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2023年  第30卷  第4期

通过3D打印和热挤压制备一种具有互穿结构的铝基复合材料

林育林, 王迪, 杨超, 张卫文, 王智

封面故事：轻量化金属结构材料在航空航天、武器装备和交通工具领域具有迫切需求。铝合金是轻量化金属材料中的重要一员，提升强度和比强度，有利于加速开发高性能铝合金，拓宽其应用范围。本文基于异构材料的设计理念，设计了一种铝/铝异构材料，这种粗晶铝点阵结构和纳米结构铝通过异构结合，可以获得较好的强韧性。

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研究论文
KOH辅助水相合成双金属有机骨架及其衍生的硒化物复合材料用于高效储锂研究
张书亚, 薛艳春, 张玉堂, 朱骋兴, 郭兴梅, 曹福, 郑祥俊, 孔庆红, 张俊豪, 范同祥
2023, 30(4): 601-610. doi: 10.1007/s12613-022-2539-8
中文摘要(973) PDF(57) SpringerLink
摘要:
金属有机框架（MOFs）是一类很有前景的多孔材料，其水稳定性和绿色环保的合成是当今工业界及学术界研究的两个重要课题。大部分MOFs材料通过溶剂热法制备，制备过程中使用的有机溶剂（如DMF）会限制其商业生产规模。因此，如果能够使用水作为溶剂宏量制备MOFs材料具有十分重要的研究意义。本文旨在开发具有结构优势和高存储容量的双金属硒化物作为锂离子电池的负极材料，利用KOH辅助的水性策略宏量合成双金属有机框架材料，并衍生制备多种双金属硒化物氮/碳（NC）复合材料，采用扫描、透射电镜观察、电化学测试等研究。其中，以Fe–Co–Se/NC为例，作为锂离子电池负极材料时，Fe–Co–Se/NC在1.0 A·g−1时实现了1165.9 mAh·g−1的优异初始比容量，经过550次循环后Fe–Co–Se/NC负极的可逆容量为1247.4 mAh·g−1。这些优异的性能与其介孔三维（3D）多面体结构有关，其稳定的三维结构保证了结构稳定性和电解质的润湿性，均匀分布的Fe–Co–Se纳米颗粒尺寸加速了电化学反应动力学并极大地抑制了体积膨胀。由此总结并提出，KOH辅助水相合成双金属MOFs的策略具有普适性，并且衍生制得的双金属硒化物氮/碳复合材料保留了双金属MOFs的三维多孔多面体结构，可将该技术扩展到其他MOFs的合成及储能与转换领域的应用。
研究论文
通过构建Li2ZnTi3O8@LiAlO2复合物来实现高性能的储锂材料
曲津朋, 赵钰燊, 纪玉瑞, 朱彦荣, 伊廷锋
2023, 30(4): 611-620. doi: 10.1007/s12613-022-2532-2
中文摘要(770) PDF(38) SpringerLink
摘要:
立方尖晶石结构的Li2ZnTi3O8（LZTO）具有成本低和安全性高的优势，被认为是代替碳材料作为锂离子电池负极材料的理想选择。然而，Li+和Zn2+离子位于LZTO的四面体位点，在一定程度上阻碍了离子的迁移，导致LZTO电导率差，锂离子扩散系数低。LiAlO2的包覆有效避免了电极表面与有机电解质的接触，从而减少了副反应的发生。因此，本文采用简单的高温固相法合成了Li2ZnTi3O8@LiAlO2复合材料。结果表明：LiAlO2改性未改变LZTO的形貌和粒径，但是提高了其结构稳定性、锂离子脱嵌的可逆性和电化学活性，促进了锂离子的迁移。Li2ZnTi3O8@LiAlO2 (8wt%)在0.5 C、1 C、2 C、3 C和5 C时的充电容量分别为203.9、194.8、187.4、180.6和177.1 mAh·g−1，表现出良好的倍率性能。然而，在相同的倍率下，纯LZTO仅有134.5、109.7、89.4、79.9和72.9 mAh·g−1的容量。即使在较大的充放电倍率下，Li2ZnTi3O8@LiAlO2(8wt%)材料也表现出良好的循环性能。在5 C倍率循环150次后后，Li2ZnTi3O8@LiAlO2(8wt%)仍具有263.5/265.8 mAh·g−1的充放电容量。LiAlO2的引入增强了LZTO材料的电子导电性，使Li2ZnTi3O8@LiAlO2复合材料具有优异的电化学性能。
研究论文
壳聚糖衍生的碳膜用于水系锌电池锌阳极的保护层
李海超, 魏增武, 夏雨, 韩峻山, 李星
2023, 30(4): 621-629. doi: 10.1007/s12613-022-2525-1
中文摘要(1339) PDF(61) SpringerLink
摘要:
水系锌电池(ZBs)具有成本低、安全性高等优点，被认为是最有前景的储能装置。然而，在放电和充电的过程中，负极上的异常生长的锌枝晶导致其较差的循环稳定性和低库伦效率低。壳聚糖是一种天然的富含氮和碳的氨基多糖。当高温烧结时，形成的碳膜具有优异的导电性和石墨化程度，碳膜可以增强锌离子均匀沉积的性能。本文以壳聚糖为原料，通过烧结制备了一种碳膜，并将其作为水系锌电池电极的保护层材料。结果表明，当采用800°C的烧结温度时，样品可以保持更光滑的表面，组装的电池在0.25 mA·cm−2的电流密度下可以循环使用达到700 h左右，远大于没有碳膜保护层的同类电池。
研究论文
通过部分刻蚀策略制备具有增强载流子转移的TiO2@NH2-MIL-125(Ti)复合材料用于光催化还原Cr(VI)
徐芳, 曹万宁, 李金周, 职松松, 高志永, 姜玉钦, 李伟, 蒋凯, 武大鹏
2023, 30(4): 630-641. doi: 10.1007/s12613-022-2559-4
中文摘要(941) PDF(62) SpringerLink
摘要:
金属-有机骨架(MOFs)材料具有孔隙率高、比表面积大、晶体高度有序、结构和功能可调控等独特优势，但是由于单一MOF材料导电性差、电子-空穴复合快等缺点，严重限制了光催化性能。因此，利用MOF基复合材料在两组分间的协同作用以获得增强的光催化性能引起了研究者的广泛关注。本文采用蒸馏水原位刻蚀法制备了具有不饱和钛-氧簇、介孔结构和紧密界面的TiO2@NH2-MIL-125(Ti)纳米复合材料。X射线光电子能谱表明TiO2和NH2-MIL-125(Ti)之间具有很强的电子相互作用，证实了TiO2@NH2-MIL-125(Ti)纳米复合材料的形成。光电化学测试和热力学测试表明TiO2@NH2-MIL-125(Ti)纳米复合材料提高了异质结界面载流子的电荷分离效率，降低了载流子的转移阻力，这有利于光激发电子的转移和Cr(VI)的还原。因此，与原始NH2-MIL-125(Ti)和NH2-MIL-125(Ti)完全衍生的TiO2相比，最优的TiO2@NH2-MIL-125(Ti)纳米复合材料(MT-2)表现出良好的光催化还原Cr(VI)性能。基于自由基捕获实验和电子顺磁共振波谱测试结果，推测了TiO2@NH2-MIL-125(Ti)纳米复合材料增强光催化活性的II型机理。
研究论文
钐对SmxMn0.3−xTi催化剂NH3选择性催化还原NOx过程中N2选择性的影响
张生杨, 张柏林, 邬博宇, 刘波, 张深根
2023, 30(4): 642-652. doi: 10.1007/s12613-021-2348-5
中文摘要(896) PDF(48) SpringerLink
摘要:
本文研究了Sm对Mn基催化剂NH3选择性催化还原NO的改善作用。采用共沉淀法制备了一系列SmxMn0.3−xTi催化剂(x = 0, 0.1, 0.15, 0.2和0.3)。活性测试表明，Sm0.15Mn0.15Ti催化剂在180‒300°C条件下，NO转化率达100%，N2选择性达87%以上。表征结果表明，Mn基催化剂中添加Sm，抑制了TiO2和Mn2O3相的结晶，提高了比表面积和酸性，其中Sm改性催化剂的比表面积从152.2增加至241.7 m2·g−1。这些作用有利于提高催化活性。X射线光电子能谱(XPS)结果表明，Sm0.15Mn0.15Ti的Sm3+/Sm和Oβ/O的相对原子比分别为76.77at%和44.11at%，添加Sm增加了表面吸附氧(Oβ)，降低了Mn4+的表面浓度；程序升温还原H2(H2-TPR)结果表明，Sm0.15Mn0.15Ti催化剂还原温度提高，H2消耗量降低至0.3 mmol⋅g−1。Sm的引入降低了催化剂Mn4+表面浓度，使得该催化剂氧化还原性能降低，进一步抑制NH3氧化和非选择性催化还原反应生成N2O，从而提高了催化剂的N2选择性。原位漫反射红外傅立叶变换光谱(DRIFTs)表明，Sm0.15Mn0.15Ti催化剂的NH3-SCR反应主要遵循Eley‒Rideal机制。Sm掺杂增加了Sm0.15Mn0.15Ti催化剂的表面吸附氧(Oβ)，降低了氧化还原性能，提高了Sm0.15Mn0.15Ti催化剂的NO转化率和N2选择性。
研究论文
AZ31B镁合金表面V/Ce转化膜层的耐蚀和导电性能的研究
杨金晓, 王旭东, 蔡毅仁, 杨秀玉
2023, 30(4): 653-659. doi: 10.1007/s12613-022-2463-y
中文摘要(616) PDF(37) SpringerLink
摘要:
以偏钒酸钠和硝酸铈为主盐，在AZ31B镁合金表面制备了V/Ce转化膜层。利用SEM、激光扫描共聚焦显微镜、XPS等技术对制备的膜层进行微观形貌观察与成分分析，进而探讨了成膜机理。结果表明：化学转化膜表面有着均匀网状微裂纹，并且在其上分布有球状颗粒。膜层物质主要由V、Ce和Mg的氧化物以及CeVO4组成。采用极化曲线和电化学交流阻抗谱(EIS)评估了基体和转化膜层的耐蚀性。与AZ31B镁合金相比，转化膜层的自腐蚀电位提高了200 mV，腐蚀电流密度降低了两个数量级。EIS测试表明经过化学转化后，镁合金的阻抗值由裸体的2.2 × 102 Ω·cm2增加到1.6 × 103 Ω·cm2。此外，通过电导率仪和莫特肖特基（MS）曲线研究了涂层的导电性，结果表明膜层导电率为9.657 MS/m，具有N型半导体特性。其导电性和膜层成分的半导体特性有很大关系。
研究论文
基于电阻焊技术的2024-T4铝合金搅拌摩擦点焊匙孔修复
邓黎鹏, 牛鹏亮, 柯黎明, 刘金合, Jidong Kang
2023, 30(4): 660-669. doi: 10.1007/s12613-022-2561-x
中文摘要(530) PDF(35) SpringerLink
摘要:
搅拌摩擦（点）焊匙孔在一定程度上影响利用焊缝（点）的力学性能及抗腐蚀性能，因此，研究匙孔填补技术是搅拌摩擦焊领域的一个重要分支。本文以三项次级整流电阻点焊为填补设备，以1.5 mm厚的2024-T4铝合金搅拌摩擦点焊匙孔为填补对象，系统研究了基于电阻焊原理的匙孔填补技术。设计并自制了填补过程动态压力监测装置，并藉此深入分析了塞棒与匙孔间界面消除过程。采用光学显微镜、电子背散射衍射、电子扫描等分析手段，详细分析了填补后接头各区域的微观结构及组织、断口形貌、力学性能等。研究结果表明：采用电阻焊技术填补匙孔的过程可分为三个阶段，塞棒压入并排出空气阶段、塞棒稳定导电阶段及塞棒与匙孔壁冶金结合阶段。其中，塞棒与匙孔壁间的冶金结合形式分为熔化连接和扩散连接，前者发生在填补后接头中部区域，后者发生在上部和下部区域。基于本文实验材料，填补后接头拉剪载荷为7.43 kN，比填补前提高了36.3%.
研究论文
水下和陆上送丝式激光沉积铝合金的微观组织和显微硬度
郭宁, 成奇, 付云龙, 高阳, 陈昊, 张帅, 张欣, 何金龙
2023, 30(4): 670-677. doi: 10.1007/s12613-022-2500-x
中文摘要(618) PDF(19) SpringerLink
摘要:
铝合金因其比强度高、耐腐蚀性能好而被广泛应用于船舶和核电等领域。然而，由于服役环境恶劣，铝合金易于发生腐蚀失效。与传统修复方法相比，水下送丝式激光沉积具有受水压影响小、自动化程度高等优点。目前，对于薄壁管状结构铝合金的表面修复研究较少，尤其是水环境下的原位表面修复。本文首次在薄壁管状结构铝合金的表面进行了水下原位送丝式激光沉积，并与陆上送丝式激光沉积进行了对比分析。水下和陆上沉积层均成形良好，不存在未熔合、裂纹等缺陷。与陆上沉积层相比，水下沉积层的氧化程度略重。在水下和陆上沉积层的熔化区中，柱状晶均在熔合线处形核，并沿最大冷却速率方向生长；在沉积区中均形成了等轴晶。随着激光沉积环境从陆上转变为水下，沉积区宽度和熔化区高度均减小，而沉积角和沉积区高度均增大。由于水环境中激光沉积过程的冷却速率较大，使得峰值温度较低且高温停留时间较短，导致水下激光沉积的晶粒尺寸较小，大角度晶界所占比例较低。此外，水下沉积区的镁元素含量高于陆上的，表明水环境的存在有利于降低沉积区中镁元素烧损。水下沉积层的平均显微硬度高于陆上的，这主要与晶粒尺寸和镁元素烧损有关，根据Hall–Petch公式，材料的晶粒尺寸越细小，显微硬度越高；另外，镁元素含量较高，有利于提高铝-镁合金的显微硬度。
研究论文
通过3D打印和热挤压制备一种具有互穿结构的铝基复合材料
林育林, 王迪, 杨超, 张卫文, 王智
2023, 30(4): 678-688. doi: 10.1007/s12613-022-2543-z
中文摘要(898) PDF(52) SpringerLink
摘要:
通过Al–Mg–Mn–Sc–Zr点阵结构与Al84Ni7Gd6Co3纳米结构相结合制备Al–Al互穿相复合材料。采用选择性激光熔化法制备点阵结构，随后在晶格中填充Al84Ni7Gd6Co3非晶粉末，最后采用热挤压制备成形复合材料。结果表明：热挤压过程中元素扩散和塑性变形使复合材料致密化，界面结合良好；样品呈均匀的非均相结构，主要由平均晶粒尺寸小于1 μm的蜂窝状点阵结构和含有大量纳米金属间化合物和纳米晶粒α-Al的纳米结构区组成。非均质结构形成硬区和软区双峰力学区，具有较高的强度和可接受的塑性，其中抗压屈服强度和抗压塑性分别可达~745 MPa和~30%。高强度可以用混合、晶界强化和背应力的规律来解释，而可接受的塑性主要是由于纳米结构区域的约束作用延缓了脆性断裂行为。
研究论文
单晶和多晶TiAl–Ti3Al双相合金在NaCl溶液中腐蚀行为的研究
王冬朋, 陈光, 王安定, 王宇鑫, 乔岩欣, 刘珍光, 祁志祥, 刘锦川
2023, 30(4): 689-696. doi: 10.1007/s12613-022-2513-5
中文摘要(1171) PDF(85) SpringerLink
摘要:
钛合金由于具有优异的力学和耐腐蚀性能，使得其在航空航天等领域具有重要应用价值。然而，单晶结构对钛合金腐蚀行为的影响及其机制并不明确。为了阐明高强度TiAl合金中单晶结构与其腐蚀性能的关联性，使用电化学和表面表征等方法，本文深入探究了Ti–45Al–8Nb双相单晶及其多晶合金在NaCl溶液中腐蚀性能的差异。动电位极化曲线显示，双相单晶合金的腐蚀速率较低，相比于多晶合金，点蚀电位高出约280 mV。电化学阻抗谱和恒电位极化图显示单晶合金表面钝化膜的电荷转移电阻更高，这是因为其钝化膜中Nb元素含量较高。本文的结果表明，由于单晶合金微观结构和成分分布更加均匀，与多晶合金相比，双相Ti–45Al–8Nb单晶合金在NaCl溶液中具有更高的耐蚀性。
研究论文
显微组织特征对粉末热等静压TA15钛合金拉伸性能及断裂韧性的影响
朱郎平, 潘宇, 刘艳军, 孙志雨, 王湘宁, 南海, Muhammad-Arif Mughal, 卢东, 路新
2023, 30(4): 697-706. doi: 10.1007/s12613-021-2371-6
中文摘要(1291) PDF(90) SpringerLink
摘要:
粉末热等静压（HIP）是实现高质量复杂薄壁钛合金构件近终形制造的有效解决方法，近年来引起了广泛的关注，但关于微观结构特征对粉末热等静压钛合金强化和增韧机制的报道很少。为此，采用热等静压方法制备粉末TA15钛合金，用于探索不同热等静压温度下的显微组织特征以及相应的拉伸性能和断裂韧性。结果表明，当热等静压温度低于950°C时，合金为由板条集束及板条团簇周围的细小等轴晶组成“网篮组织”。当HIP温度高于950°C时，显微组织逐渐转变为魏氏组织，同时晶粒尺寸显著增加。拉伸强度和伸长率分别从910°C试样的948 MPa和17.3%降低到970°C试样的861 MPa和10%。相应的拉伸断裂模式从穿晶塑性断裂转变为包括晶间解理的混合断裂。试样的断裂韧性从910°C试样的82.64 MPa·m1/2增加到970°C试样的140.18 MPa·m1/2。低于950°C的试样由于原始颗粒边界(PPB)的存在而容易形成孔洞，不利于增韧。由于Widmanstatten结构的裂纹偏转、裂纹分支和剪切塑性变形，950°C以上的试样具有较高的断裂韧性。该研究为粉末HIPed钛合金的研制提供了有效的参考。
研究论文
Nb合金化Ni0.6CoFe1.4合金的强塑性协同
吴健, 朱和国, 谢宗翰
2023, 30(4): 707-714. doi: 10.1007/s12613-022-2567-4
中文摘要(380) PDF(18) SpringerLink
摘要:
中熵合金具有许多优于传统合金的特殊性能受到了广泛关注。然而设计出具有高强度和可接受塑性的体心立方型中熵合金仍然是一个巨大挑战。本文拟通过在BCC基体中引入面心立方相（FCC）形成双相微观结构来解决体心立方型中熵合金的强度和塑性平衡问题。采用真空感应熔炼法制备了Ni0.6CoFe1.4Nbx（x = 0、0.05、0.08、0.10和0.15）中熵合金，并研究了Nb元素对Ni0.6CoFe1.4合金的晶体结构、微观组织和室温力学性能的影响。微观结构表明，该合金由BCC和FCC双相组成，微观形貌为网状结构，其中BCC相是该合金体系中的主要相。随着Nb含量的增加，合金的强度先减小后增大，塑性先增大后减小。此外，Ni0.6CoFe1.4Nbx合金的断裂机制由韧性断裂向脆性断裂转变。Ni0.6CoFe1.4Nb0.10 合金显示出最佳的强度和塑性组合，即相比较于Ni0.6CoFe1.4合金，Ni0.6CoFe1.4Nb0.10合金的塑性增加了两倍（11.6%），并展现出最高的极限拉伸强度（869.8 MPa）。合金强度提高归因于固溶强化、沉淀硬化效应和界面强化效应的协同作用。
研究论文
Cu元素对Ni60定向结构涂层微观组织及摩擦学性能影响
杨效田, 王新华, 周俊, 魏亨利, 曾荣, 李文生
2023, 30(4): 715-723. doi: 10.1007/s12613-022-2516-2
中文摘要(484) PDF(19) SpringerLink
摘要:
采用自主研发的定向结构涂层制备装置成功研制出定向结构Ni基合金高耐磨耐腐蚀涂层的基础上，为了赋予涂层减摩特性,使涂层具有减摩耐磨综合性能,本文将廉价的Cu元素引入涂层,采用火焰喷涂+感应重熔+强制冷却复合技术研制了定向结构Ni60/Cu复合涂层。研究了Cu对Ni60定向结构涂层微观组织、物相演变、硬度和磨损性能的影响。结果表明：Cu的添加使Ni基合金定向结构涂层的组织更加致密，Cu主要富集在晶粒内部，生成了稳定的Cu3.8Ni相，Cu元素的溶解、扩散和反应使涂层组织得到显著细化。Cu元素引入尽管使涂层的硬度得到降低，但赋予了涂层减摩耐磨综合性能，使涂层耐磨性能得到显著提高。Cu元素引入的Ni60定向结构涂层显示出窄而浅的光滑磨痕，其磨损率仅约为纯Ni60定向结构涂层的50.8%。
研究论文
预热条件下双面搅拌摩擦焊接厚规格管线钢接头的组织与韧性
谢广明, 段瑞海, 王玉前, 骆宗安, 王国栋
2023, 30(4): 724-733. doi: 10.1007/s12613-022-2434-3
中文摘要(600) PDF(29) SpringerLink
摘要:
熔焊伴随的高热输入极易引起热影响区（Heat Affected Zone, HAZ）组织的粗化和脆化，尤其是在临界粗晶热影响区（Inter-critically Coarse-grained HAZ, ICCGHAZ），严重削弱接头韧性。本研究中，在预热条件下对11 mm厚的管线钢板进行双面搅拌摩擦焊接（Friction Stir Welding, FSW），并与双面熔化极气保护焊接（Gas Metal Arc Welding, GMAW）接头进行比较，系统地研究了焊接接头中各亚区组织与韧性之间的关系。与GMAW接头相比，FSW接头ICCGHAZ韧性显著改善。通常，由于高的峰值温度和变形抗力，FSW管线钢接头焊核区（Nugget Zone, NZ）组织比较粗大。然而，在本研究中，第一道次NZ（NZ1）在进行第二道次FSW时被重新加热，由于发生铁素体静态再结晶，NZ1组织明显细化。在整个FSW接头中，NZ韧性最佳，达到母材的112%。这归因于NZ1中细小的铁素体晶粒可以有效阻碍裂纹的萌生和偏转。
研究论文
Fe–27.34Mn–8.63Al–1.03C轻质钢热变形行为研究
陆海涛, 李大赵, 李思远, 陈永安
2023, 30(4): 734-743. doi: 10.1007/s12613-022-2531-3
中文摘要(661) PDF(48) SpringerLink
摘要:
近年来，Fe–Mn–Al–C轻质钢以其优异力学性能和较低密度等优点而备受关注。然而，对于热轧态Fe–Mn–Al–C轻质钢的热变形行为特征还缺乏深入研究，特别是该钢种的动态再结晶行为对其热变形过程中的流动稳定性影响尚不明确。本文探究了Fe–27.34Mn–8.63Al–1.03C轻质钢的热变形行为，运用Gleeble-3800热模拟机，在900–1150°C温度范围及0.01–5 s−1应变速率范围内进行了热压缩测试。结果表明，热变形过程中试验钢的流变应力随变形温度的降低和应变速率的增加而增加；本研究构建了试验钢本构方程，得出其热变形激活能为422.88 kJ·mol−1；阐明了临界应力σc与峰值应力σp之间的关系，建立了动态再结晶动力学模型；根据动态再结晶动力学模型，理清了应变速率和变形温度对动态再结晶体积分数的影响，并结合微观组织分析了试验钢不同变形温度和应变速率下的动态再结晶行为；绘制了各变形量下的热加工图，明确了试验钢热变形时失稳区域；基于微观组织和热加工图结果，论述了热变形过程中试验钢发生流动失稳与动态再结晶程度相关性，最终总结出试验钢优化热加工工艺为0.01 s−1低应变速率下于1010–1100°C温度范围内加工。
研究论文
基于密度泛函理论的钢中CaO-SiO2复合夹杂物的结构、电子和机械性能研究
顾超, 吕子宇, 胡琴, 包燕平
2023, 30(4): 744-755. doi: 10.1007/s12613-022-2588-z
中文摘要(843) PDF(73) SpringerLink
摘要:
CaO–SiO2是液态钢中常见的一系列氧化物夹杂，常作为裂纹源对钢的力学性能产生严重的影响。然而，由于夹杂物尺寸较小，且在钢中出现的随机性，通过实验对其性能进行研究难度较大。为解决目前夹杂物性能数据库不全的问题，本研究基于第一原理密度泛函理论，对钢中不同的CaO–SiO2复合夹杂物性质进行了深入的研究。首先通过热力学计算确定了CaO–SiO2夹杂物体系中可能存在的相，包括γ-C2S、α'L-C2S、α'H-C2S、β-C2S、C3S2、C3S、CS和Ps-CS。结果表明，计算的该8种相的晶体结构与实验结果吻合良好。根据计算的形成能，该8种相都是稳定的，其中γ-C2S是最稳定的。O原子对这些相的反应性贡献最大。8种相的杨氏模量在100.63–132.04 GPa的范围内，泊松比在0.249–0.281的范围内。该研究全面阐明了CaO–SiO2体系中不同夹杂物的性能，完善了相应的性能数据库，为抗断裂钢中夹杂物设计及行为预测提供了基础。
研究论文
具有优异抗渣性能的CA6/AlON复合材料的制备研究
刘云松, 王恩会, 徐林超, 杨涛, 何志军, 梁彤祥, 侯新梅
2023, 30(4): 756-765. doi: 10.1007/s12613-022-2435-2
中文摘要(735) PDF(44) SpringerLink
摘要:
六铝酸钙(CA6)作为一种具有优异综合性能的高温陶瓷备受关注。然而，CA6独特的磁铅石结构容易导致晶粒各向异性生长形成板片状，不利于CA6烧结致密化，当用作钢包内衬耐火材料时易因气孔率高导致其耐熔渣侵蚀和渗透能力下降。因此，提高CA6的烧结致密性是目前亟需解决的问题。已有研究表明，第二相的加入是提高材料致密化的有效方法之一。受此启发，本文分别采用一步法和两步法在CA6中加入不同量的AlON来提高CA6的致密度进而提升其抗渣性能。其中，以Al2O3、CaCO3和Al的混合物为原料的一步法制备过程中容易形成AlON团簇，最终导致CA6/AlON复合材料孔隙率偏高。采用两步法时，先分别制备CA6和AlON，然后将两者混匀并再次进行烧结，可形成CA6和AlON均匀分布的复合材料。进一步通过实验优化，两步法中AlON的最佳添加量被确定为10wt%。在此条件下，CA6/AlON复合材料的显气孔率(20%)相较于纯CA6(29%)得到了明显改善。最后，以纯CA6为对照组的试验表明，采用两步法制备的CA6/AlON复合材料具有更好的抗熔渣腐蚀性能。原因主要有以下两个方面：（1）AlON的加入会在很大程度上减少CA6/AlON复合材料的孔隙率，并且会降低复合材料在熔渣中的润湿性；（2）AlON会被熔渣释放的O2−离子氧化生成Al2O3，Al2O3与Ca2+和O2−离子发生反应，形成致密连续的CA2层，可有效抑制熔渣的进一步渗透和腐蚀，从而提高CA6/AlON复合材料的抗渣性能。
研究论文
提升金刚石的韧性：同质外延生长周期性氮掺杂纳米多层单晶金刚石
赵云, 屠菊萍, 陈良贤, 魏俊俊, 刘金龙, 李成明
2023, 30(4): 766-771. doi: 10.1007/s12613-022-2497-1
中文摘要(936) PDF(68) SpringerLink
摘要:
采用微波等离子体化学气相沉积生长周期性氮掺杂纳米多层单晶金刚石。通过光发射谱判定腔室中气体（CH4和H2）的残余时间，确定纳米多层的生长工艺，进而获得周期性氮掺杂纳米多层单晶金刚石。当周期性氮掺杂纳米多层中单个氮掺杂层的厚度约为96 nm时，在杨氏模量为1000 GPa下，其断裂韧性为18.2 MPa∙m1/2。周期性氮掺杂CVD层的断裂韧性约为HPHT籽晶的2.1倍。周期性的氮掺杂层产生了周期性的压应力和张应力，因此显著提高了金刚石的断裂韧性。高韧性的单晶金刚石在高压顶砧和刀具上具有广泛的应用。
研究论文
定型相变热界面材料：低密度聚乙烯/石蜡/铝复合材料
李传常, 王卫萱, 曾小亮, 刘春轩, 孙蓉
2023, 30(4): 772-781. doi: 10.1007/s12613-022-2565-6
中文摘要(791) PDF(73) SpringerLink
摘要:
热界面材料在电子器件热管理中起着至关重要的作用，可显著降低接触热阻。由于固–液接触面之间的接触热阻比固–固接触面小得多，但传统的固–液相变材料存在易泄漏问题。因此，本研究工作研制了一种导热增强的定型相变热界面材料。通过石蜡(PW)和低密度聚乙烯(LDPE)的熔融共混，提高了PW的稳定性，PW/LDPE复合材料的泄漏率仅为0.8%，添加15wt%的Al粉提高其导热系数67%。此外，系统地研究了Al粉的添加对PW/LDPE基体的内部结构、热性能和相变行为的影响。系列结果证实，形状稳定的PW/LDPE/Al热界面材料在电子器件热管理领域具有良好的应用潜力。
研究论文
基于生物基聚氨酯硬泡环保发泡剂逸散性研究
王浩臻, 林林, 刘应书
2023, 30(4): 782-789. doi: 10.1007/s12613-022-2502-8
中文摘要(643) PDF(22) SpringerLink
摘要:
聚氨酯硬泡生产过程中会伴随一定量的物理发泡剂（PBA）逸散损失，可燃性PBA逸散对生产安全与环境污染产生影响，不可燃PBA价格高，其逸散损失会提高产品成本。从生产安全、环境保护和经济效益等角度考虑，准确有效地测量PBA在发泡过程中的损失量并研究损失机理很有必要。本研究通过系统的实验设计，研究了生物基聚氨酯硬泡PBA逸散特性，首次定量测出了其中多种环保型PBA的损失量。本方法的核心为加水补差法，该方法对不同发泡形态的泡沫具有极高的容错率。平行组实验的标准差说明该方法稳定可靠，可以用于生物基及石油基聚氨酯发泡过程中不同PBA实际损失量的测量。研究结果表明，不同PBA发泡体系聚氨酯硬泡中PBA损失量与其初始质量浓度$ \omega $正相关，对于任一确定的聚氨酯发泡体系，PBA损失率$ {R}_{1} $与其初始质量浓度$ \omega $的关系近似为线性。PBA逸散到空气中的主要途径是其沿泡沫上表面的蒸发/逸出，本研究进一步揭示了PBA的散失机理：PBA沿泡沫上表面蒸发/逸出属于扩散行为，其扩散动力来源于PBA在界面层内的化学势与其在外侧空气中的化学势之差。
勘误
Erratum to: Influence of grain refinement on the corrosion behavior of metallic materials: A review
Pan-jun Wang, Ling-wei Ma, Xue-qun Cheng, and  Xiao-gang Li
2023, 30(4): 790-790. doi: 10.1007/s12613-022-2579-0
中文摘要(158) PDF(4) SpringerLink
摘要:

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