新型液态金属电池正极材料的探索研究

利用液态金属电池储能是近年来发展起来的一种新型电化学储能技术,具有成本低、寿命长等优点,在大型储能领域具有广阔的应用前景。传统单一组分的正极材料面临熔点高、电压低等问题,而合金材料则给液态金属电池正极材料提供了新的可能。本文通过分子动力学方法计算多种适用于液态金属电池正极材料的金属和合金材料(Bi、Sb、Te、Sn、Pb),经过多尺度计算模拟,首先找到了30种二元合金和三元合金,分析这些合金材料的形成能,发现均为负值,理论上说明这30种二元合金和三元合金均可以稳定存在。而后,筛选出具有较低熔点(<500℃)的正极合金,分别是SnSb、HgTl、InBi、PbSb、HgIn、InTe、GaSb、AlSb、CdSnSb2、ZnSb。进一步分析合金正极材料的态密度,选出7种离子传输能力较强的正极合金:PbSb、HgIn、CdSnSb2、ZnSnSb2、InTe、SnSb和SnTl4Te3,模拟计算其以锂为负极情况下的开路电压,结果表明,以SnSb为正极材料时,开路电压可达0.65 V。

轻质夹层材料的制备和振动声学性能

轻质夹层材料被广泛地用来制备动车组车体和飞机的机身,其结构设计面临着一系列挑战:即同时要求质量轻、力学强度高、散热性能好、动力学性能和隔声性能可调等多功能特性.针对动车组高速运行和飞机飞行过程中经常面临的振动及噪声问题,以及如何在现有的材料和结构基础上进一步减轻重量并获得更优良的综合性能是材料制备、固体力学、流体力学、声学、智能材料和结构、优化设计等诸多领域工作者面临的共同挑战.结合近年来围绕"超轻多孔结构创新构型的多功能化基础研究"国家基础研究计划项目所开展的一系列工作,综述了有关轻质三明治材料及结构振动和声学特性的国内外研究进展及现状,以及相应的主被动控制技术;针对目前存在的问题,讨论并展望了有关轻质材料和结构动力学性能及隔声性能的研究发展趋势.

钛表面的氧化对钛瓷结合强度的影响

研究了钛表面氧化对钛/瓷结合强度的影响,并采用溶胶-凝胶技术在钛表面制备SnOx中间层,研究SnOx层对钛/瓷结合强度的影响.结果表明:空气炉中800℃氧化3min后,钛/瓷结合强度明显下降;烤瓷炉中预氧化3min,钛/瓷结合强度无明显变化.热处理使钛表面生成一层金红石型氧化层,钛/瓷剥脱主要发生在金红石氧化层与钛之间.采用溶胶-凝胶法经300℃处理后在钛表面制得的SnOx涂层,可有效隔绝氧向Ti表面的扩散,防止钛表面的过度氧化,提高了钛/瓷结合强度.经SnOx涂层处理后,钛/瓷剥脱主要发生在SnOx涂层内.

高能球磨Al_2O_3相变及其反应活性研究

本文研究了高能球磨以及碳热还原反应加热过程中Al2O3相结构的变化,及其对碳热还原反应活性的影响。不同相结构Al2O3碳热还原反应活性差别很大,-γAl2O3是其中反应活性最好的。随着球磨时间的延长和加热温度的提高,粉末中发生了-γAl2O3→-αAl2O3的转变,这一点对于降低碳热还原反应激活能是不利的。高能球磨20小时,Al2O3部分非晶化,而且有立方结构AlN生成,这两个现象属于首次报道。碳热还原反应加入的活性炭粉,能够抑制加热过程中的-γAl2O3→-αAl2O3相变,有效地保证了粉末的反应活性。

机械化学法制备氮化硼纳米管及纳米粒子(英文)

通过高能球磨及随后的退火过程,在同一实验参数下制备了氮化硼纳米管和纳米粒子。制备的氮化硼纳米管呈竹节状,直径为20～100nm,长度约为几个微米。制备的氮化硼纳米粒子尺寸均匀,大部分呈圆片状,少数为球状;直径为20～100nm,多数粒子直径为70nm。同一制备参数下形成不同形态氮化硼纳米材料的原因在于氮化硼米管及纳米粒子的形成机理不同。

超高速激光熔覆技术绿色制造耐蚀抗磨涂层

针对高端制造行业对绿色制造耐磨抗蚀涂层的高需求,对比分析了国内外超高速激光熔覆装备发展情况,着重介绍了自主研发的超高速激光熔覆设备.采用自主研发的超高速激光熔覆装备,分别进行了单道和多道熔覆的涂层试验,利用扫描电镜(SEM)、显微维氏硬度计和电化学工作站对涂层的界面质量、微观形貌和组织、力学性能以及耐蚀性能进行了系统的研究,同时与其他类型涂层做了横向对比分析.研究结果表明:超高速激光熔覆技术的加工效率高,可制备涂层种类多,适合工程化推广应用;制备的涂层表面成形好,内部组织结构致密无缺陷,与基体结合强度高,力学性能和耐蚀性能优异,能够满足高端装备关重件表面强化和功能化等众多需求.

不同pH值和F^-浓度人工唾液对钛/瓷结合的影响

研究了不同pH值和F^-浓度人工唾液对钛/瓷结合性能的影响。将实验室制备的钛瓷粉分层烧结于钛片上,浸泡于37℃,pH2.7、pH7.0/F^-100μg·mL^(-1)与pH2.7/F100μg·mL^(-1)的人工唾液中,测量了浸泡7d和30d试件的三点弯曲结合强度,应用扫描电镜观察了瓷剥脱后钛表面的形貌,并进行了EDX分析。结果显示:pH2.7/F^-100μg·mL^(-1)组试件的钛/瓷结合强度明显低于未浸泡组,其余各组与未浸泡组相比无显著差异。研究结果提示:酸性环境中,F^-的存在可使钛/瓷结合强度降低,而酸性环境和低浓度的F^-环境对钛/瓷结合强度则没有明显影响,口腔内有钛瓷修复体的患者应慎用含氟口腔产品。

碳膜与CrN-Cu膜的摩擦学性能对比

采用自制薄膜球盘磨损试验机 ,研究用IBAD技术制备碳膜的碳膜的摩擦学性能 ,并与CrN Cu膜进行对比。结果表明 ,碳膜的摩擦系数明显低于CrN Cu膜。CrN Cu随载荷增加摩擦系数增大 ,而类石墨膜却出现随载荷增大摩擦系数减小。CrN Cu膜的磨屑增大摩擦系数 ,碳膜的磨屑在一定程度上减小摩擦系数。

玻璃陶瓷表面浅陷阱分布对其真空沿面闪络特性的影响

长期以来沿面闪络现象一直制约着真空绝缘系统的整体性能,极大地限制了高压电真空设备的发展进程。针对一种具有良好加工性能及表面耐电特性的低熔点可加工微晶玻璃陶瓷引入真空绝缘的背景,研究了不同制备工艺的可加工陶瓷试品在进行表面氢氟酸处理前后其电学特性的变化。利用表面电位衰减法测量了材料表层陷阱分布,分析了表面酸处理对其陷阱分布的影响;采用光电结合的方法,测量了不同表面处理的材料在真空中的表面耐电情况,分析了材料表面陷阱的密度和能级对闪络特性的影响。发现玻璃陶瓷材料表面存在的玻璃相结构是造成存在大量浅陷阱的重要原因,而浅陷阱对沿面闪络特性造成不利影响。得知通过氢氟酸处理可以腐蚀掉材料表面的玻璃相结构,从而降低浅陷阱密度,进而明显提高材料表面闪络的稳定性和降低分散性。

结晶器铜板等离子喷涂镍-石墨涂层的耐磨性

为提高连铸结晶器铜板的使用寿命和铸坯质量,采用超音速等离子喷涂技术在结晶器铜板材料Cr-Zr-Cu基体上制备镍-石墨自润滑涂层,利用扫描电镜(SEM)对喷涂粉末和涂层的组织形貌进行表征,通过球-盘式摩擦磨损实验研究载荷和温度对镍-石墨自润滑涂层、摩擦系数、磨损量的影响,并对涂层的磨损机制进行分析.结果表明:利用超音速等离子喷涂制备的镍-石墨涂层与基体结合良好,结构致密;涂层的摩擦系数和磨损量均随着载荷的增加而增加,不同载荷下涂层的磨损机制均是磨粒磨损,且随着载荷增加,磨粒磨损加剧;涂层的摩擦系数随着温度的增加而增加,且磨损机制均为氧化磨损,但是温度为225℃时,以石墨的润滑作用为主,温度为425℃时,石墨相被氧化镍覆盖,石墨的润滑作用降低,以氧化镍的润滑作用为主.镍-石墨涂层能显著降低Cr-Zr-Cu基体的摩擦系数和磨损量,提高结晶器的耐磨性能.

固体氧化物燃料电池电解质及导电机理综述

固体氧化物燃料电池(SOFC)具有能量转化率高、清洁环保等优点,显现出良好的发展前景。高温下(800~1000℃)SOFC燃料选择灵活,但材料性能衰减快、电池运行成本高,目前低温化应用(300~600℃)是SOFC的主要发展方向。电解质材料是SOFC的核心部件,探索高性能电解质材料及研究其导电机理将显得尤为重要。本文针对氧离子传导型、质子传导型和复合型电解质材料的研究进展进行综述,介绍了典型材料的特点和电导率,总结了三种类型电解质的导电机理。研究发现低温化进程面临的主要问题是电解质电阻随温度降低而增加,导致电导率的降低;另外电解质离子导电机理未完全揭示。未来的研究重点应侧重于低温SOFC所需的质子导体及质子基复合电解质的导电机理。

冷烧结技术的研究进展及其在电工领域的潜在应用

采用传统烧结方法实现陶瓷材料致密化,通常需要1000℃以上的高温,导致陶瓷材料在物相稳定性、晶界控制及复合烧结等方面受到极大的挑战。最近提出的冷烧结技术可将烧结温度降低至300℃以下,在短时间内,利用过渡液相和单轴压力,通过陶瓷粉体的溶解-再沉淀过程实现陶瓷的致密化。低温、快速烧结等特点使冷烧结技术在陶瓷烧结领域具有诸多优势。该文从冷烧结机理及其在电工领域的潜在应用两个方面对冷烧结技术的研究进展进行了综述,主要介绍了冷烧结陶瓷的致密化过程和制备工艺,并着重分析了过渡液相的分类及其对冷烧结过程的辅助作用。阐述了冷烧结技术在新型电工材料如陶瓷-聚合物基功能材料(压敏、热电、储能电解质)、陶瓷-二维材料(热电)、高电位梯度ZnO压敏陶瓷以及陶瓷-金属多层陶瓷(储能电容器)共烧中的应用,并进一步分析了冷烧结和其他烧结技术结合的可行性。冷烧结技术的提出为陶瓷低温烧结的机理研究、新型陶瓷和陶瓷基复合材料的开发及其在电工领域的应用提供了新的思路和参考。

厚质梯度NiCoCrAlY/YSZ热障涂层的制备及结合性能

热障涂层的隔热性通常随着涂层厚度的增加而提高。然而,厚度的增加会导致其内部较低的界面结合,这严重制约了热障涂层的可靠性及使用寿命。采用一种新型高效的超音速等离子同步双送粉方法,在基体上沉积了一系列毫米级厚度NiCoCrAlY/YSZ梯度热障涂层。通过拉伸法测试了涂层的结合强度,探讨涂层厚度及微观结构对结合强度的影响。同时采用有限元模拟方法,验证了热障涂层内部残余应力与结合强度间的关系。结果表明,随着涂层厚度从1000μm增加到2500μm时,涂层的结合强度由44.5 MPa逐渐降低到29.4 MPa,结合强度的降低归因于涂层沉积过程中残余应力的累积,由于其不同的累积位置,导致断裂部位由粘接层逐渐向梯度过渡区转移,最后在陶瓷层内部发生断裂。

二元不互溶Cr-Mo系高能球磨固溶研究

对Cr-62at.%Mo, Cr-35at.%Mo 和 Cr-15at.%Mo三种粉末进行机械合金化,探究粉末合金化过程中的形貌及物相变化。通过对粉末进行扫描电镜和X射线衍射分析发现,三种成份的混合粉末在高能球磨18 h后都实现了Cr、Mo的完全互固溶,形成具有不同固溶度的Cr(Mo)固溶体。根据Miedema模型,热力学计算结果表明:Cr-Mo二元系在平衡状态下不具备形成Cr(Mo)固溶体的热力学驱动力。而球磨过程中储存较多的能量有利于组元越过能垒形成Cr(Mo)固溶体。X射线衍射分析发现,形成的固溶体是置换固溶体。

介观尺度金属孪晶变形的强烈晶体尺寸效应

主导许多材料力学行为的孪晶变形是一种局部晶体高度协调一致的非弹性剪切变形过程,其发生原因与时空特性仍然保持着某种神秘色彩。本项研究利用纳米压入仪下微柱体压缩与相应的透射电镜原位定量变形表征技术,发现随所用钛铝合金单晶外观尺度逐步减小到1个μm时,孪晶切变所需应力随之显著提高,表现出很强的尺度依赖性。当晶体的外部几何尺度进一步减小到亚μm量级时,材料的塑性变形方式发生了根本性的转变,孪晶变形完全由通常的位错滑移变形取代,而材料所能承受的最大流变应力亦呈现出一种接近于所用材料理想强度水平的"应力饱和"平台现象。本研究提出了以螺位错为媒介的孪晶变形"受激滑移"模型,完美地解释了孪晶变形具有强烈晶体尺寸效应的内在原因。

能量存储:基于全新原理的“纳米弹簧”

许多机械装置如钟表、玩具等都采用弹簧来驱动,其能量的存储与释放是通过弹簧内部原子间距的变化来实现的。但是这种原子间距的变化(即弹性变形)所能存储的体能量密度相对很低,如何提高能量的转换效率以及材料存储的能量密度是当前材料科学理论和实验研究共同关注的一个问题。本研究利用金属钨单晶纳米线在加载时独特的孪晶变形行为,提出了一个可以在纳米尺度下高效存储与释放机械能的新原理,并据此设计了相应的纳米装置——纳米弹簧。与块体弹簧不同,本文提出的纳米弹簧通过表面原子的重构来实现能量的存储与释放。进一步的计算还表明,由于金属钨孪晶界面的移动阻力非常小,金属钨纳米弹簧的能量转换效率可以达到98%;同时该纳米弹簧存储的体能量密度可以超过钟表发条的1600倍,并具有30%的应变以及3GPa的驱动应力。

齿轮轴用45钢亚温淬火与力学性能

为优化减速器精小设计,提高齿轮轴的综合力学性能,对减速器齿轮轴用45钢进行了亚温淬火试验,并探讨了在亚温淬火条件下,未溶铁素体的作用。结果表明,在790℃左右淬火时,45钢强度和硬度达到最大值;随回火温度升高,韧性逐渐增强。发现在500℃回火条件下,强度在较高水平同时,韧性随亚温淬火温度降低而提高的现象。

高频淬火态新型叶片钢的疲劳性能

对一种新型叶片钢在室温大气、80℃22%NaCl溶液和95℃水蒸汽中进行腐蚀疲劳试验,测定了此钢在不同腐蚀环境下的拉压疲劳S-N曲线,利用金相显微镜和显微硬度计分析了显微组织和显微硬度的分布,用扫描电镜分析了疲劳断口。结果表明,80℃22%NaCl溶液和95℃水蒸汽分别使新型叶片钢的疲劳极限比室温大气下的疲劳极限降低了32.60%和11.84%。疲劳源都位于试样表面。80℃22%NaCl溶液中的腐蚀疲劳断口没有明显的疲劳辉纹,室温大气和95℃水蒸汽中的疲劳断口都出现了疲劳辉纹,后者的疲劳断口还出现了大量的解理裂纹。