检索结果-内蒙古大学图书馆

作者：孙亚楠青岛理工大学

学位级别：博士

我国基础设施的大规模建设对混凝土用淡水和河砂需求巨大,成本增加、环保压力增大。在远海岛礁建设中,海水海砂可作为替代材料,降低运输成本和建设费用。然而,海水和海砂中的高浓度氯离子易导致钢筋腐蚀和结构耐久性问题。目前,具有高... 详细信息

我国基础设施的大规模建设对混凝土用淡水和河砂需求巨大,成本增加、环保压力增大。在远海岛礁建设中,海水海砂可作为替代材料,降低运输成本和建设费用。然而,海水和海砂中的高浓度氯离子易导致钢筋腐蚀和结构耐久性问题。目前,具有高耐氯盐侵蚀性能的玻璃纤维增强聚合物（Glass Fiber Reinforced Polymer,GFRP）筋使得海水海砂混凝土（SWSSC）的应用成为可能。然而,现有GFRP筋仍存在高碱性环境中易水解且劣化机制不清的难题。因此,探明海水海砂混凝土中GFRP筋劣化机制,提出针对性的高耐蚀提升方法,对远海岛礁建筑物的延寿与安全服役具有重要意义。本文结合宏观力学性能测试、微观结构表征以及分子动力学模拟,从多尺度揭示了海水海砂混凝土中GFRP筋劣化机制,提出高耐蚀树脂基体改性方法,并成功规模化制备了服役性能优于现有GFRP筋的高耐蚀筋材。主要的研究内容及成果如下: （1）海水海砂混凝土中GFRP筋宏观力学性能退化基于室内加速试验,在海水海砂混凝土模拟孔溶液及海水海砂混凝土包裹（海水为腐蚀介质）环境下,系统研究了GFRP筋拉伸和层间剪切性能的退化规律;通过嵌入式单端拉拔试验结合数字图像相关技术,研究了GFRP筋与混凝土脱黏过程中界面应变场演变规律;结合轴心抗拉试验,揭示了GFRP筋/混凝土界面黏结性能退化规律。结果表明,暴露时间与温度的增加,均会加剧GFRP筋力学性能退化;与海水海砂混凝土包裹环境相比,模拟孔溶液环境会加速GFRP筋力学性能退化;60°C条件下腐蚀60天后,模拟孔溶液和混凝土包裹环境中GFRP筋的拉伸强度保留率分别为46.65%和94.59%、层间剪切强度保留率分别为53.70%和92.21%。随着腐蚀龄期的增加,GFRP筋/混凝土界面脱黏时纤维筋破损程度增加、树脂基体逐渐黄化并大幅降解,界面处应变呈先增大后减小的趋势。此外,轴心抗拉试验结果表明:GFRP筋/混凝土界面脱黏破坏模式为筋材拔出破坏,腐蚀120天后的黏结强度保留率为90.62%。（2）海水海砂混凝土中GFRP筋微观劣化机制通过超景深显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜以及X射线计算机断层扫描技术,研究了GFRP筋劣化过程中筋材表面、纤维/树脂/混凝土界面以及树脂基体表面的微观形貌演变规律;采用热裂解-气相色谱-质谱联用技术,解析了树脂基体降解产物的分子结构与组成;借助傅里叶变换红外光谱技术,定量表征了树脂基体降解过程中特征官能团比值的变化,并建立了其与拉伸强度保留率之间的关系。结果表明,筋材的降解以及GFRP筋/混凝土界面脱黏主要取决于树脂基体的劣化程度。腐蚀120天后,GFRP筋表面树脂基体降解致使纤维完全裸露,筋材内部树脂体积含量降低了64.80%;筋材与混凝土界面处树脂体积含量下降了51.63%,二者界面间距增加了101.15%。此外,环氧树脂基体降解过程中伴随着乳化现象,由连续均匀体系逐渐转变至乳状分散体系。氢氧根离子的作用导致树脂酯键断裂,特征官能团C=O/芳香环比值减小,其与GFRP筋拉伸强度保留率之间呈线性关系。（3）基于分子动力学模拟腐蚀环境下GFRP筋劣化机制基于分子动力学模拟,研究了腐蚀环境（水溶液、盐溶液以及碱溶液）中GFRP筋环氧树脂、环氧树脂/纤维界面及环氧树脂/混凝土界面的劣化机制,揭示了界面黏结成键方式及腐蚀离子影响规律。结果表明,环氧树脂与玻璃纤维连接以Oepoxy-Hs键为主,GFRP筋的环氧树脂与混凝土连接以Ca CSH-Oepoxy和HCSH-Oepoxy键为主。水溶液中,高吸湿率时水分子的团聚效应,是影响树脂基体性能劣化的主要因素;盐溶液中,Na+、K+、Ca2+与环氧树脂中COO-发生的离子交联现象可抵消阴离子间的静电斥力,一定程度阻碍树脂吸水溶胀;碱溶液中,OH-离子会加剧水分子团簇效应,导致树脂性能劣化加快。水分子、Cl-和OH-离子分别与纤维基底形成Hw-Os、Cl-Hs和OH-Hs键合作用,抢占环氧树脂与纤维间的连接位点,导致纤维与环氧树脂界面黏结性能的劣化。水分子、Cl-和OH-离子与混凝土基底间形成Ca CSH/HCSH-Owater、OCSH-Hwater、Cl-Ca CSH及OH-HCSH等键合作用,抢占C-S-H表面的化学成键位点,导致环氧树脂与混凝土界面黏结性能劣化。（4）树脂基体改性与高耐蚀GFRP筋制备以实现GFRP筋耐蚀、疏水且兼顾与混凝土界面黏结性能为目的,采用碳纳米管（CNT）、可膨胀石墨（EG）等纳米材料与有机硅（PE）混合改性,研究了改性环氧树脂基体的力学性能演变规律;借助接触角测量仪、纳米压痕仪、原子力显微镜以及凝胶色谱仪,探究了改性环氧树脂基体的疏水与耐蚀性能;基于改性纳米材料/有机硅混合改性环氧树脂的最优配比,复合玻璃纤维制备高

关键词： GFRP筋劣化机制海水海砂混凝土高耐蚀树脂基体改性微结构演变分子动力学模拟

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非规则水泥颗粒水化和孔隙结构表征的数值模拟

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硅酸盐学报 2021年第5期49卷 955-963页

作者：刘志勇张云升陈威威刘诚汤安琪谢德擎东南大学江苏省土木工程材料重点实验室南京211189 东南大学材料科学与工程学院南京211189 中国矿业大学力学与土木工程学院江苏徐州221116

为了描述和重构水泥颗粒真实不规则的颗粒形态,更好地理解水泥基材料水化过程、微观结构演变和力学性能变化,基于离散方法和元胞自动机理论的中心生长模型开发了一种不规则颗粒重构方法,构建了水泥粒子形状库,并将不规则水泥颗粒引入CEM... 详细信息

为了描述和重构水泥颗粒真实不规则的颗粒形态,更好地理解水泥基材料水化过程、微观结构演变和力学性能变化,基于离散方法和元胞自动机理论的中心生长模型开发了一种不规则颗粒重构方法,构建了水泥粒子形状库,并将不规则水泥颗粒引入CEMHYD3D模型中,建立了非规则水泥颗粒的水化模型,分析了颗粒形状对水化进程和孔隙特征参数的影响规律。结合数值模型与实验值或解析模型比对,发现非规则水泥颗粒提高了水化模型的可靠性和精确度;非球形基模型的总孔隙率和孔径范围均小于球形基模型,而非球形基微结构的各类孔隙比表面积均大于球形基模型。

关键词：非规则水泥颗粒水化模型微结构演变孔隙结构

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应变速率对X80钢焊接接头应变分配行为及力学性能的影响

应变速率对X80钢焊接接头应变分配行为及力学性能的影响

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作者：梁聪长安大学

学位级别：硕士

X80管线钢具有高强度、低屈强比等优点,在石油天然气运输领域得到广泛应用。X80管线建设普遍采用焊接钢管方式,焊接时的热循环导致接头处组织差异性较大,性能分布不均,容易产生过早失效。当应变速率变化时,焊接接头组织微结构也随之改变... 详细信息

X80管线钢具有高强度、低屈强比等优点,在石油天然气运输领域得到广泛应用。X80管线建设普遍采用焊接钢管方式,焊接时的热循环导致接头处组织差异性较大,性能分布不均,容易产生过早失效。当应变速率变化时,焊接接头组织微结构也随之改变,影响其应变响应和力学性能,增加了服役时的安全风险。因此,研究不同应变速率下焊接接头的应变分配行为和力学性能对提高X80管线钢服役时的安全性具有重要意义。本文以X80管线钢焊接接头为研究对象,采用不同应变速率拉伸试验研究了接头处服役时的非均匀变形,系统地分析了不同应变速率条件下(10-4 s-1,10-3 s-1,10-2 s-1,10-1 s-1)焊接接头的应变分配行为、微结构演变特征和力学性能变化规律。首先,利用有限元模拟和数字图像相关（DIC）系统表征并分析了应变速率对焊接接头处应变局部化和应变协调性的影响。其次,根据不同应变速率下焊缝区和热影响区的局部微应变梯度、取向分布及位错演化特征,阐明了宏观应变分配行为差异化的原因。最后,通过位错组态演变规律和亚结构强化效应,分析了应变速率对硬化速率和力学性能的影响。主要研究结果如下: 应变速率从10-4 s-1增大至10-1 s-1时,焊接接头应变局部化因子增量为0.0205,热影响区和焊缝区的DIC局部应变差值增幅为53.45%,应变协调性降低。焊缝区晶粒取向呈无序均匀分布,相邻晶粒相互制约,形成应变区和无应变区交替分布的微应变梯度结构。这种梯度结构通过限制几何必要位错（GNDs）的滑移使焊缝区的塑性应变保持在较低的水平。为保持宏观变形的完整性,热影响区晶粒出现择优取向分布,形成了（101）和（100）取向带,促进了滑移系活化,导致热影响区承载了大部分塑性变形。应变速率的增大促进了激活位错所需应力的增加,使得焊接接头屈服强度从556MPa提高至603 MPa。随着应变速率增大,焊缝区中GNDs、低角度晶界（LAGBs）和高角度晶界（HAGBs）之间的转变程度逐渐提高,使焊缝区HAGBs的体积分数增加了16.6%,HAGBs比例的增加提高了焊接接头的硬化能力,抗拉强度从645 MPa增大至667 MPa。然而,应变速率的增大加速了微孔聚集,使韧窝尺寸和深度减小,延伸率从13.1%减小至10.7%,整体塑性降低,焊接接头从以微孔聚集为主的韧性断裂模式向以准解理为特征的脆性断裂模式过渡。

关键词： X80钢焊接接头应变速率应变局部化微应变梯度微结构演变

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干湿循环作用下黄土强度劣化机理及边坡稳定性研究

干湿循环作用下黄土强度劣化机理及边坡稳定性研究

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作者：曹一迪长安大学

学位级别：硕士

本文选取陕西省泾阳县泾河右岸黄土塬作为研究区,以离石黄土为研究对象,采用野外调查、控制干湿循环次数和初始含水量变化的三轴剪切试验（CU）、微观试验和数值模拟相结合的方法,研究干湿循环作用对黄土力学特性的影响,从宏观-细观-微... 详细信息

本文选取陕西省泾阳县泾河右岸黄土塬作为研究区,以离石黄土为研究对象,采用野外调查、控制干湿循环次数和初始含水量变化的三轴剪切试验（CU）、微观试验和数值模拟相结合的方法,研究干湿循环作用对黄土力学特性的影响,从宏观-细观-微观多尺度揭示干湿循环条件下离石黄土的劣化特征及灾变机制,揭示了周期性干湿交替引起的土体强度劣化性对黄土边坡滑移的灾变影响,为黄土水敏性灾变防控提供有效思路。主要研究内容及研究结论如下: （1）通过控制干湿循环次数和初始含水量开展Q2原状黄土物理力学试验研究,分析不同干湿循环次数与初始含水量对黄土力学特性的影响,结果表明:在常规三轴试验条件下,随着干湿循环次数的增加,土样的强度降低且在第3次循环时降幅最大;随着初始含水量的增大,试样表现出塑性破坏的特征;土样的黏聚力与干湿循环次数呈指数递减函数关系,内摩擦角对干湿循环作用并不敏感。（2）通过对干湿循环和剪切变形前后的试样进行电镜扫描与核磁共振试验研究,分析黄土的微结构演变和孔隙结构定量变化,结果表明:在干湿循环作用下,粒间由相对致密结构转变为不稳定的架空排列,微孔、小孔以及大孔的数量和面积均上升,孔隙的择优取向变得不明显;随着围压的增大,粒间的架空孔隙减少,土颗粒周围出现细小的碎屑颗粒;初始含水量越大,剪切后的土粒轮廓越模糊,镶嵌孔隙和黏粒增多;剪切后的土体微孔含量显著增加,孔隙的形状向扁圆形转化。（3）利用数值模拟软件Geo-Studio深入探究不同次数的干湿循环及经历干湿循环作用后进行灌溉的过程并对边坡进行稳定性分析。模拟结果表明:两种工况下边坡的稳定稳定系数随着干湿循环次数的增加而降低,且在第3次循环后灌溉边坡的稳定系数波动最大,灌溉后边坡的最危险滑移面向边坡的浅层区域靠近。

关键词：黄土滑坡干湿循环力学特性微结构演变边坡稳定性

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NT改性与碳化介入对水泥基材料表层碳封存及渗透性能的影响研究

NT改性与碳化介入对水泥基材料表层碳封存及渗透性能的影响研究

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作者：胡孟君青岛理工大学

学位级别：硕士

随着全球城市化进程和基础设施建设的加速推进,水泥生产带来的高二氧化碳排放的环境问题日益严重。与此同时,传统水泥基材料的孔隙和缺陷会成为水和有害离子的通道,进而降低其抗有害介质渗透性能,使得其无法满足一些特定的场景需求。纳... 详细信息

随着全球城市化进程和基础设施建设的加速推进,水泥生产带来的高二氧化碳排放的环境问题日益严重。与此同时,传统水泥基材料的孔隙和缺陷会成为水和有害离子的通道,进而降低其抗有害介质渗透性能,使得其无法满足一些特定的场景需求。纳米二氧化钛（NT）由于其小尺寸效应和表面效应等被证实可调控水泥水化过程,优化微观结构,改善水泥基材料的整体性能。水泥基材料的碳化作为一种潜在碳封存途径也开始被广泛研究,然而过度碳化将导致内部钢筋锈蚀等一系列耐久性问题的产生。因此,本文结合NT调控水泥水化和碳化养护技术,通过两者的协同机制对水泥基材料的碳封存能力和渗透性能及其机理开展了系统研究。主要研究内容和结论如下: （1）通过微观测试方法,研究了NT对水泥水化、晶体生长和微结构演变的调控机制。研究结果表明:经过高频超声分散结合聚羧酸表面活化剂处理的NT对水泥基材料抗压强度具有改善作用。NT的加入,加速了水泥水化,提高了早期水化程度和水化产物生成量;同时,NT调控了水化产物CH的结晶生长,细化了其晶体尺寸,生成数量更多、比表面积更大的CH,且在早期（前3 d）更加明显。此外,NT通过水化早期成核效应和后期填充作用降低了水泥砂浆的整体孔隙率,有效填补了内部空隙,使得微观结构更加致密。（2）研究了CO2暴露浓度对水泥基材料表层碳封存量和碳化情况的影响规律;并结合微观测试方法探究了其对表层早期碳化的影响机理。结果表明:随着CO2暴露浓度的增加,水泥砂浆的单位面积CO2吸收量越大,早期CO2吸收速率越快,生成的碳化产物Ca CO3的含量和结晶完整度越高。其中,20%CO2暴露的NT改性水泥砂浆表层单位面积CO2吸收量达到0.35 kg/m2。NT的加入,加速了早期碳化,提高表层碳化程度,进一步提高了Ca CO3晶体的含量和结晶完整度,促进了稳定晶型方解石的形成,同时抑制了持续深入碳化,实现一定深度范围内的可控碳化。（3）NT的加入和早龄期碳化介入,增强了水泥砂浆的表层碳封存效果和表层致密性。早龄期碳化介入,特别是水化1 d龄期,具有更高的碳化程度和深度,试块单位面积毛细吸水系数和气体渗透系数相比空白组分别降低70.55%和91.89%。其中,早龄期试块具有更高的孔隙率,有利于CO2的扩散,除未完全水化的C2S和C3S等水泥矿物成分发生碳化之外,NT调控水泥水化作用提高了CH生成量和反应比表面积,进而提升了碳化程度和碳封存量。同时,在水泥水化早期,部分水化产物和水泥矿物成分发生碳化,生成的Ca CO3可填充孔隙;另一方面,碳化反应生成部分微纳米尺寸的碳酸钙晶体和NT颗粒共同发挥成核作用,促进水泥水化,进一步提升了表层微观结构的致密性。基于表层孔隙结构特征,本文提出NT调控水泥水化与20%CO2碳化养护的协同机制下,水泥砂浆表层存在三种孔隙结构,构成了一种类似“滤筛”的结构假设模型。

关键词：纳米二氧化钛碳化介入微结构演变表层碳化碳封存渗透性能

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碱金属离子电池电极微结构演化及其储能机制的原位透射电镜研究

碱金属离子电池电极微结构演化及其储能机制的原位透射电镜研究

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作者：吴仪东南大学

学位级别：博士

随着便携式电子产品以及新能源动力汽车的迅猛发展,加之全球可再生能源对高效电化学储能的需求,碱金属离子电池已成为此类应用的主角,并被产业界和学术界所关注而对其进行持续的优化研究。其中,锂离子电池因体积较小、环境友好且能量密... 详细信息

随着便携式电子产品以及新能源动力汽车的迅猛发展,加之全球可再生能源对高效电化学储能的需求,碱金属离子电池已成为此类应用的主角,并被产业界和学术界所关注而对其进行持续的优化研究。其中,锂离子电池因体积较小、环境友好且能量密度较高等优点,目前在移动电子设备和电动汽车等应用领域占据主导地位,但面临锂资源紧缺以及安全性等挑战;钠离子电池因自然界中钠储量丰富而在成本方面更具竞争力,在大规模储能领域展现出极大前景,但提高能量密度和循环寿命是关键;钾离子电池具有较高的工作电压窗口,且钾资源自然丰度高,但在电池充放电过程中因钾离子尺寸较大而导致的体积膨胀是限制其进一步应用的阻碍。由此可见,提升碱金属离子电池性能以拓展其应用,需聚焦于对电池能量密度、循环稳定性以及安全性能起关键作用的电极材料。尽管近年来对碱金属离子电池性能优化的相关研究较多,但对影响电池根本性能的电极微结构演化和动力学反应机制,仍有待深入探究。考虑到电极材料在电化学循环过程中可能出现的体积膨胀、多相演变以及界面动力学等微观行为是碱金属离子电池优化的关键所在,原位实时观测电极材料在充放电过程中反应特异性和相结构演化的重要性不言而喻。鉴于此,本论文以超高分辨的球差校正透射电镜为平台,结合原位载样操控系统构建纳米尺度的碱金属离子原型电池,通过动态追踪所研究电极材料在电化学嵌脱碱金属离子循环过程中的微结构和相演变行为,实时分析界面离子传输特性、电极结构稳定性以及动力学反应机制等。基于对不同类型电极材料储能机制的深入理解,相关研究结果能为高性能碱金属离子电池的电极优化设计提供理论参考和实际指导。本论文研究取得的主要创新成果如下: （1）揭示了H2V3O8纳米棒在电化学锂化/去锂化过程中的相转换机制。针对H2V3O8纳米棒作为锂离子电池电极时未知的离子传输和相演变过程,原位探究其在锂化/去锂化过程中的形貌和相结构演变。在首次锂化过程中,H2V3O8纳米棒局部转换形成中间相VO2后最终生成V2O3,这种局部的相转换机制导致锂化过程中结构裂纹的产生。V2O3在去锂化后转换生成VO2,且该两相在随后的电化学循环过程中进行可逆的转换。首次观察到结构裂纹在去锂化过程中自我修复现象,并在随后的锂化和去锂化循环中不断交替出现与消失,称之为“裂纹呼吸”。确认了H2V3O8在锂离子电池中的电化学反应机制为:插层反应为主导,局部发生转换反应,这对H2V3O8在锂离子电池中的储能机制提供了新的见解,有望为指导和设计新型钒基氧化物电极提供参考依据。（2）研究了H2V3O8纳米棒和Sb2Se3纳米线在钠离子电池中的微结构和相演变机制。首先利用原位透射电子显微技术探究了H2V3O8纳米棒作为钠离子电池电极的电化学行为,结果显示其在首次钠化过程中发生逐步反应,中间产物为V4O7,完全钠化后最终转换为V2O3和Na2O相。在随后的去钠化过程中,最终形成无定形+4价钒氧化物,且与V2O3和Na2O在之后的电化学循环过程中建立了可逆相转变。该结果证明了H2V3O8电极在钠离子电池中的完全转换反应机制,与锂离子电池表现不同。此外,H2V3O8纳米棒在钠化后形成的结构裂纹,随着去钠化进行并没有发生明显的自我愈合,被认为是容量衰减的关键原因之一。随后,针对具有高理论容量的Sb2Se3电极在钠离子电池中快速容量衰减根本原因不明的问题,原位观察其在充放电过程中的相演变。结果揭示了Sb2Se3在钠化过程中经历的三步相演变:嵌入、转换并最终合金化生成Na2Se和Na3Sb。在去钠化过程中,尽管Na3Sb可以实现完全去合金化生成Sb,但其与Na2Se相最终不能完全去转换回初始Sb2Se3,这种不对称相转变会导致其容量的快速衰减。此外,通过原位观察对比发现,纳米线接触界面对离子传输和电极反应动力学影响较大。该工作展示了H2V3O8纳米棒的不可逆结构裂纹和Sb2Se3纳米线的不对称相转变,为理解钠离子电池的容量衰减机制提供了新的补充。（3）研究了多孔CaV4O9纳米带作为钾离子电池电极材料的电化学行为和储钾机理。原位动态追踪了CaV4O9纳米带在钾化/去钾化循环中的形态和相结构演变,揭示了电化学储钾机制。与锂和钠储能机理所表现出的不可逆电化学反应不同,其具有晶相部分可逆的储钾反应特性。CaV4O9完全钾化后转化生成V4O7、Ca O和K2O混合物,且纳米带表面孔腔消失。在电化学循环的去钾化反应中,电极材料部分可逆地回到初始CaV4O9相,少量转换为VO2相,表面孔腔重新恢复。脱钾后恢复的多孔腔形貌以及循环过程中部分结构可逆的反应机理有助于电极保持良好的循环稳定性。该工作为钒基材料在钾离子电池中的拓展应用提供新思路。

关键词：原位透射电子显微学碱金属离子电池电极材料储能机制微结构演变

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Ti-Ni-Al金属间化合物叠层材料制备及力学行为研究

Ti-Ni-Al金属间化合物叠层材料制备及力学行为研究

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作者：梁广中北大学

学位级别：硕士

金属/金属间化合物叠层复合材料（Metal-Intermetallic-Laminate composite,MIL）由金属间化合物层和韧性金属层交替排列,具备金属间化合物的高硬度、高刚度,以及金属良好的韧性和塑性,同时还具备低密度、高强度的优点。这些优点使其在... 详细信息

金属/金属间化合物叠层复合材料（Metal-Intermetallic-Laminate composite,MIL）由金属间化合物层和韧性金属层交替排列,具备金属间化合物的高硬度、高刚度,以及金属良好的韧性和塑性,同时还具备低密度、高强度的优点。这些优点使其在航空航天的结构材料、装甲防护等领域有广阔的应用前景。在课题组对Ti-Al3Ti复合材料研究的基础上,为了进一步提升MIL复合材料的力学性能,并解决Ti-Al3Ti复合材料可设计性差的问题,本文通过热压烧结工艺制备了Ti-Ni-Al三元MIL复合材料,从热力学和动力学的角度研究了Ti-Ni-Al三元反应机理,并研究了其微观组织演化和力学性能,主要研究成果如下:本文发现在Ti-Ni-Al三元系的反应中,Ni-Ti反应生成的金属间化合物种类比较稳定,为Ni Ti、Ti2Ni和Ni3Ti。随着反应的进行,Ni-Ti金属间化合物层逐渐变厚,其厚度在15μm～30μm左右。Ni-Al生成的金属间化合物有:Ni2Al3,Ni Al3,Ni Al,Ni3Al,产物主要受反应时间的影响,即随着反应的进行金属间化合物层按照Ni Al3+Ni2Al3到Ni2Al3再到Ni Al+Ni3Al的步骤演化。Ni-Al反应生成的金属间化合物层厚度在60μm～140μm左右,高于Ni-Ti金属间化合物层的厚度,表明在Ti-Ni-Al三元叠层反应体系中Ni-Al扩散反应速率高于Ni-Ti。反应后,大量柯肯达尔孔洞出现在原Al层中心的位置,证明该系统中Al是主要扩散元素,但在原Ni层的中心也观察到少量柯肯达尔孔洞,表明Ni层中原子的总流出量大于总流入量。研究发现,当热压温度从710℃提高到900℃后,Ni-Al反应速度没有显著变化,而Ni-Ti反应速度显著加快。造成这种现象的原因是Ni-Ti扩散反应中,Ni作为一种β稳定元素,扩散进入Ti6Al4V层,将Ti6Al4V的相变温度降低。因此900℃下的Ti6Al4V层发生了大量α-Ti到β-Ti的相变,而Ni向β-Ti的扩散速率要远高于Ni向α-Ti的扩散速率,这使900℃下Ni-Ti扩散反应的速率高于710℃下的速率,最终形成了较厚的Ni-Ti金属间化合物层。该发现提供了一种方法,可以控制本研究中三元MIL体系各产物的比例,例如当需要Ni-Ti金属间化合物占比更多时可以提高反应温度;需要Ni-Al金属间化合物占比更多时可以在较低温度下延长反应时间。在Ti6Al4V层内部出现了Ti2Ni组织,当温度在710℃时,Ti2Ni组织呈网状和岛状;当温度在900℃时,Ti2Ni组织呈粗大的针状。而纯钛的对照实验中仅在边界处生成了层状Ti2Ni,纯钛内部并未出现Ti2Ni组织。这是因为Ti6Al4V本身为α+β钛合金,Ni原子优先向β-Ti扩散,并以β-Ti和晶界为快速通道,继续向Ti6Al4V层的内部扩散,而Ni和α-Ti的反应扩散较慢,这种扩散速度差异导致的不均匀扩散最终在Ti6Al4V内部形成了Ti2Ni组织。纯钛为单一α相,其金属间化合物的生长由晶格扩散控制,所以Ni原子沿层向钛内部扩散,形成了层状的Ti2Ni。本研究制备的Ti-Ni-Al复合材料的抗压强度最高达到1900 MPa,断裂应变达到0.35,高于以往研究中Ti-Al3Ti叠层1400 MPa的抗压强度和0.23的断裂应变。

关键词： MIL复合材料相变 Ti-Ni-Al三元系微结构演变力学性能

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碳氮化钛锆粉末的制备及其调幅分解行为的研究及应用

碳氮化钛锆粉末的制备及其调幅分解行为的研究及应用

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作者：罗双兰湖南工业大学

学位级别：硕士

硬质合金通常由金属或合金和一种或多种陶瓷材料组成的复合材料。因其优异的高温红硬性,如在高达1000℃时仍能保持较高的硬度等特点,WC-Co基硬质合金被广泛应用于切削刀具领域。但其较低的韧性严重影响了其应用,因此对硬质合金增韧的研... 详细信息

硬质合金通常由金属或合金和一种或多种陶瓷材料组成的复合材料。因其优异的高温红硬性,如在高达1000℃时仍能保持较高的硬度等特点,WC-Co基硬质合金被广泛应用于切削刀具领域。但其较低的韧性严重影响了其应用,因此对硬质合金增韧的研究显得尤为重要。基于调幅分解增韧原理,本文以TiZrCN粉末为研究对象,采用碳化还原的方法制备了不同Ti/Zr原子比的TiZrCN粉末,并对其进行时效热处理;结合实验和相场模拟方法研究其调幅分解的行为;研究了TiZrCN对梯度层微观组织结构的影响,探讨了其在梯度硬质合金中的应用。首先通过碳热还原反应合成TiZrCN粉末,研究不同碳化温度和原料粒度以及不同Ti/Zr原子比对制备TiZrCN粉末的影响。在Ti/Zr原子比相同时,当以1μm Ti O2和纳米级（100 nm）Ti O2分别为原料粉制备TiZrCN粉末的最佳碳化温度分别在1800℃和1750℃左右;在原料相同时,当Ti/Zr原子比越接近于1:1时,制备TiZrCN粉末的碳化温度越高。在1150℃下时效时,调幅分解组织的覆盖面积不大。随着时效温度的升高,调幅分解组织覆盖的面积更大,且随时效时间的延长,调幅分解形成的条纹状组织出现粗化的现象。基于相场模拟方法对TiZrCN体系进行了调幅分解过程的模拟,并研究了Ti原子含量、时效温度以及时间对TiZrCN调幅分解组织的微观形貌、尺寸、幅值、波长以及体积分数的影响。结果表明:当时效温度为1500℃时,Ti40Zr60CN的α（富Ti）相的形貌为球形颗粒状;随着Ti原子含量的增加,Ti50Zr50CN和Ti60Zr40CN形成的形貌更偏向于条纹状。当时效温度为1150℃时,在模拟时效前期0-60000 s,Ti50Zr50CN还未发生调幅分解,直到时效时间到达72000 s才开始形成调幅分解组织;随着时效温度的升高,发生调幅分解的时间更短,且组织相更趋近于长条纹状,并随时间延长,组织开始粗化过程。相场模拟结果与时效温度为1150-1350℃时的实验结果相吻合。最后,基于热力学计算模拟,设计并制备了具有调幅分解特性的WC-10Co-3Zr CN-x Ti C基梯度硬质合金,研究了调幅分解对梯度层微观组织结构的影响,探讨了双梯度层的形成机制。研究表明:在调幅分解作用下,梯度层形成了WC+Co（第一层）/WC+Co+富Ti立方相（第二层）的新型双梯度微观组织结构。随着Ti含量从1%增加至3%,WC+Co层厚度由61μm变为53.43μm。在添加0%的Ti元素的合金A中由于表面脱氮不完全导致一小部分的Zr元素残留;而在添加1%的Ti元素时,由于Ti、Zr元素的固溶作用造成合金B的表层几乎不存在Zr元素的分布;当合金中的Ti元素达到2%时,Zr元素在合金的表层和次表层的分布较合金B来说更多,是因为随着合金中的Ti含量增多,Zr元素的扩散除了受内部N势驱动的影响之外,还受TiZrCN体系的调幅分解相反驱动力的影响;当合金中的Ti达到3%时,与合金C相比,相差不大。

关键词： TiZrCN粉末调幅分解微结构演变相场模拟

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新型热等静压态镍基粉末高温合金高温拉伸变形行为研究

新型热等静压态镍基粉末高温合金高温拉伸变形行为研究

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作者：陈凯歌中南大学

学位级别：硕士

镍基粉末高温合金作为高推重比航空发动机涡轮盘的首选材料,其第三代合金采用“热等静压→热挤压→等温锻造→双性能热处理”的技术路线制备。在实际热挤压生产过程中合金会出现开裂问题,严重影响涡轮盘研发和制造。因此,本文通过高温... 详细信息

镍基粉末高温合金作为高推重比航空发动机涡轮盘的首选材料,其第三代合金采用“热等静压→热挤压→等温锻造→双性能热处理”的技术路线制备。在实际热挤压生产过程中合金会出现开裂问题,严重影响涡轮盘研发和制造。因此,本文通过高温拉伸实验,研究新型热等静压态镍基粉末高温合金的热变形行为和损伤行为。通过有限元模拟及工业试验,优化了该合金的热挤压工艺。本文的主要研究内容和结论如下:(1)通过高温拉伸变形实验,研究了高温拉伸变形工艺参数对合金变形行为和拉伸力学性能的影响。结果表明:热等静压态镍基粉末高温合金的流变曲线具有明显的再结晶特征。变形温度升高和应变速率减小的过程中,合金的动态再结晶作用加强,合金流变抗力减小。合金的流变软化阶段出现了粉末颗粒强度、原始颗粒边界强度、晶粒强度和晶界强度的竞争演变过程。变形温度为1070℃时,晶粒强度和晶界强度高于粉末颗粒强度和原始颗粒边界强度,粉末颗粒和原始颗粒边界更容易发生破碎。变形温度为1130℃时,合金组织更容易发生再结晶。此时晶界位置处更容易发生滑移,合金塑性变形能力变强。此外,基于实验数据建立了可以预测合金流变应力的本构模型。(2)通过金相显微实验、扫描电镜实验和电子背散射衍射实验,研究了合金变形过程中微结构演变行为。结果表明:粉末颗粒发生了破碎、分裂和再结晶现象。随变形温度升高和应变速率减小,粉末颗粒破碎效果减弱;合金变形过程中,虽然1070℃条件下γ'相没发生溶解,1130℃条件下发生γ'相的溶解,但是全部变形条件下合金冷却过程中均出现了大尺寸γ'相向小尺寸γ'相分化的演变过程;变形后合金晶粒组织的再结晶程度都比较高,均由等轴晶粒组成。变形温度升高合金更易发生再结晶,应变速率的增加有利于获得整体尺寸更加均匀细小的晶粒组织。(3)通过金相显微实验、扫描电镜实验和能谱分析实验,研究了变形参数对HIP态镍基粉末高温合金断口位置处孔洞形貌分布的影响,总结了合金高温拉伸变形过程中孔洞的形核机制。结果表明:随变形温度升高和应变速率减小,合金断口位置处孔洞的数量出现明显的增加。高温低应变速率变形条件下,随孔洞含量增加合金断口位置处出现明显的颈缩现象。低温高应变速率条件下,合金断口位置处孔洞含量少,但是直接出现明显的裂纹;合金高温拉伸变形过程中粉末颗粒的破碎、原始颗粒边界的破碎、非金属夹杂物和基体的分离、金属氧化物与基体的分离和粉末颗粒碎屑与粉末颗粒的分离是诱导孔洞形核的原因。(4)结合有限元模拟和细观损伤力学模型,建立了描述HIP态镍基粉末高温合金高温拉伸变形损伤行为的有限元损伤模型。基于有限元仿真结果,分析高温拉伸变形过程中合金损伤演变行为。结果表明:合金变形初期几乎没有孔洞的形核和长大发生,在变形中期孔洞的形核和长大的速度随应变的增加而增加。在合金断裂阶段孔洞含量在极短的时间内骤增至极大值。(5)结合损伤模型,建立了合金热挤压有限元模型。研究了热挤压过程中坯料等效应力、等效应变和等效应变速率的分布情况。结果表明:坯料热挤压过程中组织流动不均匀,虽然一定的挤压速度范围内都能完成挤压过程,但是挤压速度过快或过慢的情况下不利于坯料顺利进入挤压模。综合考虑等效应力、等效应变和等效应变速率,坯料的初始温度应控制在约1110℃,挤压速度应控制在35mm/s至45mm/s的范围内。图表统计:图64幅;表8个;参考文献132篇

关键词：热等静压态镍基粉末高温合金高温拉伸变形微结构演变有限元模拟损伤模型热挤压

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KN/PDMS复合材料的微结构与能量收集研究

KN/PDMS复合材料的微结构与能量收集研究

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作者：王晨炜北京工业大学

学位级别：硕士

近年来，由于柔性自供电可穿戴电子器件的兴起，越来越多的科研人员对柔性压电能量收集器的研究产生了浓厚兴趣。其中，探寻一种环保、输出稳定的柔性压电材料具有非常重要的意义。有机-无机柔性压电复合材料正是一种能够有效地收集自... 详细信息

近年来，由于柔性自供电可穿戴电子器件的兴起，越来越多的科研人员对柔性压电能量收集器的研究产生了浓厚兴趣。其中，探寻一种环保、输出稳定的柔性压电材料具有非常重要的意义。有机-无机柔性压电复合材料正是一种能够有效地收集自然环境、人体运动所产生的机械能并转化成电能的一种新型材料。在功能特点上，有机-无机柔性压电复合材料将有机物的柔性特征与陶瓷的压电性能相结合，成为了材料领域中的研究热点。但是相对于传统压电陶瓷材料，有机-无机柔性压电复合材料由于应力传递效率低、内阻过高等问题导致其发电性能较差。本论文详细探究了有机-无机复合材料的填料分布、填料形貌及第三组元的添加对压电复合材料性能的影响，进一步揭示了复合材料微结构演变与机电转换性能之间的关联性。　　第一，我们制备了一种压电颗粒在有机基体中准一维、链状结构排列的柔性压电复合材料。研究中，选择传统固相法制备的具有优异压电性能的KNbO3(KN)颗粒作为填料，进一步通过介电泳工艺制备了柔性压电复合材料。研究发现，KN颗粒在聚二甲基硅氧烷(PDMS)基体中准一维、链状排列可以有效提高复合材料的应力传递效率和机电转换性能。在施加相同外力条件下，填料准一维排列的复合材料产生了一个较大短路电流(ISC)0.82μA，是随机分散复合材料的4.5倍。　　第二，针对固相法制备的KN陶瓷颗粒团聚严重、颗粒形状不规则等问题，我们采用熔盐法制备了高分散特性的KN块状颗粒，进一步探究粉体形貌对KN/PDMS复合材料的电性能影响。研究中，详细研究了电场、频率以及时间等因素对复合材料中压电颗粒链状排列的作用规律。结果表明，熔盐法制备的KN颗粒在复合材料中分散性更好，而且该复合材料的发电性能相比基于固相法制备KN颗粒的KN/PDMS复合材料得到了大幅度提升。　　第三，针对柔性压电复合材料中普遍存在的内阻大、电流小的问题，我们结合前期的实验结果，在KN/PDMS复合材料中引入Cu纳米棒(NRs)作为导电第三相。研究发现，Cu NRs的加入可以降低KN/PDMS复合材料的内阻，提高应力传递效率、极化效率，进而提高功率密度。　　综上所述，本论文中，通过构建准一维链状结构、改变压电相形貌、加入导电相等方法，实现了柔性压电复合材料应力传递效率、极化效率、发电性能等大幅度的提高，在柔性自供电可穿戴电子器件领域具有重要的应用前景。

关键词：柔性压电复合材料制备工艺微结构演变机电转换性能

来源：评论

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