着力深化体制机制改革 持续提升协同创新能力

在“大科学”时代下,自主创新成为驱动经济社会发展的引擎,跨领域协作与跨学科研究成为创新的主要趋势。为适应时代的发展和对科学技术进步的迫切要求,需要深入改革现行的科技创新的机制体制。协同创新中心就是应运而生的一种创新组织模式。文章回顾了有色金属新材料与先进加工技术省部共建协同创新中心的发展历程,建立了系统捆绑集成的科技创新协同机制,通过管工协同、文理渗透,将管理科学与工程技术创新相融合,有力于推动工程技术供给、扩散方面的管理问题和基本科学问题的研究,促进了人才、学科、科技三位一体协同创新的整体协调发展,是深化协同创新机制体制改革的重要途径之一。

金属粉末注射成形技术及其数值模拟

金属粉末注射成形技术可以大批量、低成本地制造高性能异形精密零部件,是当前先进制造技术领域研究的热点之一。本文概述了金属粉末注射成形的工艺,包括粉末制备、粘结剂选取、混料、注射以及后续的脱脂、烧结,介绍了金属粉末注射成形的发展过程、现状及新工艺,深入分析了金属粉末注射成形数值模拟,在此基础上展望了金属粉末注射成形的发展趋势。

稀土镧对Mg-7Al-2Zn镁合金阳极材料腐蚀和电化学性能的影响

制备了Mg-7Al-2Zn、Mg-7Al-2Zn-0.05La、Mg-7Al-2Zn-0.10La 3种镁合金阳极材料,研究了稀土镧元素对合金在质量分数为3.5%的NaCl溶液中的腐蚀和电化学性能的影响。采用析氢和自腐蚀测试、扫描电子显微镜、电化学工作站、蓝电测试系统,研究了镁阳极的腐蚀行为和电化学性能。结果表明:镧元素的添加显著抑制了Mg-7Al-2Zn合金的析氢反应,提高了合金的耐蚀性,腐蚀方式由不均匀腐蚀向均匀腐蚀转变。添加少量的La可以保持镁合金的活性。Mg-7Al-2Zn-0.05La合金作为阳极材料时,镁空气电池的放电电压和能量密度达到最大值,分别为0.96 V和1092.8 mWh·g^(-1)。

钢铁生产主工序碳排放数字化仿真及流程改造

对照我国提出的“双碳”战略,钢铁行业降碳减排时间紧,任务重,刻不容缓。作为降碳减排的重要手段,钢铁生产碳排放数字化仿真目前主要集中于炼铁、炼钢等单一工序,存在着多工序碳排放模型缺乏、系统性流程改造方案欠缺等问题。为此,开展了钢铁生产主工序流程碳排放数字化仿真及流程改造研究。首先,构建了“5+1”主工序流程碳排放数学模型,开发了华铸钢铁生产碳排放仿真软件,解决钢铁行业主工序流程模型缺乏问题;其次,基于宝钢和唐钢等企业数据进行验证,吻合度超96%,证实了模型与软件的准确性和可靠性,为流程改造奠定基础;最后,从技术革新、碳回收、碳中和和能源变更等四个方面,系统性提出了NTC(New Technology Combination)、燃烧后CO_(2)回收、燃烧前CO_(2)回收、氢冶金短流程生产等四种方案,技术实现从易到难,可依次服务于近期、中期、中后期和后期“双碳”计划,对钢铁行业降碳减排具有很好的参考作用。

阴极钛材表面处理工艺对其表面状态及铜离子电沉积初期行为的影响

目的研究表面处理工艺对钛材表面状态的影响,进一步探究阴极钛材表面状态对铜离子电沉积初期形核行为的影响。方法利用砂纸研磨、机械/电解抛光、化学腐蚀等不同的表面处理工艺,制备出不同表面状态的钛材,对钛材的表面粗糙度和形貌分别进行测试和扫描电镜观察。以不同表面状态的钛材作为阴极,进行铜离子的电沉积实验,对初始沉积层组织进行扫描电镜观察,并统计铜晶核的尺寸、覆盖率。结果砂纸研磨的钛材表面粗糙度最大,随着砂纸目数的增加,粗糙度降低,划痕变得细密,沉积的铜晶核尺寸较小、分布均匀、面覆盖率较高;抛光可显著降低钛材表面粗糙度,电解抛光的粗糙度最低,但铜晶核难以牢固附着;化学腐蚀会在钛材表面残留金属颗粒或暴露晶界组织,沉积的铜晶核分布不均匀且易发生团簇。结论铜离子的初始沉积形核行为与阴极钛材的表面粗糙度和缺陷状态密切相关,采用3000#~4000#砂纸精细研磨的方式,可使钛材表面粗糙度Rz保持在1~1.2μm,且表面覆盖有高密度均匀细小的划痕缺陷,最有利于铜离子的高密度均匀形核。

HEAp(AlCoCrFeNi)/AlSi12复合材料的制备及性能分析

采用粉末冶金法制备HEAp(AlCoCrFeNi)/AlSi12复合材料,用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、透射电子显微镜(TEM)等微观检测方法研究复合材料的微观组织结构,用维氏硬度仪和拉伸试验机检测复合材料的硬度和抗拉强度。研究结果表明:本试验条件下复合材料中HEAp与基体Al界面结合良好,无微隙和夹杂,界面未见明显的反应层或扩散层;随着HEAp加入量的增加,复合材料的基体Al晶粒平均晶粒尺寸有所减小。加入HEAp的复合材料与未加入的相比,硬度、抗拉强度和延伸率均有所提高,其中,HEAp体积分数为7%的HEAp/AlSi12复合材料断后伸长率为5.1%,维氏硬度和抗拉强度分别为72.0HV和142 MPa,综合性能较好。

(WC+SiC_(w))/Cu-Al_(2)O_(3)复合材料载流摩擦磨损行为

目的研究相同载流条件下纳米Al_(2)O_(3)颗粒、微米WC颗粒和SiC晶须对(WC+SiC_(w))/Cu-Al_(2)O_(3)复合材料表面摩擦磨损性能的影响。方法采用粉末冶金法和内氧化法相结合的方式,制备了(WC+SiC_(w))/Cu-Al_(2)O_(3)复合材料,并利用HST-100高速载流摩擦试验机进行载流摩擦磨损性能测试。采用透射电镜和扫描电镜观察复合材料的显微组织和载流摩擦磨损表面形貌。研究不同的增强相对(WC+SiC_(w))/Cu-Al_(2)O_(3)复合材料磨损性能的影响,分析其磨损机理。采用AUTOGRAPH AG-I 250 kN拉伸设备对试样进行拉伸,并分析抗拉强度与磨损性能的变化关系。结果(1WC+2SiC_(w))/Cu-Al_(2)O_(3)复合材料的硬度和极限抗拉强度相较于Cu-Al_(2)O_(3)复合材料分别提高了20.2%和12.7%。(1WC+2SiC_(w))/Cu-Al_(2)O_(3)复合材料的摩擦系数最小,为0.33,相对Cu-Al_(2)O_(3)复合材料降低了42.1%。(1WC+2SiC_(w))/Cu-Al_(2)O_(3)复合材料表面磨损形貌最为光滑,无大面积电弧烧蚀现象,犁沟数量少且浅。结论(WC+SiC_(w))/Cu-Al_(2)O_(3)复合材料的磨损机理主要是粘着磨损、磨粒磨损和电弧烧蚀;纳米级Al_(2)O_(3)颗粒、微米级WC颗粒和SiC晶须三者协同强化铜基体,提高了复合材料的强度和硬度,从而降低了铜基复合材料的摩擦系数和磨损率。WC颗粒和SiC晶须采用合适质量配比时,可以有效地改善Cu-Al_(2)O_(3)复合材料的磨损情况。

铜基材料表面石墨烯涂层的调控

针对铜箔在特殊领域应用时导电性与耐腐蚀性差的问题,采用空气喷涂法在铜箔表面涂覆石墨烯涂层,通过调节石墨烯涂镀液中甲基吡咯烷酮与乙二醇的体积比,实现石墨烯涂层在铜箔表面空间结构的精确调控。研究结果表明:石墨烯在铜箔表面的空间形态与厚度,可以通过分散剂的种类和喷涂液的体积来控制。当分散溶剂中甲基吡咯烷酮与乙二醇的体积比为2∶1时,涂覆石墨烯的铜箔阻抗最大,在盐水中的抗腐蚀性能最好。

Ni-GNSs增强Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE/Cu钎焊接头电迁移特性研究

针对微焊点服役下的电迁移可靠性检测,设计制造了满足焊点在理想电迁移环境下的试验装置。结果表明:通过热分解法制备Ni-GNSs增强相,得到的Ni-GNSs增强Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE/Cu钎焊接头能有效抑制电迁移现象的发生。在电加载条件下,随电流密度升高,Ni-GNSs增强Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE/Cu接头阳极区界面金属间化合物(IMC)由起伏扇贝状转变为平坦厚大的板状,并出现了明显Cu 3Sn;阴极区界面IMC由锯齿状转变为薄条状,且有明显空洞裂纹。钎焊接头断裂位置从阴极界面IMC/钎缝的过渡区向阴极界面IMC迁移,断裂方式由韧性断裂向脆性断裂转变,剪切强度明显下降。

碳纤维无钯化学镀银工艺研究

为了替代传统的含钯敏化活化工艺,实现碳纤维表面无钯化学镀银,选择安全环保的多巴胺溶液来活化碳纤维。利用多巴胺溶液独特的自氧化聚合功能,首先采用浸泡法在碳纤维表面形成聚多巴胺活化层,然后以硝酸银为主盐,葡萄糖为还原剂,直接在碳纤维表面化学镀银。文中研究了硝酸银质量浓度、葡萄糖质量浓度、装载量对银的利用率和导电性的影响,并采用SEM和EDS对镀层表面形貌和成分进行分析。结果表明:多巴胺溶液活化碳纤维后,可以直接在碳纤维表面化学镀银。在固定反应温度50℃,反应时间1 h条件下,硝酸银质量浓度为15 g/L,葡萄糖质量浓度为30 g/L,装载量为4 g/L时溶液中银利用率最高,利用率可高达71.5%。所制备的镀银碳纤维的体积电阻率为0.74 mΩ·cm,银镀层致密均匀、无脱落现象。

溶胶-凝胶燃烧法合成纳米α-Fe_(2)O_(3)粉体

采用溶胶凝胶燃烧法,以Fe(NO_(3))_(3)·9H_(2)O为原料,柠檬酸为络合剂,制备出了纳米α-Fe_(2)O_(3)粉体。通过热分析(DTA/TG),X射线衍射仪(XRD),扫描电镜(SEM),透射电镜(TEM),红外光谱(IR)和X射线光电子能谱(XPS)检测方法进行检测分析,探讨了影响燃烧的因素和纳米粉体的性能。结果表明,当金属离子与柠檬酸比例为1:1,pH=3-5时制备的干凝胶,在300℃引燃,可以充分燃烧。凝胶燃烧完成后在500℃煅烧1小时,可以得到尺寸大小在40-50 nm左右的高分散纳米α-Fe_(2)O_(3)粉体。制备出的纳米α-Fe_(2)O_(3)粉体具有优异光催化性能,降解初始浓度为10 mg/L的罗丹明B溶液时,纳米α-Fe_(2)O_(3)粉体最佳投入量为0.5 g/L。

PEG和MPS对电解铜箔结构和力学性能的影响

针对目前工业生产中电解铜箔力学性能较差的问题,采用直流电沉积法制备18μm厚的电解铜箔。探究了在基础电解液(由Cu^(2+)100 g/L、硫酸110 g/L和盐酸40 mg/L组成)中单独添加或同时添加聚乙二醇(PEG)和3-巯基-1-丙烷磺酸钠(MPS)时对铜箔微观形貌、力学性能和晶相结构的影响,并分析了二者对Cu^(2+)电沉积形成铜箔过程中成核的影响。结果表明,PEG和MPS协同作用可以显著提高初始阶段的成核密度,减少气孔等缺陷,令铜箔的致密度和表面平整性得到改善,抗拉强度大幅提升。当同时采用2.0 mg/L MPS和1.2 mg/L PEG作为添加剂时,得到的铜箔力学性能最优,抗拉强度和延伸率分别为425 MPa和5.3%,相比于无添加剂时分别提高了57%和60%。

第一性原理设计阳离子掺杂H-Nb_(2)O_(5)负极材料及其电化学性能研究

铌基氧化物负极材料因具有优异的锂离子扩散速率而备受关注,但铌基氧化物导电性较差,严重限制了其大规模应用。本研究运用第一性原理计算方法,采用VASP软件包结合Hubbard修正的广义梯度近似(GGA+U)计算了不同阳离子掺杂对H-Nb_(2)O_(5)的态密度带隙的影响,结果表明,掺杂Ni^(2+)、Co^(2+)、Ag^(+)能改善H-Nb_(2)O_(5)电子结构,将其带隙由纯相H-Nb_(2)O_(5)的0.35 eV分别降低至0、0.1、0.17 eV。在此基础上,采用固相法分别制备了掺杂Ni^(2+)、Co^(2+)、Ag^(+)的H-Nb_(2)O_(5),并对其结构及电化学储锂机理进行了研究。其中,Ni^(2+)掺杂H-Nb_(2)O_(5)展现出较优的电化学性能,在2.5 C条件下放电比容量达203 mAh/g;在50 C条件下容量仍保持在89 mAh/g;25 C条件下3000次循环中每次容量损失率仅为0.0021%。锂离子迁移势垒计算结果表明,Ni2+掺杂H-Nb_(2)O_(5)的迁移势垒为0.674 eV,远低于纯相H-Nb_(2)O_(5)的0.847 eV。

冷拉拔变形量对铜银合金线材组织性能的影响

对热型水平连铸制备的Cu-0.52Ag-0.22Cr铸态杆坯进行拉拔塑性变形(Φ16.00 mm→Φ6.00 mm)和时效热处理(450℃×2 h)后,进一步对Φ6 mm时效态试样进行了不同变形量(59.7%、75.0%、85.3%和95.3%)的拉拔塑性变形(Φ6.00 mm→Φ3.80 mm→Φ3.00 mm→Φ2.30 mm→Φ1.33 mm)。研究了不同拉拔变形量对时效态Cu-0.52Ag-0.22Cr合金微观组织、导电率和抗拉强度的影响规律。结果表明,Cu-0.52Ag-0.22Cr合金在冷变形过程中横截面组织由四周向内部产生不均匀变化,在纵截面上表现为沿轴向不断细化的条状纤维组织;随着变形量增大,合金导电率不断降低,抗拉强度先上升后降低;当冷变形量为75.0%时,合金导电率保持在较高水平87.3%IACS,同时,峰值抗拉强度达到559 MPa。在此情况下,合金力学性能的大幅提升主要取决于该过程中加工硬化效果显著。进一步增加总变形量,加工硬化效果下降,导致合金导电率和力学性能降低。

氯离子质量浓度及电场强度对电解铜箔性能的影响

针对电解铜箔生产过程中表面形貌和力学性能差的问题,采用明胶作为添加剂,通过直流电沉积Cu+方法制备了厚度为8μm的电解铜箔,分析了盐酸中Cl^(-)与有机物(十六烷基三甲基氯化铵)中Cl^(-)对电解铜箔表面形貌和力学性能的影响。通过ANSYS Maxwell软件模拟电场强度解释铜箔边缘镀层粗糙的原因。研究结果表明:有机物中的Cl^(-)比盐酸中的Cl^(-)更能提高电解铜箔的表面形貌和力学性能,由于阴极板边缘部分的电场强度高于极板中央位置,导致铜箔边缘镀层较为粗糙。当添加有机物中的Cl^(-)的质量浓度为2 mg/L时,电解铜箔光亮度最佳,均匀致密,粗糙度R_(z)为3.6μm,晶粒尺寸细小,为31 nm,抗拉强度达到380.9 MPa。

热变形温度对SmCo/FeCo纳米复合磁体磁性能的影响

采用热变形技术,制备了SmCo/FeCo纳米复合磁体,研究了热变形温度对磁体磁性能的影响规律。通过X射线衍射、热重分析、扫描电子显微镜和透射电子显微镜研究了磁体的相组成和微观结构。研究结果表明:随着热变形温度从600℃升高到1000℃,Sm_(2)Co_(17)硬磁相的含量不断增加,FeCo软磁相的含量不断减少,SmCo/FeCo纳米复合磁体的矫顽力从1.54 kOe提升到5.04 kOe;饱和磁化强度先增加后降低,剩余磁化强度呈“先升高、后降低、再升高”的趋势。相对于含有部分非晶相的600℃热变形磁体,700℃热变形磁体的晶化程度更高,饱和磁化强度和剩余磁化强度在700℃达到最大值。

Cu-Cr-Si合金时效强化机理及析出动力学研究

为了探究Si对Cu-Cr合金析出相的调控机理,本文开展了Cu-Cr-Si合金时效强化机理及析出动力学研究。利用透射电镜、导电率测试仪和电子拉伸试验机分别检测合金的微观组织、导电性能和力学性能。研究结果表明:合金的导电率随时效时间急剧增加,在峰时效时,导电率高达92.5%IACS,屈服强度为193 MPa;峰时效态合金析出相由面心立方结构富Cr相和有序的体心立方结构富Cr相组成,强化机制分别为位错剪切和位错绕过机制,两者协同阻碍位错运动。在此基础上,计算了Cu-Cr-Si合金在不同时效时间下的析出转变比率,建立了Cu-Cr-Si合金恒温时效条件下的析出相变动力学方程和导电率方程,并绘制了合金等温相变动力学S型曲线。

超音速微粒轰击诱导表面纳米化对300M钢腐蚀疲劳行为的影响

300M钢因其具有超高强度和优异塑韧性,常作为起落架的首选材料。但其在“高温、高湿、高盐”的海洋服役环境下易发生腐蚀疲劳失效,而表面强化可以有效提高其抗腐蚀疲劳性能。本工作采用超音速微粒轰击(SFPB)技术对300M超高强度钢进行表面纳米化处理,系统研究了SFPB对300M钢在3.5%NaCl溶液中的腐蚀疲劳行为的影响规律,并对300M钢腐蚀疲劳后的表面形貌、微观组织演变和残余应力松弛进行表征。结果表明,300M钢经SFPB后表层晶粒细化至纳米级,形成梯度纳米结构的同时还存在着高幅值残余压应力。在相同的加载应力水平下,SFPB有效提高了300M钢的腐蚀疲劳寿命。腐蚀疲劳后300M钢表层晶粒尺寸仍处于纳米量级,加载应力水平的增加使次表层位错密度显著增加的同时形变孪晶数量增多。在腐蚀疲劳过程中,300M钢表层由于SFPB诱导产生的残余压应力发生不同程度的松弛现象,残余应力松弛程度随着加载应力水平的增加而明显增加。