外场在轻金属氢化物储氢体系中的应用

清洁能源的开发是缓解日益严峻的能源危机的关键,以氢能为代表的绿色二次能源正受到越来越多的关注。然而,安全、高效的氢气储运技术的缺失严重阻碍了氢能的规模化、实用化发展。在已报道的多种储运氢技术中,固态储氢因具有安全性高、储氢密度高、操作压力低等特点而成为研究的热点和重点,尤其是轻金属固态氢化物储氢材料。但是,轻金属氢化物较高的吸/放氢操作温度与缓慢的吸/放氢速率阻碍了其实用化发展。尽管近年来有关优化金属氢化物储氢性能的报道层出不穷,但距离实用化仍有一定差距。微波、光、超声、等离子体与电场等外场自提出以来,已经在化工、物理、材料等多个领域被广泛研究。近年来,外场在储氢领域的应用也逐渐获得研究人员的关注并取得了重要进展,如对外场辅助制备储氢材料、改善吸/放氢性能等方面已有广泛研究。在储氢系统中引入外场有望进一步提升材料储氢的综合性能,助力金属氢化物储氢技术迈向实用化。虽然外场在储氢领域展现出一定的发展潜力和研究价值,但其反应机理和实际应用还有待进一步深入探索和研究。主要介绍近期有关外场应用在金属氢化物储氢体系中的作用机理和研究进展。

FeMnAlNi系超弹性合金的研究进展

FeMnAlNi系合金因极大的超弹性温度范围(-196~240℃)与马氏体相变临界应力极低的温度依赖性(Clausius-Clapeyron斜率压缩时小于0.2 MPa/℃,拉伸时小于0.5 MPa/℃),在航空航天、空间探索、减振抗震等方面展现出了良好的应用前景,成为近年来超弹性合金研究的热点。FeMnAlNi系合金的超弹性受到多种因素的影响,提高其超弹性的关键在于控制析出相合理的析出状态提高相变的热弹性,增大晶粒尺寸提高相变的协调性,选择合适的晶粒取向激活更多的马氏体变体。首先介绍了马氏体相变与超弹性的关系,然后从FeMnAlNi系合金特殊的马氏体相变出发,对影响其超弹性的主要因素,包括组织因素(析出相、晶粒尺寸、晶粒取向)以及环境因素(磁场、温度)目前的研究进展作出了归纳与总结,最后对Fe-MnAlNi系超弹性合金未来的研究发展方向进行了展望。

生物医用超细晶钛及钛合金的研究进展

随着生物医用金属材料的市场应用快速增加,生物医用钛及钛合金已成为人体植入物的主要原料,然而相比于不锈钢及钴基合金,常规钛及钛合金虽在生物医用领域各方面性能都较为优异,但作为植入物处于人体较为复杂的环境中时,其各方面性能还有待提高。因此,超细晶钛及钛合金的研发在医用市场具有广阔的前景。目前,市场上超细晶金属材料的制备以剧烈塑性变形工艺为主,其中等通道转角挤压变形的制备方式较为成熟。对生物医用超细晶钛和钛合金的类型及特点作了简单的介绍,着重从等通道转角挤压变形方式制备的超细晶钛及钛合金在生物医学上的耐蚀性、生物相容性、力学性能及疲劳性能等方面进行了简述,对其在医疗市场的未来发展趋势作出了展望,并总结了其未来发展待解决的问题。

建筑用石蜡类相变储能材料的改性研究进展

随着人们对热舒适需求的日益增加,建筑能耗也随之增大,目前已经成为世界上最大的耗能产业。针对热能储存系统的研究对促进更有效、更环保的能源利用具有重要意义。石蜡类相变储能材料因具有优良的热物理性能而成为建筑节能方面的研究热点,如蓄热密度高、熔点范围宽、经济适用性好等,但仍存在固-液相变时易发生渗漏及导热性能差等问题。近年来,研究人员致力于开发性能稳定、相变潜热高和导热性能优异的复合相变材料,以使其在建筑领域具有更广阔的发展前景。通过将石蜡与不同高导热材料复合,可以大大提高该复合相变材料的导热性能,且不会发生泄漏。基于目前的研究进展,首先介绍了石蜡类相变储能材料的基础热物理性能,并根据石蜡的化学结构介绍了含不同碳原子数的石蜡的相变温度及相变过程。针对其渗漏的问题,讨论了宏观封装、微胶囊封装和多孔材料吸附3种改进方式;针对其导热性能差的问题,讨论了添加高导热材料、使用不同种类无机化合物包裹以及浸入多孔高导热材料中3种强化传热的方式。最后,对石蜡类相变储能材料在建筑领域的发展前景进行了展望,以期研发出吸附效果及导热增强效果更好的高导热吸附材料,使得石蜡复合相变材料具有更好的使用性能。

铜镍合金在海水冲刷条件下的腐蚀行为与机理研究进展

海洋与船舶工程技术的快速发展,对材料的耐蚀性能提出了越来越高的要求。铜镍合金是以镍为主要合金元素、对铜合金进行改性而发展形成的一类铜合金,因呈现银白色金属光泽,故也称为白铜。铜镍合金的耐蚀性优异,且易于塑性加工和焊接,因此在海洋与船舶工程、石油化工等领域得到了非常广泛的应用,尤其是在耐海水冲刷腐蚀方面展现出优异的性能。针对国内外铜镍合金海洋腐蚀的研究现状,分别从材料因素和环境因素2个方面,对铜镍合金在海水冲刷条件下的腐蚀行为规律、影响因素和腐蚀机理进行了综合分析与评述;在此基础上,重点分析指出了耐更苛刻环境合金材料研发工作少、耐蚀机理未形成统一认识、研究手段有待于拓展、缺乏合金构件腐蚀行为研究4个方面的问题,并提出了针对性的建议和解决途径;最后对其未来的发展方向进行了展望。

混凝土抗硫酸盐侵蚀性能及其离子扩散影响因素研究

为了进一步解释混凝土受硫酸盐侵蚀劣化机理,研究了不同水胶比以及养护时间对全浸泡下混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的影响,分析了硫酸盐在混凝土中的扩散过程。试验制备了0.32、0.35、0.38这3种水胶比的普通硅酸盐水泥混凝土试件,对其质量、动弹性模量、抗压强度、SO4^(2-)浓度等指标进行分析。结果表明:全浸泡条件下,混凝土抗硫酸盐侵蚀性能随着水胶比的降低而提高;养护28 d的混凝土抗硫酸盐侵蚀能力大于养护3 d的混凝土,养护时间越短,水化过程越不完全,混凝土劣化速度越快;混凝土中SO4^(2-)浓度随着水胶比的降低而降低,随着养护时间的减小而增大。

骨植入医用钛合金表面改性涂层研究进展

钛合金具有优良的力学性能以及良好的生物相容性,使其广泛应用于骨植入生物医药领域。随着植入物性能要求的不断提高,力学性能优异的高强模比新型医用钛合金逐渐被开发,同时,由于钛合金存在表面细胞粘附性差等骨整合问题,通过表面改性来提升钛合金生物相容性成为医用钛合金的研究焦点。概述了骨植入医用钛合金的发展历程和常用的表面改性涂层技术,侧重介绍了羟基磷灰石(hydroxyapatite,HA)涂层、壳聚糖涂层以及利用阳极氧化法在钛合金表面制备的TiO 2纳米管阵列涂层。总结了涂层结构、晶型、离子掺杂等对钛合金表面润湿性、细胞增殖分化的影响规律。指出在新型低弹性模量钛合金上,通过制备表面改性涂层和多种表面改性方法结合,提高植入物的骨整合能力以及实现功能化是未来医用钛合金表面改性的主要方向。

聚合物复合固体电解质材料研究进展

固体电解质是发展高安全、高能量密度全固态锂电池的重要材料基础。由聚合物相与无机相复合形成的聚合物复合固体电解质,兼具聚合物轻质、柔性,以及无机材料高强度、高稳定性等优势,是最具应用潜力的固体电解质材料。目前,制约聚合物复合固体电解质实际应用的主要瓶颈问题为其室温离子电导率较低。综述了目前关于聚合物复合固体电解质离子传导机制的科学认识以及提升其离子电导率的方法,分析了先进表征工具在揭示聚合物复合固体电解质离子传导机制方面的应用潜力,并展望了聚合物复合固体电解质未来的发展方向和工作重点。

重型燃气轮机高温叶片热障涂层烧结问题研究进展

燃气轮机是清洁高效火电能源系统的核心动力装备,对保障国家能源安全和国防安全具有重要意义。燃气轮机技术等级的主要标志是透平前燃气温度水平,目前国际先进重型燃气轮机的已达到1500~1600℃,这对燃气轮机高温叶片设计与制造提出了严峻挑战。为此,科技人员提出了多种应对方案,相对而言,热障涂层制造成本较低,隔热效果显著,是国际公认的重型燃气轮机制造的关键核心技术之一。在长期高温服役环境下,热障涂层系统的陶瓷隔热层会发生显著的烧结现象,从而引起涂层微结构、力学、热学性能的变化,严重影响涂层的热障效果和安全服役。可见,陶瓷层烧结是制约热障涂层长期服役稳定性与寿命的瓶颈之一。介绍了重型燃气轮机热障涂层烧结问题的最新研究进展,包括烧结现象及其表征、烧结力学模型及其行为预测、抗烧结涂层的设计及其验证、抗烧结参数及评价方法等,并对未来研究方向进行了展望。

LDHs材料的制备及光催化应用研究进展

层状双金属氢氧化物(layered double hydroxides,LDHs)具有层板化学组分可调、层间阴离子易交换、插层分子种类多、比表面积大等优点,可作为理想的光催化剂,具有重要的应用前景。LDHs光催化剂的制备方法主要有共沉淀法、水热法、离子交换法等,在此基础上,探讨了LDHs光催化材料在光催化产氢或产氧、光催化还原CO_2、光降解有机污染物以及光电催化等领域的应用。尽管LDHs材料的光催化应用研究取得了良好的进展,但是LDHs光催化材料的催化活性仍然较低,实现太阳能的高效利用及光催化反应过程的高转化率仍然具有很大的挑战性。针对这一困境,可以采取以下措施:①开发新的纳米材料合成技术,实现LDHs材料的成分、微结构的可控合成;②发展原位表征技术,直观研究光催化反应的微观动态过程和相关规律;③构建新颖的LDHs基光催化材料,使其光子吸收与利用率、光生载流子分离效率与表面催化反应效率协同提高,获得较高光催化效率。

抗菌多肽改性杂萘联苯聚芳醚腈酮研究

人工生物材料容易引起各种各样的细菌感染。抗菌多肽因其优异的抗菌性能及不易产生耐药性细菌等优点,被应用于表面改性生物材料。杂萘联苯聚芳醚腈酮(PPENK)因具有优良的力学性能及易于消毒等特点,有望作为聚芳醚类生物材料。采用表面化学改性的方法在PPENK表面固定阳离子抗菌多肽,可赋予其抗菌性能,拓展杂萘联苯聚芳醚材料在生物医用领域的应用范围。采用伯胺引发氨基酸环内酸酐开环聚合的方法,合成结构不同的两种多肽,然后利用点击化学的原理,将多肽固定到PPENK表面。通过核磁共振氢谱表征所合成聚合单体及多肽的结构。利用傅里叶变换衰减全反射红外光谱(ATR-FTIR)及X射线光电子能谱(XPS)分别表征材料表面化学结构、元素及含量变化。通过表面接触角测试材料的亲疏水性。采用MTT法对表面接枝抗菌多肽的PPENK进行细胞毒性测试。使用大肠杆菌及金黄色葡萄球菌对表面接枝抗菌多肽的PPENK进行抑菌活性测试。结果表明,点击化学的方法可以将多肽成功固定在PPENK表面,多肽的引入可以提高PPENK材料的亲水性。细胞毒性测试表明,细胞的存活率均超过80%;抑菌活性测试说明,在PPENK表面引入阳离子抗菌多肽后,可以提高材料对细菌的抑制作用,从而达到抗菌的效果。

C/C复合材料表面等离子喷涂ZrB_2基涂层沉积残余应力仿真分析

在C/C复合材料表面采用等离子喷涂ZrB_2基陶瓷涂层是提高复合材料抗氧化性能的理想途径。为有效防止热裂纹的产生、设计性能更优的材料,基于数值模拟,通过合理的模型,采用间接顺序热结构耦合,可预测涂层在沉积过程中由于热失配引起的宏观残余应力的大小和分布。结果表明,径向应力是残余应力的主要表现形式;较厚的粘结层能够有效缓解材料的热物性差异;涂层的厚度为0. 5 mm时能够保证涂层表面不会因为受压而开裂的情况下在界面处的残余应力较小;涂层体系的材质倾向于导热系数较高、热膨胀系数较低的ZrB_2-30%SiC(体积分数)材料,以保证涂层在边缘不会有太大的拉应力而产生翘曲。

O相合金Ti_2AlNb的研究进展

具有O相结构的Ti_2Al Nb合金是在Ti3Al系合金基础上拓展出来的新型金属间化合物材料,兼具了高的高温强度和相对较低的密度的特点,有望替代现有的Inconel 718镍基高温合金,用于制造高推重比航空发动机中的非转动部件甚至转动部件。概述了Ti_2Al Nb合金的特点和近年来我国在Ti_2Al Nb合金工程化研究方面取得的主要进展,对Ti_2Al Nb合金存在的不足以及当前研制过程中存在的主要问题进行了阐述,指出应立足于现有的钛合金冶炼和加工装备,并结合Ti_2Al Nb合金自身的特点,开发出成本更低、生产效率更高的工业化生产工艺技术。

利用工业固体废渣制备新型建筑材料的研究进展

日益增加的工业废渣已成为社会公害,由工业固体废渣引起的环境污染和社会问题正受到世界各国的高度关注,工业固体废渣的合理利用成为国民经济和社会发展中迫切需要解决的重大问题。简要介绍了国内外工业固体废渣利用现状,研究了几种工业固体废渣的化学组成、物相组成特点,探讨了工业固体废渣的无害化、减量化和资源化利用途径,提出了基于废渣化学组成协同-互补-相克效应基础上的废渣最佳组合和最大化利用概念与方法,介绍了作者团队近年在固体废渣的高掺量、高附加值利用开发研究方面的最新成果,指出了利用工业废渣制备建筑材料未来应重点研究的内容与方向。

“中国3D打印材料及应用发展战略研究”咨询项目启动会在京召开

2017年3月25日，由周廉院士担任总负责人的“中国3D打印材料及应用发展战略研究”咨询项目启动会在北京工大建国饭店成功召开。中国工程院院士周廉、关桥、卢秉恒、江东亮、戴魁戎、王华明、李仲平、王玉忠、毛新平，中国工程院吴国凯副秘书长，中国工程院化工、冶金与材料工程学部办公室王爱红主任，以及来自全国近50家单位的100余位专家出席了会议。南京工业大学常辉教授主持了启动会。

高韧性水泥基复合材料强度尺寸效应试验研究与正交分析

尺寸效应是水泥基材料的固有特性,它与材料的配合比、强度以及结构组成等因素有关。高韧性水泥基复合材料是一种新型复合材料,具有优异的韧性,但同时其结构组成与普通混凝土相比也具有较大差异。然而,目前针对尺寸效应的研究大多限于普通混凝土和高强混凝土,并且尚无相关标准对高韧性水泥基复合材料尺寸效应的处理作出规范。为了探究该种复合材料的抗压强度尺寸效应,本文采用两种不同尺寸的立方体试件,对16组不同配合比的高韧性水泥基复合材料进行了单轴抗压试验和正交分析,研究了纤维掺量、水胶比、粉煤灰掺量和砂胶比这4个因素对材料强度尺寸效应的影响情况。试验结果表明:与普通混凝土相比,高韧性水泥基复合材料的脆性特征明显减小;诸因素对尺寸效应影响的主次顺序为水胶比>纤维掺量>粉煤灰掺量>砂胶比,其中水胶比和纤维掺量的影响均非常显著,而砂胶比对尺寸效应影响甚微。

激光选区烧结用陶瓷材料的制备及其成型技术

相对于传统技术,3D打印技术在直接成型复杂形状金属和高分子零部件方面显示出了巨大的优越性。然而,3D打印技术在陶瓷零部件的成型方面尚存在诸多难题。为此,华中科技大学史玉升教授团队在3D打印陶瓷材料的制备及其成型技术方面做了较多研究。详细介绍了激光选区烧结(SLS)技术中复合粉体的两种主要制备方法:一种是通过机械混合法将陶瓷粉体与高分子聚合物机械混合制得SLS成型用复合粉体;另一种是通过溶解沉淀法或溶剂蒸发法将高分子聚合物包覆在陶瓷颗粒表面制得复合粉体。研究表明,采用上述两种制粉方法均可制备出具有良好流动性的适于3D打印的复合陶瓷粉体。还系统地讨论了SLS素坯的成型机理以及预热温度、激光功率和单层厚度等SLS工艺参数对陶瓷素坯的力学性能和成型精度的影响。在此基础上,采用最佳SLS工艺参数制备出传统成型工艺难以成型的具有三维孔洞结构的多孔堇青石和高岭土陶瓷零部件。此外,结合SLS工艺与冷等静压(CIP)技术提出了SLS/CIP复合成型技术,提高了SLS成型陶瓷的致密度和力学性能,制备出高性能、复杂结构的Al_2O_3、ZrO_2、Si C等致密陶瓷零部件,为采用3D打印技术制备航空航天、国防等领域用高性能陶瓷零部件打下了良好的基础。

润滑材料的空间环境效应

卫星、人造飞船、空间实验室、空间站等航天器涉及诸多的机械运动部件,润滑材料和润滑技术是空间机械运动部件长期可靠工作的关键,对于降低机械运动部件的摩擦磨损、延长其工作寿命发挥着重要作用。在空间环境条件下,润滑材料可能会面临高真空、极端温度、温度交变、原子氧、紫外/质子/电子辐射、微陨石及空间碎片等苛刻环境因素,上述空间环境因素可能会引起润滑材料结构、组分的变化及其性能的堕化,从而导致机械运动部件的润滑失效。主要综述了目前常用的空间润滑材料及各种空间环境因素对润滑材料的影响,着重探讨了真空、极端温度及原子氧辐照对润滑材料的影响,并对空间润滑材料的研究进行了展望。

含银微纳米复合材料在生物医学应用的研究进展

近些年来,微纳米复合材料发展十分迅速。微纳米复合材料通常由两种或以上的不同材料组成在一个单元结构里,藉此具有多功能的、功能增强或协同增强的特性。含银微纳米复合材料是其中重要的研究分支,在当前生物医学应用中取得了众多的功能集成或功能增强等研究成果。主要综述了银/聚合物和银/氧化铁两类微纳复合材料,首先总结了银/聚合物和银/氧化铁微纳复合材料的制备方法,包括乳液聚合法、原位生成/还原法、空穴法、离子交换法、一锅法、种子法、静电作用法以及胶束法等;其次,总结了银/聚合物和银/氧化铁复合材料在表面增强拉曼散射、光学成像、抗菌抗癌、免疫检测、电化学检测、催化降解等生物医学领域的应用,以及对未来发展趋势的展望。

无粘结相硬质合金的发展及展望

无粘结相硬质合金与传统的WC-Co硬质合金相比有着更高的硬度、弹性模量,同时耐腐蚀性和耐磨性也有着大幅的提高。由于没有金属粘结相的存在,无粘结相硬质合金的致密烧结十分困难。但是随着热等静压烧结(HIP)、放电等离子烧结(SPS)等先进烧结技术的发明及亚微、纳米粉末制造技术的进步,纯WC、WC-Ti C-Ta C、WC-Si C、WC-Mo C-Si C等多种无粘结相硬质合金不断涌现。这些材料被逐步运用在精密光学模具、喷砂嘴、核工业密封件等要求高精度、高硬度、高弹性模量、高耐腐蚀性的领域。主要对各种无粘结相硬质合金的性能及应用进行简单介绍,并对未来的发展方向做简单的展望。