现出优异的循环稳定性。

熵调控抑制ZrNiSn基half-Heusler热电材料的晶格热导率

ZrNiSn基half-Heusler热电材料具有较高的热导率,限制了其热电性能进一步提高。为了降低晶格热导率,本研究采用磁悬浮熔炼和放电等离子烧结的方法制备ZrNiSn和Zr_(0.5)Hf_(0.5)Ni_(1-x)Pt_(x)Sn(x=0,0.1,0.15,0.2,0.25,0.3)高熵half-Heusler热电合金。在Zr位进行Hf原子替代,Ni位进行Pt原子替代以调控该合金的构型熵,并研究构型熵对热电性能的影响。本工作优化了Zr_(0.5)Hf_(0.5)Ni_(0.85)Pt_(0.15)Sn在673 K的最小晶格热导率和双极扩散热导率之和为2.1 W·m^(–1)·K^(–1),与ZrNiSn相比降低了约58%。这一发现为降低ZrNiSn基合金的晶格热导率提供了一种有效的策略,有助于改善材料的热电性能。

硅蒸镀法制备低密度C/C复合材料表面SiC涂层

采用浆料法在低密度C/C复合材料表面制备了石墨涂层,然后利用硅蒸镀法使硅蒸气与石墨涂层反应生成SiC涂层。借助X射线衍射、扫描电子显微镜等研究了蒸镀温度、蒸镀时间、石墨涂层表面粗糙度、硅蒸发源及气氛条件对涂层微观结构、相组成、致密度、平整度以及涂层厚度的影响。结果表明:随着蒸镀温度的升高,涂层的表面平整度增加,当蒸镀温度为1550℃和1650℃时,涂层表面仅存在SiC;硅块为硅蒸发源,氩气为保护气氛均可提高涂层表面平整度;降低石墨涂层的表面粗糙度,涂层的致密度和连续性增大;随着蒸镀时间的增加,SiC涂层厚度和致密度逐渐增加。

快速真空紫外光谱诊断在EAST实验的初步应用

为了在EAST装置上开展高参数放电条件下边界杂质辐射的实验研究,发展了真空紫外(VUV)光谱诊断系统。该系统采用了焦距为200mm的Seya-Namioka型VUV光谱仪,并配备了600g·mm^(-1)凹面全息光栅,所能观测的波长范围为50~700nm,覆盖真空紫外、近紫外和可见光波段。系统在垂直方向的观测范围为Z=-350~350mm。利用该系统开展了EAST边界杂质谱线的实验研究。通过分析CⅣ(154.8nm)杂质和FeⅡ(235nm)的谱线强度的时间演化行为,验证了该系统谱线强度测量的准确性与可靠性。通过分析CⅠ(365.2nm)杂质辐射强度在加热功率调制下的时间演化行为,验证了该系统研究较短时间尺度的杂质辐射行为的可行性。

太赫兹光谱诊断等离子体电子密度实验及模拟

近年来,太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)被用于多种等离子体源的电子密度诊断研究中,但其可靠性程度评估工作开展较少,亟需补齐相应研究。本文将THz-TDS用于诊断电感耦合等离子体源(ICP)的电子密度,ICP驱动频率为13.56 MHz,功率为250~400 W,工作介质为氩气,气压为30~99 Pa。诊断结果显示电子密度随输入功率和气压单调递增,电子密度范围为10^(13)~10^(14)cm^(-3)。同时,利用COMSOL Multiphysics构建漂移扩散模型对该条件下等离子体电子密度进行数值计算研究。结果显示:实验测量与数值计算的电子密度值定量吻合较好,且两者随气压变化趋势一致。证实了THz-TDS应用到等离子体诊断领域中具有可靠性高、稳定性好等优异特性,具有非常广阔的发展潜力。