过渡金属低维纳米材料在电催化领域中的研究进展

随着环境问题的日趋严重和能源危机的不断攀升,利用电催化技术开发可持续的绿色新能源迫在眉睫。过渡金属低维纳米材料具有高活性表面、高效的电子转移速率和丰富的表面空位,能够有效提升电催化反应的效率和稳定性。本文基于材料维数,将过渡金属低维纳米材料分类,并分别阐明其优势,重点综述零维、一维、二维纳米材料在电催化领域中的研究成果,揭示低维纳米结构与电催化活性、稳定性之间的关系,明确了低维纳米化是提高电催化性能的有效方法。最后,指出过渡金属低维纳米催化剂应根据需求合理设计并优化其结构。未来低维纳米催化剂的发展方向应是基础研究与计算研究相结合,用理论来引导设计,搭配机器学习预先选择合适的结构模型以及朝着改进现有材料结合更多更高效的复合材料进一步发展。

身管材料的高温氧化行为

随着对火力打击要求的提高、大威力火炮的发展、身管材料的高温氧化日益严重,严重影响武器性能的发挥,甚至导致武器报废。但目前对身管材料的抗氧化性能研究较少。针对3种身管材料PCrNi3MoVA钢、30SiMn2MoVA钢和MPS700钢,研究其在600℃空气条件下的抗氧化性能和氧化机理。通过扫描电子显微镜、能谱和X射线衍射仪分析了氧化层的截面形貌和物相,分析其氧化动力学行为。研究结果表明:随着氧化时间增加,3种钢的氧化膜厚度逐渐增厚,厚度增加率逐渐降低,3种身管钢的氧化动力学曲线都符合氧化膜抛物线生长动力学规律;在600℃高温下,PCrNi3MoVA钢中的内氧化层形成了具有网络结构的粘附层,该网络结构主要由富含Ni和Cr的尖晶石氧化物组成,而该粘附层并不能成为防止氧化的屏障;30SiMn2MoVA钢氧化层的内层为Si氧化物的多孔聚集区,结构较为松散,氧化物剥落较为严重;MPS700钢的内氧化层形成了富含Cr的保护性氧化层,有效的阻碍了氧化的继续进行;同时,Mo稳定了氧化膜,间接提高了抗氧化性;综合对比,由于Cr、Mo等合金元素的综合作用,在高温工况下MPS700钢比PCrNi3MoVA钢和30SiMn2MoVA钢能够更好地形成致密的氧化层,从而可降低基体的高温氧化和磨损程度,更有适用于制备长寿命、高可靠性身管材料。

钨及钨合金强化方法和烧结工艺研究进展

钨及其合金因其优异的性能被广泛应用于核工业、航空航天等极端环境中,但钨固有的低温脆性和重结晶脆性也限制了它的进一步应用。本文结合近年来相关研究,从钨及其合金的成分和制备工艺两方面出发,综述了钨基材料性能方面的改善及其实现方法。成分调控领域有Re,Ta和Nb等元素的固溶强化,以及碳化物和氧化物的第二相强化;制备工艺方面分为场辅助烧结的热压、放电等离子烧结(Spark Plasma Sintering,SPS)和微波烧结等工艺,以及无场辅助烧结的活化烧结和无压两步烧结方法。最后,总结了现有工艺和技术的发展现状,对不同制备工艺的发展趋势进行了展望。

锂离子电池二硫化钼基负极材料研究进展

锂离子电池以其便携、无记忆效应、循环寿命长等特点广泛应用于移动电子设备、电动汽车等领域。负极材料的改进是制备新型高性能锂离子电池的重要环节。具有类石墨烯结构的二硫化钼是极具发展潜力的锂离子电池用负极材料。但纯二硫化钼导电性差、充放电过程中体积膨胀率高,导致其可逆容量低、容量保持率差。复合化与纳米化是解决上述问题的有效途径。综述了近年来用于锂离子电池负极材料的二硫化钼基复合材料研究进展,重点介绍了二硫化钼/碳和二硫化钼/过渡金属化合物体系的形貌特征、比容量、循环稳定性等,并对二硫化钼基负极材料的发展趋势进行了展望。

间隙原子掺杂高熵合金的研究进展

分析了间隙原子C、N、O、B对高熵合金组织和性能的影响;总结了四种间隙原子含量及其产生的固溶强化、晶粒细化、第二相强化作用对高熵合金组织及性能等方面影响,大量的研究表明,在高熵合金体系中掺杂间隙原子不仅可以调控相结构组成(促进/抑制相变,析出第二相颗粒),还可以改变其形变机制(TWIP、TRIP效应)以实现材料的强韧化.其有效利用既可以拓宽高熵合金的设计思路,也可以有效降低航空材料的制备成本.最后提出了含间隙原子的高强高韧高熵合金组织结构设计研究的新方向:(1)了解不同类型高熵合金的掺杂机理,建立更适合高熵合金体系的固溶强化模型;(2)找出合适的间隙原子及其掺杂量来调节高熵合金微观结构和力学性能.研究设计掺杂不同间隙原子的高熵合金有望揭示不同间隙原子对其相结构、形变机制和力学性能的影响,具有重要的科学及工程实践意义.

高熵合金涂层的研究现状

高熵合金(HEAs)由于具有优异的力学性能、耐磨性、耐蚀性等优点,自发现至今便备受瞩目。高熵合金成本较高,常制成涂层来改善材料表面性能。本文简要介绍了高熵合金的概念和特点,以高熵合金涂层(HECs)的制备(主要包括激光熔覆、等离子熔覆和磁控溅射)和改性为主线,综述了该领域的发展现状,并展望了其研究前景。

高熵合金涂层对铝/钢液固复合双金属组织和性能的影响

本工作利用超音速火焰喷涂技术在45钢表面热喷涂FeCoCrNiAl高熵合金涂层,并采用液固复合的方法制备了铝/钢双金属复合试样,研究了高熵合金涂层对铝/钢双金属界面组织和性能的影响。利用相图计算软件Thermo-Calc计算了Al-Fe-Si体系在600℃和750℃下的等温截面,并采用SEM-EDS、EBSD、EPMA、纳米压痕仪和万能力学试验机对铝/钢双金属界面的微观组织和性能进行分析。结果表明:未喷涂高熵合金涂层和喷涂高熵合金涂层的铝/钢双金属之间均实现了冶金结合,在双金属界面处均未观察到裂纹等缺陷,过渡层平均厚度分别为24.5μm和25.7μm。界面过渡层均由Al_(5)Fe_(2)、τ1-(Al,Si)5Fe_(3)、Al 13 Fe 4、τ5-Al_(7)Fe_(2)Si和τ6-Al_(9)Fe_(2)Si 2组成,笔者以此绘制了铝/钢之间的扩散路径。喷涂高熵合金涂层的铝/钢双金属经液固复合后界面处未发现高熵合金层;Co、Cr、Ni元素以固溶的形式存在于双金属基体和过渡层中,并未改变Al_(5)Fe_(2)相在[001]方向上的择优取向。铝/钢双金属界面过渡层的纳米硬度较两侧基体高,过渡层中Al_(5)Fe_(2)相的平均硬度最高;Co、Cr、Ni固溶到过渡层中,对过渡层硬度的影响不大。铝/钢双金属界面剪切强度为8.3 MPa,钢表面喷涂高熵合金后,铝/钢双金属界面剪切强度为12.2 MPa,剪切强度提高了47%。铝/钢双金属剪切断裂均为脆性断裂,断口组织主要为Al_(5)Fe_(2);热喷涂高熵合金后,试样断口具有更多的撕裂棱,高熵合金涂层各元素在Al_(5)Fe_(2)中的固溶一定程度上提高了Al_(5)Fe_(2)的强度。

基于压缩感知的波束选择算法研究

针对大规模毫米波多输入多输出(MIMO)数字波束成形射频链多、成本高且功耗大等难题,研究了低硬件复杂度和功耗的混合波束成形算法,基于第三代合作伙伴计划(3GPP)的TR 38.901 V16.1.0构建了毫米波无线信道仿真模型,以系统“和速率”最大化和总发射功率最小化为优化目标,获得了基于压缩感知的波束选择算法。仿真结果表明:本文所研究基于压缩感知波束选择算法的混合波束成形系统“和速率”随着用户数K近似对数增长。系统“和速率”会受到多用户干扰的限制,在信噪比为10 dB且用户数K较大时,波束选择算法比全数字多用户波束成形算法的系统总发射功率高约2 dB,但波束选择方案有着较低的系统复杂度。

陶瓷颗粒增强镍基复合材料力学性能研究进展

镍基复合材料具有优异的力学性能、热稳定性和耐腐蚀性,在恶劣服役环境下,有限的硬度、强度、抗蠕变性能制约了其进一步应用,而添加硬质陶瓷颗粒可以显著改善其性能。综述了不同陶瓷颗粒增强镍基复合材料的最新研究进展,以及各种增强颗粒对复合材料力学性能的影响,并对其发展前景进行展望。

回火温度对3Cr3Mo3VNb钢力学性能和断口形貌的影响

通过控制回火温度,获得了不同力学性能的3Cr3Mo3VNb钢。试验结果表明,在300~680℃回火温度区间内,试验钢的硬度整体呈下降趋势,在500℃回火后出现二次硬化现象,试验钢加速软化发生在600℃以上高温回火;其冲击韧性在300~680℃回火温度区间逐渐增强,650℃以上回火后,冲击韧性快速提升。经过不同温度回火后,3Cr3Mo3VNb钢得到不同的室温组织,其显微组织由回火马氏体转化为回火屈氏体和回火索氏体。碳化物的形态由颗粒状转化成长条状,最后为块状。试验钢的断裂方式为准解理断裂和韧性断裂,准解理断裂发生在300~650℃温度区间,韧性断裂发生在680℃高温回火。试验钢的冲击韧性受显微组织和碳化物的影响较大。

关节轴承配副表面CrDLC和WDLC薄膜摩擦学性能研究

为满足大载荷直升机技术指标需求,使其旋翼系统配套的关节轴承在高承载能力同时,在复杂作业环境下具有更好的抗磨降磨能力,提升轴承的寿命性能指标。以大载荷直升机旋翼系统使用的某型号自润滑关节轴承为研究对象,在9Cr18关节轴承内圈基材表面通过非平衡磁控溅射分别制备CrDLC和WDLC 2种薄膜,分别利用扫描电镜、三维形貌仪、往复式球盘摩擦磨损试验机和低速重载压摆摩擦磨损试验机等,对2种改性薄膜试样的微观结构、摩擦磨损性能以及磨痕形貌等进行测试试验。研究结果表明:在球盘摩擦试验阶段初期,2种薄膜的摩擦因数都呈逐渐增大的趋势,随着摩擦过程的进行,摩擦因数均趋于稳定且一直保持在一定的范围内波动;相对于9Cr18CrDLC试样,9Cr18WDLC试样的摩擦因数稳定时间短,整体摩擦过程比较平稳,摩擦因数相对较低,表现出较好的摩擦性能;9Cr18WDLC涂层与自润滑衬垫对磨过程相对平稳,摩擦因数在一定小范围波动,整体磨痕较浅,整体磨损体积较小,表现出较好的抗磨性。通过摩擦学性能分析可知,对于基材为9Cr18材料,选用WDLC薄膜,具有较好综合抗磨减磨性能。

钼电极表面Y2O3-玻璃基涂层抗氧化性能研究

目的提高钼电极在玻璃炉窑烘窑过程中的抗氧化性能。方法在纯钼基体表面制备不同Y2O3含量的玻璃基抗氧化涂层。对涂层分别在800、1000、1200℃下进行抗氧化测试,利用扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)对涂层在氧化前后的形貌、成分和物相进行检测,利用热分析仪对涂层粉体进行差热分析(DTA)。结果随着Y2O3成分含量的增加,硅酸盐玻璃的软化点温度不断降低,晶化放热峰也越来越低。Y2O3含量为10%和20%的涂层表面结构完整,整体比较致密,在1200℃高温氧化条件下,在第1h内出现增重,之后随着加热时间的延长,增重趋于稳定。Y2O3含量为30%的涂层表面呈致密片状结构,部分出现脱落,样品在氧化过程中出现明显失重。结论Y2O3含量为10%的Y2O3-玻璃基涂层经过1200℃抗氧化实验后,表面完整,试样增重较少,性能优良。涂层截面分为过渡层、中间层和最外层。过渡层主要为MoO2和MoO3,中间层主要是BaMoO4,最外层主要是SiO2。涂层抗氧化机理为互熔反应型保护机理和惰性熔膜屏蔽型保护机理。

B_(4)C-SiC复合陶瓷的制备及其物理力学性能研究

为提升B_(4)C基陶瓷的力学性能,利用热压烧结工艺在不同压力(30,35,40 MPa)下制备了B_(4)C-20%SiC(质量分数)复合陶瓷试样,并对其物理力学性能进行了研究。利用阿基米德排水法、压痕法、三点弯曲法、单边切口梁法测定复合陶瓷的密度、气孔率、维氏硬度、弯曲强度以及断裂韧性,同时利用扫描电子显微镜和X射线衍射仪分析并表征复合陶瓷的微观组织、物相组成、断口形貌等。研究结果表明,B_(4)C-SiC复合陶瓷主要由B_(4)C和SiC两相组成,其微观组织随着烧结压力的增大而变得更加致密;当烧结压力由30增至40 MPa时,B_(4)C-SiC复合陶瓷的密度由2.22增至2.64 g·cm^(-3),气孔率由1.47%降至1.02%,维氏硬度由17.0升至32.6 GPa,弯曲强度由312.7提升至447.6 MPa,断裂韧性由4.79增至7.21 MPa·m^(1/2)。当烧结压力达到40 MPa时,复合陶瓷断裂过程中,发生裂纹偏转,这种现象与致密的微观组织以及B_(4)C和SiC热膨胀系数不匹配有关。

铝钼共掺杂氧化锌粉末的制备及光电性能研究

采用水热法制备了不同含量的铝(Al)单元掺杂及铝(Al)、钼(Mo)共掺杂氧化锌(AZO、AZMO)纳米粉体,利用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、高分辨透射电镜(HRTEM)、荧光分光光度计(PL)、紫外分光光度计(UV-vis)、TG-DTA差热分析、激光粒度分析仪、四探针电阻测试仪等测试手段,探究了Al单元掺杂和Al、Mo共掺对AZO、AZMO粉体结构、形貌及光电性能的影响。结果表明:所制备的AZO和AZMO纳米粉体为结晶度良好的六方纤锌矿结构。Al、Mo掺杂浓度影响纳米氧化锌粉体形貌、晶体结构及光电性能。随着Al、Mo掺杂浓度的增加,粉体的结晶质量降低,晶粒尺寸先减小后增大,光电性能先变好后变差。适度的Al、Mo共掺杂可使氧化锌禁带宽度和电阻率达到最优匹配,改善氧化锌的近紫外发光和蓝色发光特性。在掺杂浓度为m(Al)∶m(Mo)=1∶3时,纳米粉体的综合光电性能最佳,禁带宽度为3.392 eV,电阻率为20.3Ω·m,紫外发光峰强度最大,且出现了蓝移。

Na掺杂MoO_(3)陶瓷靶材的制备及其成膜性能研究

为满足薄膜太阳能电池对Na源充足与稳定的需求,以钼酸钠和氧化钼粉为原料,采用放电等离子烧结技术(SPS)制备了Na掺杂MoO_(3)陶瓷靶材(Na-MoO_(3)),研究了烧结温度、烧结助剂Al和Na掺杂含量(“含量”指摩尔分数)对Na-MoO_(3)靶材结构、组织、致密度以及Na回收率的影响。结果表明:在烧结助剂Al含量为1%、Na含量为3%、烧结温度为450℃的实验条件下,可以制备出致密度高(相对致密度98.2%)、钠回收率高(94.3%)的Na-MoO_(3)陶瓷靶材。随着掺杂含量的增加,Na-MoO_(3)靶材致密度和Na回收率降低。将含1%Al和3%Na的氧化钼陶瓷靶材通过磁控溅射工艺溅射成膜,所制备的Na-MoO_(3)薄膜结构致密,0.28%Na元素均匀弥散分布于薄膜中。

马氏体沉淀硬化不锈钢0Cr15Ni5Cu3Nb热变形行为与热加工图研究

采用Gleeble-1500D热模拟试验,研究了马氏体沉淀硬化不锈钢0Cr15Ni5Cu3Nb(15-5PH)在850~1250℃、0.001~1 s^(-1)条件下的热变形行为和微观组织演化机制。研究结果表明:材料变形过程存在加工硬化、动态软化和流变稳态的特征。利用Arrhenius型双曲正弦方程,建立了15-5PH热变形本构模型ε·=4.336×1018[sinh(0.011×σ)]^(5.817) exp(-519543/RT)。该模型预测值与试验值平均相对误差7.1%,能较好地描述15-5PH热变形行为。15-5PH在高应变速率条件下可能发生流变失稳现象。热变形过程,15-5PH可发生动态再结晶现象,动态再结晶晶粒尺寸和体积分数随着温度的升高或应变速率的降低而增加。

应变强化奥氏体锰钢的处理工艺及耐磨性能研究

对奥氏体锰钢进行变质处理,开展了固溶、时效等热处理试验和动载冲击磨损试验,研究了变质和热处理等因素对组织和耐磨性的影响。结果表明:奥氏体锰钢具有应变强化效应,通过变质处理,使铸态组织和晶粒明显细化,组织状态得以改善。奥氏体锰钢经1080℃固溶+250℃时效处理后,可获得较优的显微组织和耐磨性能。

铸造Fe-Cr-B-Al合金高温氧化行为研究

在高铬合金钢中引入B元素和Al元素来改善高温抗氧化性能,并对Fe-Cr-B-Al合金900℃高温氧化行为进行了研究。结果表明,Fe-Cr-B-Al合金的氧化增重远低于高铬合金钢的氧化增重,原因是Fe-Cr-B-Al合金的氧化产物外层为致密的Al_(2)O_(3),可以有效阻挡O元素向内扩散;内层为FeCr_(2)O_(4),与Al_(2)O_(3)形成的复合氧化膜可以削弱电子流动,从而使Fe-Cr-B-Al合金具有更优异的高温抗氧化性能。

Al_(2)O_(3)掺杂钼合金的显微组织及电化学腐蚀行为研究

研究了在3.5%NaCl溶液中,Al_(2)O_(3)掺杂对钼合金电化学腐蚀性能的影响,并分析了合金的腐蚀机理。结果表明:Mo-Al_(2)O_(3)合金的耐腐蚀性能显著优于纯钼,随着Al_(2)O_(3)含量的增加,Mo-Al_(2)O_(3)合金的耐腐蚀性能先提升后下降。在腐蚀过程中,Cl^(-)优先吸附于钼合金氧化膜的缺陷位置形成点蚀,随着电位的增大,点蚀沿晶界扩大成为腐蚀沟槽。Al_(2)O_(3)可细化钼晶粒,从而促进钼合金形成致密的氧化物薄膜,不易发生点蚀,从而提升钼合金的耐腐蚀性能;但当钼合金中Al_(2)O_(3)的体积分数达到1.6%时,Al_(2)O_(3)颗粒由于团聚长大,破坏了钼合金氧化膜的完整性,使其对合金基体的保护作用减弱,导致钼合金耐腐蚀性能下降。

pd因子对金属材料磨损行为的影响

金属材料的磨粒磨损性能常采用载荷(p)或磨粒尺寸(d)单因素参数进行评估,为了考察载荷和磨粒尺寸对金属材料磨损性能的综合影响,本文提出用pd因子(载荷与磨粒尺寸的乘积)来表征金属材料的磨损行为,研究了pd因子与不同金属材料磨损量之间的关系。结果表明:根据统计分析结果,金属材料的磨损量与pd因子呈现线性关系,随着pd因子值的增加,金属材料的磨损量也随之增加。利用弹性理论,建立了金属材料磨粒磨损的新模型,该模型能较好的反映pd因子对金属材料磨粒磨损性能影响的特征和机制。