与时俱进 建设世界一流材料研究实验室

经过20年的发展,国家重点实验室在科学研究、人才培养和对外开放方面取得了令人瞩目的成就,值此国家重点实验室建立20年之际,本刊特邀请国家科技部领导、国家重点实验室负责人就新形势下如何深化改革、创新机制、改进管理、拓宽研究方向、遴选吸纳高水平人才等内容进行研讨。

纳米碳管/聚合物功能复合材料

纳米碳管(Carbonnanotubes,CNT)具有π π共轭电子结构,可与结构相似的聚合物(Polymer)通过范德华力结合形成复合材料。导电聚合物(Electricallyconductingpolymer,ECP)包覆多壁纳米碳管(Multi walledcarbonnanotubes,MWNT)后,可用于诸如超级电容器等电子器件。共轭发光聚合物修饰纳米碳管形成的CNT polymer复合材料,具有很强的发光性能,有望用于电子接收器和光电器件。通过连结氨基聚合物,可使多壁纳米碳管溶解和功能化,从而将纳米碳管引入生物学系统中。研究结果表明,CNT polymer复合物有许多潜在的应用,有待进一步发展。

锂硫电池用石墨烯基材料的研究进展

锂硫电池因其理论能量密度高、资源丰富和环境友好等优势,被认为是最有发展前景的下一代电化学储能系统之一。然而,硫的绝缘性、充放电中间产物多硫化物的溶解和扩散、硫的体积膨胀以及锂负极安全性等问题,严重制约着锂硫电池的商业应用。石墨烯因其具有高导电、高柔性等诸多优异特性而被广泛研究,将其用于锂硫电池的正极载体、隔膜涂层和集流体中,以期实现高比能、高稳定性的锂硫电池。本文综述了石墨烯基材料,包括石墨烯、功能化石墨烯、掺杂石墨烯和石墨烯复合物,在锂硫电池中应用的研究进展,并展望了锂硫电池用石墨烯基材料的未来发展方向。

C/C复合材料显微结构的微米、纳米尺度研究

利用扫描电子显微镜、高分辨透射电子显微镜以及拉曼光谱对化学气相渗透C/C复合材料的形貌特征、显微结构以及石墨化度进行了系统表征。结果表明,热解炭是由厚度在几十到几百纳米的片层结构组成,这些片层结构围绕炭纤维呈层状排列;热解炭为粗糙层结构,在离子束的轰击下很容易撕裂和扭折。炭纤维/热解炭界面上存在一个宽度大约为15nm的无序区,该区域的形成可能与热解炭的沉积工艺有关。炭纤维和热解炭的石墨化度均很低,热解炭的R(R=ID/IG+D’)值由内层到外层逐渐降低。

纳米压痕实验中单晶Cu初始塑性变形的准连续介质模拟

采用准连续介质方法模拟了纳米压痕实验中单晶Cu初始塑性变形过程.采用3种不同宽度的纳米尺度压头,得到了载荷-压痕位移关系曲线,确定了3种不同宽度压痕下位错发射的临界载荷.临界载荷的大小与能量理论的预测结果基本一致.通过对压头下方位移场的分析,揭示了加载过程中位错形核的力学特征和微观结构特征;得到了压头下方几何必需位错密度增加的一般规律.定性地分析了卸载过程中位错的运动与湮灭.

非晶复合材料制备与性能

总结了近年来本课题组在外加强化相非晶复合材料制备方面取得的主要研究结果。通过制备过程凝固控制获得了性能优异的非晶复合材料,其中金属W/Zr基非晶合金双连续相复合材料压缩强度达到3 450 MPa,压缩应变为48%;金属Ti/Mg基非晶合金双连续相复合材料压缩强度达到1 750 MPa,塑性应变为30%;8%Nb颗粒/Mg基非晶复合材料压缩强度达到900 MPa,塑性应变为12.1%;6%S iC颗粒/Zr基非晶复合材料压缩强度达到2 230 MPa,塑性应变为3%。

挤压态钢丝与AZ91复合材料的研究

为了提高AZ91镁合金的力学性能,特别是屈服强度,制备了不锈钢丝增强AZ91复合材料。在相同条件下,分别对AZ91及其复合材料进行热挤压处理。采用金相显微镜（OM）和扫描电镜（SEM）观察了材料的显微组织,通过拉伸实验测试了材料的室温力学性能。研究结果表明：铸态AZ91与钢丝增强AZ91复合材料力学性能接近,但是,二者经过挤压后,其力学性能均有很大提高。其中钢丝增强AZ91镁合金的屈服强度和抗拉强度分别达到了375 MPa和428.6 MPa,与挤压态AZ91相比,分别提高了50%和20%,同时复合材料的塑性变形量也有显著的提高。讨论了材料的组织、铸造缺陷等对材料力学性能的影响。

CoS_2正极材料制备及电化学性能

以CoCl2·6H2O和CS(NH2)2为水热前驱物,在不同pH值下制备了CoS2粒子,对CoS2的物相组成、微观形貌、热稳定性和正极材料电化学性能进行表征和测试。结果表明,CoS2粒子在酸性和碱性溶液中形核生长机制不同,当pH=5和pH=10时分别获得黄铁矿结构CoS2粒子其形貌为类球形和不规则块状,对应热分解温度为650℃和610℃。在100 m A/cm2放电时,两种形貌CoS2正极材料的电化学性能基本相近;800 m A/cm2放电时,类球形CoS2放电比容量较块状CoS2高9.65%,并具有优于后者的高初始放电电压及低内阻特性。

快速积炭法制备形貌可控的中空纳米炭材料（英文）

介绍了一种大规模制备形貌可控的中空纳米炭材料的方法。该方法以金属氧化物为模板,利用乙苯分子在金属氧化物表面高温快速产生的积炭为炭源,除去模板后可以得到具有中空结构的纳米炭材料。该方法简单、高效、低成本,具有普适性,制备过程中不需要使用昂贵的表面活性剂为炭源。利用该方法,以实验室制备的氧化锌纳米棒和商业的氧化锌纳米球为模板,分别成功的制备出中空纳米炭管和中空的纳米炭球。该合成方法可以进一步推广到制备其它形貌的中空纳米炭材料并用于催化和能量储存等领域。

螺旋炭纤维的微观结构与储能特性

采用扫描电镜、激光Raman光谱、X射线衍射(XRD)、热失重分析(TG)、低温氮吸附等研究手段,以平直炭纤维为参照,对比研究了碳氢化合物催化分解法制备的螺旋型炭纤维的微观结构特征。实验结果表明:整体上,螺旋炭纤维的微观结构要比平直炭纤维的结构更加无序;但螺旋炭纤维的外层结构较为有序。与中孔分布广、孔容低的平直炭纤维不同,螺旋炭纤维的中孔主要分布在3nm～4nm范围内,且有着较高的孔容,其比表面积几乎是平直炭纤维的10倍。这些结构特性使得螺旋炭纤维在抗氧化性、储氢、电化学电容等方面都体现出超越平直炭纤维的优势和应用潜力。

贝氏体铁素体精细结构孪晶及纳米结构

用高分辨电子显微镜观察分析贝氏体钢贝氏体铁素体精细结构及其尺寸的结果表明 ,上贝氏体铁素体亚片条间存在孪晶取向关系 ;下贝氏体铁素体内有孪晶 ;贝氏体铁素体条束由细小的亚片条组成 ,这些亚片条多数是精细孪晶细小片条。高分辨电镜 (HREM)准确地确定细小孪晶片条宽度在 2～ 30nm范围内。

真空度对纳米碳管场发射性能的影响

研究了单壁纳米碳管(SWNTs)、双壁纳米碳管(DWNTs)和多壁纳米碳管(MWNTs)在不同真空度下的场发射性能。在超高真空条件下(2.0×10-7Pa),以上三种材料均表现出良好的稳定性;而在高真空条件下(1.0×10-4Pa),三种材料的场发射稳定性有不同程度的下降。通过控制系统真空度在2.0×10-7Pa～1.3×10-3Pa范围内逐渐变化,考察了真空度对纳米碳管场发射性能的影响及其机制,提出适合于SWNTs、DWNTs和MWNTs场发射性能测试和应用的真空度下限分别为6.0×10-5Pa、1.0×10-4Pa和5.7×10-4Pa。

超高压力对ZA27合金非平衡凝固组织和性能的影响

研究了高压凝固条件下ZA27合金凝固组织的变化。高压凝固ZA27合金的宏观组织为致密的网状结构,每个晶粒由相互平行的二次枝晶所构成,而且二次枝晶具有一定的方向性,最后凝固组织并非(β+η)共晶体,而是单一的η相,高压也增加了Zn在α相以及Al在η相中的固溶度。同时高压使ZA27合金的二次枝晶臂间距(DAS)减小,硬度获得大幅度的提高。

焊丝成分对高速列车转向架焊接接头性能的影响

采用富氩基CO2焊工艺对高速列车转向架用S355J2G3钢板进行焊接,分析了焊丝中C,Mn,Si和Nb元素在焊接过程中的烧损及过渡规律,并研究了焊丝中C,Mn,Si和Nb元素含量变化对焊接接头力学性能的影响.结果表明,在富氩基CO2保护焊工艺中,Mn,Si元素会产生烧损,合理提高焊丝中Mn,Si元素含量,才能获得与母材相匹配的焊接接头性能,C元素的烧损规律与焊丝中各元素的原始含量有关.随着焊丝中C,Si,Mn元素含量的增加,焊缝金属的强度增加,断后伸长率降低.Nb元素的加入会显著提高焊缝金属的强度,但同时会恶化其塑性和韧性,因此应严格控制焊丝中的Nb元素含量.

脉冲电流对疲劳后30CrMnSiA钢组织结构的影响

对在应力控制下预疲劳卸载的热轧态30CrMnSiA钢样品进行高密度脉冲电流处理后,得到了细小均匀的等轴晶组织,晶粒尺寸远小于热轧样品的晶粒尺寸。处理后样品的疲劳寿命显著提高。高密度脉冲电流使疲劳形成的位错产生运动,当刃型位错的距离达到临界距离时,位错发生湮灭,使局部的位错密度梯度增大,在位错密度低的地方发生再结晶形核,使钢发生再结晶。

双层气流保护TIG焊接方法

介绍了一种双层气流保护TIG焊接方法,它适用于TIG焊接过程,解决现有普通TIG焊接熔池深度较浅和混合气体保护下钨极易氧化烧损的问题.该焊接方法将传统单一气体通道的TIG焊枪改造设计为双层气体通道,内层气体为纯惰性气体,保护电极,外层为惰性气体和活性气体的混合气体,向熔池过渡活性组元,改变熔池传热对流模式,增加熔池深度.结果表明,双层气流保护TIG焊接方法可使TIG焊熔池深宽比较普通弧焊深宽比增加2～3倍,同时避免了钨极氧化烧损,延长使用寿命.

挤压态镁合金ZK60的超高周疲劳行为

利用超声疲劳实验研究了挤压态镁合金ZK60的超高周疲劳行为．结果表明，合金的疲劳S—N曲线在5×10^6-10^8cyc范围内存在一平台，而在10^8-10^9cyc范围内，疲劳强度逐渐降低，对应于10^9cyc的疲劳强度为（90±5）MPa．SEM断口观察表明，在5×10^6-10^8cyc范围内，疲劳裂纹基本上萌生于试样表面或亚表面，而在10^8-10^9cyc范围内，疲劳裂纹主要萌生于试样内部的非金属夹杂物．通过测定疲劳源区的尺寸，估算的合金疲劳强度与实验结果基本一致．疲劳源的形成是由微裂纹在多个夹杂物处起裂和合并所引起的．因此，合金的疲劳强度不是由最大夹杂物尺寸决定，而是取决于由多个夹杂物组成的“缺陷区”尺寸．通过测定多个部位的“缺陷区”尺寸，可以有效的估算合金的疲劳强度．

半固态高铬铸铁的流变铸造组织的演变

通过研究搅拌强度,冷却速度对高铬铸铁流变铸造组织的影响及采用EMPA和EBSD技术研究小角晶界、晶粒簇丛的精细特征,发现冷却速度控制了枝晶臂所受扭矩大小与根部直径大小的比例,适当的冷却速度可促进形成头部大、根部小的枝晶臂的形成,从而加速枝晶臂的折断。聚集的小角晶界是扭折但未完全折断的细小枝晶臂在经熟化过程后形成的主干与枝晶臂的界面。晶粒簇丛是由许多被扭折的枝晶臂演变而成。