关键词： 水泥基多孔材料   微结构   形成机理   传热行为   数值模拟  

摘要： 随着中国经济社会的快速发展和人民生活水平的日益提高，能源的消耗和对外依存度越来越大。普通使用的化石能源在燃烧时释放出大量温室气体(CO2)、有毒气体(SO2)和粉尘颗粒。因此，节能降耗既是实现我国经济持续快速健康发展的重要举措，也是保护环境和人民生命安全的必然要求。众所周知，建筑能耗约占社会总能耗30％，而建筑节能最重要的措施是使用保温材料。目前市场广泛使用的有机保温材料具有保温隔热性能好、质量轻、可加工性强等优点;但是这些有机泡沫保温材料也存在诸多严重缺点:保温层易开裂、空鼓、脱落，保温材料易老化，在建筑物服役期内需多次更换保温层，浪费大量人力、物力、财力。更为严重的是耐高温、防火安全性差，近年来屡屡发生其被引燃而导致的重大火灾事故，有机材料燃烧迅速，并产生剧毒气体，是导致多人死亡的主要原因。因此，以不燃的无机多孔材料取代有机泡沫材料进行建筑保温是未来的重要发展方向之一。\n 本文以轻质、多孔、节能、保温、防火为特征的水泥基多孔材料体系为研究对象，以发展和完善轻质多孔材料的制备与调控理论与技术为目标，交叉融合材料学、计算数学、数值模拟、建筑物理、土木工程、力学、传热学等学科，从水泥基材料组成及微结构角度出发，系统研究气泡在碱性水泥浆体中的微结构形成和演化规律以及泡沫稳定机制;利用计算机技术和图像分析技术对轻质水泥基泡沫材料微结构进行数值模拟和多维度重构（二维、三维）;在此基础上，建立了水泥基多孔材料二维和三维稳态传热数值模型，预测了水泥基多孔材料的有效导热系数。最后，基于理论和实验分析，制备了合适的水泥基多孔材料，用于“徽式”传统民居外墙的热工性能提升示范工程。本文所取得的主要创新成果如下:\n (1)运用超声波无损技术原位监测了水泥基多孔材料微结构的演变规律\n 本文通过自主研发的新型超声波无损监测设备(ZL200910028456)，首次采用超声波穿透技术研究了水泥基多孔材料的微结构演化过程，分析了影响水泥基多孔材料早期稳定性的多种因素和机理，发展了超声波在非饱和多孔介质中传播的共振与耗散理论。研究结果表明超声波方法是一种原位监测水泥基多孔材料微结构形成过程非常有效的无损测试方法。基于理论和实验分析，可以得到下列结论:改进型Anderson-Hampton模型可以解释了气泡在水泥基材料水化早期对超声波的传播速度和能量耗散的影响:在水泥基材料水化早期，少量气泡会显著降低声波传播速度，当气体含量大于5％时，超声波传播速度低于其在空气中的传播速度(340m/s);水泥基多孔材料微结构形成和水化过程可能分成三个阶段:潜伏期、加速期和减速期;系统研究了发泡剂、粉煤灰、养护温度等因素对水泥基多孔材料的凝结、硬化过程的影响:提高养护温度可以加速水化反应速率，发泡剂和粉煤灰对水化反应有缓凝作用;研究了不同配比水泥基多孔材料初凝和终凝时间对应的超声波传播速度，并给出了水泥基多孔材料对应于初凝时间与终凝时间的超声波传播速度范围（274-372 m/s和613-676 m/s）;提高水化速度，降低凝结、硬化时间是提高水泥基多孔材料气泡-浆体二元系统早期稳定性的有效方法。\n (2)采用三维X射线CT(3D-X-CT)系统表征了水泥基多孔材料的微观结构\n 运用X射线CT三维成像技术(3D-X-CT)，重构和表征了水泥基多孔材料的微观结构。对孔的三个主要结构参数（孔隙率、平均孔径、孔径分布）进行了系统的分析。其主要结论为:X-CT三维成像技术可以用于水泥基多孔材料微观结构的重构与表征，由于自身分辨率的影响(10μm)，一定范围内的细孔不能鉴别，造成其测试的孔隙率与实验值相比稍微偏低;随着泡沫含量的增加，包裹和分隔气泡的胶凝材料浆体含量相对减少，这增大了气泡相互搭接、融合的几率;水泥基多孔材料的密度越低，孔隙率和平均孔径越大，这种现象在密度小于900kg/m3时尤为明显;当湿密度大于900kg/m3，平均孔径接近预制泡沫的平均孔径(0.1mm);水泥基多孔材料密度越低，孔径分布范围越大，孔径分布服从对数正态分布，可以用对数正态分布函数来表征。\n (3)建立了基于三维微结构特征参数的二维和三维水泥基多孔材料微结构重构模型与稳态传热模型\n 基于3D-X-CT表征的水泥基多孔材料的微观结构产生的结构特征参数，采用一种“随机产生”方法，通过自主开发的计算机程序，重构了水泥基多孔材料的二维和三维微观结构。对于二维和三维传热问题，分别采用了“电阻网格法”和“有限体积法”来求解基于二维与三维重构图像的稳态传热方程。研究结果表明:数值模拟与EMPT分析模型模拟的结果与趋势都很接近，这主要是由于这两种模型在物理意义上都考虑到多孔材料中孔随机性分布特征;当孔隙率小于20％时，EMPT模型可以作为一种简单的分析模型用于预测

关键词： 热电材料   方钴矿结构   ⅩⅢ族元素   缺陷化合物   自发双位掺杂   电热输运   帕尔贴效应  

摘要： 热电材料利用赛贝克效应和帕尔贴效应实现热能与电能的直接转换，在清洁能源、特殊电源及特殊制冷技术领域具有重要的应用价值。填充型方钴矿化合物因具备“声子玻璃-电子晶体”的结构特征和优异的热电性能，成为最具应用前景的中温区热电发电材料。方钴矿结构中的Sb孔洞可填入稀土、碱土、碱金属等原子，产生有效的声子共振散射降低晶格热导率，并可调控电输运特性，从而优化热电性能。最近的研究发现，理论上不能稳定填充的(ⅩⅢ)族元素(Ga、In、Tl)也可以进入方钴矿结构中，并对材料的热电性能产生明显的影响，部分含(ⅩⅢ)族元素的方钴矿材料展现了优异的热电性能。但是，实验报道的方钴矿材料中(ⅩⅢ)族元素的存在方式与含量及(ⅩⅢ)元素对方钴矿的电、热输运的影响规律尚存分歧，阻碍了该类新型方钴矿材料体系的成分与性能优化。从理论和实验上阐明(ⅩⅢ)元素在方钴矿结构中的存在方式与含量及其对电热输运的影响机制已成为方钴矿热电材料研究中新的焦点问题。\n 本论文围绕(ⅩⅢ)族元素(Ga、In)在方钴矿中的存在方式与含量及其对方钴矿热电输运的影响机制，对该体系方钴矿材料的制备与相组成控制、微观结构特征、以及热电输运的结构依存关系等，从实验和第一性原理计算等方面开展了系统的探讨，主要取得如下结果:\n (1)方钴矿中共有3种原子占位，即2a位的孔洞位置、8c位的Co原子位置和24g位的Sb原子位置。依据这三种不同的原子占位设计了三种单一缺陷形式(孔洞填充(GaVF)xCo4Sb12、Co位掺杂Co4-x(GaCo)xSb12和Sb位掺杂Co4Sb12-x(GaSb)x)的化合物组分，通过对这三种名义组分样品的物相分析，发现Ga原子不能按照上述任何一种仅在Sb孔洞位置或单一掺杂的形式存在于锑化钴基化合物中。同时，三类样品都显示相似的热电输运性能:较大的赛贝克系数、较低的电导率及低于CoSb3的晶格热导率。\n (2)基于上述结果，预测Ga元素可能同时以孔洞填充和Sb位掺杂的方式进入方钴矿，通过两种缺陷间的电荷平衡形成自洽的自发双位掺杂缺陷体系。根据Ga在孔洞填充和Sb位掺杂可能引起的价电子数目变化，设计了两种不同原子占位比例(GaVF∶GaSb=2∶3和2∶1)的自发双位掺杂组分，实验结果显示，Ga元素以GaVF∶GaSb=2∶1的比例主要进入方钴矿基体中，从而在实验上证明了电荷自洽掺杂体系的稳定存在。\n (3)采用第一性原理计算了不同比例及不同占位的各类含Ga元素CoSb3化合物的吉布斯自由能，发现GaVF∶GaSb=2∶1自发双位掺杂化合物最稳定，成功解释了电荷自洽掺杂体系稳定存在的机理:Ga元素在Sb位掺杂缺失2个价电子，而在孔洞位置填充可提供1个价电子，GaVF∶GaSb=2∶1时可形成电荷自洽体系。\n (4)利用XRD、电子探针、能谱、扫描电镜和透射电镜的探测手段研究了Ga元素在自发双位掺杂体系(GaVF)2x/3Co4Sb12-x/3(GaSb)x/3中的含量，发现其存在极限x约为0.13;利用球差校正透射电镜获得的HAADF-STEM像中观察到了孔洞位置的Ga原子;利用能谱EDXS的结果半定量地证实了GaVF∶GaSb=2∶1自发双位掺杂的预测。Ga原子自发双位掺杂的特性可以显著降低晶格热导率，并且其电荷补偿作用可以有效提高赛贝克系数。\n (5)基于以上获得的Ga-Co-Sb体系的研究结果，进一步探索了In原子在CoSb3方钴矿中的存在方式与含量。发现In元素具备与Ga类似的自发双位掺杂的特性，其含量比Ga更高，约为0.27。当In原子以InVF∶InSb=2∶1引入方钴矿基体时，获得了与名义组分(InVF)2x/3Co4Sb12-x/3(InSb)x/3接近的稳定的自发双位掺杂相，其热电性能优值达到1.2。

关键词： 铝碳材料   铝粉   二氧化钛   显微结构   性能  

摘要： 碳复合耐火材料因具有良好的使用性能而得到较广泛的应用。但是，在高温下碳复合耐火材料的结构疏松，这是因为石墨与氧化性的发生反应，降低材料的抗折强度、抗热震稳定性及抗渣侵蚀性等性能，从而影响耐火材料的使用性能。为解决含碳材料中碳氧化的问题，常用的方法是加入金属铝等抗氧化剂。而金属铝与材料中的碳和气氛气体(氮气)发生反应，生成氮化铝或碳化铝，然后被氧化成氧化铝及尖晶石。反应中的这些产物具有使材料的致密度、抗氧化性和强度提高等效果。另一方面，添加金属铝的含碳耐火材料，在高温下会生成碳化铝或氮化铝时，存在着容易水化，直至损坏的问题。尤其是在间歇操作的熔炼炉、RH下部槽等使用不定形耐火材料进行修补时水蒸汽接触到外面的部位，使材料水化，造成耐用性显著恶化。 文章以二氧化钛为添加剂，探讨了二氧化钛对铝碳质耐火材料显微结构、物相组成和性能的影响。首先研究了二氧化钛本身在高温下的热稳定性;然后以石墨、铝粉为原料，添加二氧化钛，研究了二氧化钛对铝碳质耐火材料的基质的物相和显微结构的影响，结果表明：在800℃生成了氮化铝和碳化铝，二氧化钛没有参加反应，到1000℃和1200℃时，生成了碳化钛和氧化铝，同时氧化铝和碳化铝生成了铝氧碳化合物;到1400℃的时候，氮化铝和碳化铝以及铝氧碳化合物被氧化而减少;从性能方面，研究了二氧化钛对铝碳质耐火材料的抗氧化性、高温抗折强度以及抗水化性能的影响，结果表明：在加二氧化钛加入1%%时，试样的氧化性能得到改善;加入0.5%%时，高温抗折强度高于空白试样;试样的抗水化性能随着二氧化钛加入量的增加而得到改善，这是由于二氧化钛与铝粉的反应，减少了易水化物质的生成。

关键词： 固体推进剂   高氯酸铵   热分解机理   纳米氧化锌催化剂   微结构  

摘要： 固体推进剂是航天、航空、兵器、船舶等国防工业部门共用的基础和关键产品，其燃烧性能决定着导弹武器系统的动力输出功率，直接影响武器装备的射程和精度。设计并制备微结构可控的纳米催化剂及其与氧化剂组成壳核结构纳米复合材料是目前燃烧性能研究的热点和重点。本文致力于研究纳米ZnO微结构与高氯酸铵（AP）催化性能之间的构效关系，来探寻纳米催化领域新的视角，并尝试推动其向应用化发展的进程。　　基于第一性原理，从分子和原子水平角度出发，分别计算了AP热分解的重要中间产物HClO4在ZnO非极性晶面(1010)，极性晶面(0001)和(1011)，原子台阶缺陷处的吸附构型、初始态及过渡态的能量势垒。计算结果表明，ZnO高能面和原子台阶上均有利于自发吸附HClO4，而且HClO4分子中Cl-O键可离解产生高活性氧原子（O）。从中可以看出，ZnO的高能面和原子台阶在HClO4分解反应中起了关键作用，成为了氧化还原反应的活性中心。　　根据理论计算结果，采用简便的水浴法并调节水/醇体积比为1:6，1:4，1:2，分别制备出了(0001)外露晶面所占比例为18.6％，20.3％，39.3％的ZnO样品并进行了催化AP热分解研究。与纯AP的热分解特性相比，这三种样品使AP的高温分解峰温分别降低了101℃，109℃，125℃，放热量也分别从574.0J/g增加到1109.0J/g，971.0J/g，1033.0J/g。且由纯AP的二次放热变为一次性放热，AP的高温分解的活化能分别从162.5±7.6kJ/mol降至90.8±11.4kJ/mol，83.7±15.1kJ/mol，63.3±3.7kJ/mol。这些性能的增加主要是由于ZnO高比例外露晶面(0001)决定，其不仅有利于HClO4的吸附和扩散，而且还易产生活性氧原子加速了NH3氧化反应。　　同时，还采用感应加热蒸发法制备了四针状ZnO（T-ZnO），发现在该颗粒表面上存在着大量由1010晶面和(0001)晶面组成的原子台阶，而水热法制备的棒状ZnO（R-ZnO）结晶性较好而仅有很少的原子台阶。这两种ZnO样品都可以使得AP的高温分解温度降低并放出更多的热量，分别使AP的高温分解活化能从162.5±7.6kJ/mol降低到111.9±6.9kJ/mol，156.9±15.1kJ/mol。从中可以看出，T-ZnO的催化效果要优于R-ZnO，这主要是由于具有较多原子台阶的T-ZnO能吸附更多的HClO4，从而产生更多的活性氧原子加速NH3氧化反应。　　根据DFT理论计算和实验测试结果，提出了ZnO微结构催化AP的热分解机制。首先，HClO4分子在ZnO(0001)面或其原子台阶表面易形成活性O原子，接着，活性O原子与NH3发生反应生成亚胺（NH），同时NH立即可与O原子相互作用形成HNO，最后，两个HNO分子反应生成N2O。　　为解决纳米ZnO在固体推进剂应用过程中的分散问题，制备出了纳米级ZnO为壳，微米级AP为核的核壳结构复合材料并验证了其在固体推进剂中的应用效果。结果表明，复合材料壳粒子ZnO的粒径大概为100 nm左右，其高温分解峰温由纯AP的398℃降至272℃，放热量从574.0 J/g增加到1137.0 J/g，反应活化能也显著降低。另外，使用 ZnO/AP壳核结构纳米复合材料，固体推进剂燃速压强指数由0.51降至0.29，而固体推进剂药浆粘度和屈服值均未显著增加。从中可知，ZnO/AP壳核结构纳米复合材料不仅解决了纳米催化剂在固体推进剂的分散问题，又达到了预期的催化效果，为其在高性能固体推进剂中应用奠定了技术基础。

关键词： 超级贝氏体   Q&P马氏体   合金元素   热处理工艺   残留奥氏体稳定性  

摘要： 纳米结构超级贝氏体(或称低温贝氏体)和Q&P(淬火-碳分配)马氏体双相钢是一类重要的兼具超高强度、高塑性和良好韧性的高性能钢铁结构材料。纳米结构贝氏体铁素体或者马氏体板条对其强度起决定作用，对塑性和韧性起关键作用的则为残留奥氏体。随着钢材强度的显著提高，通常伴随塑性和韧性的显著下降，因此如何调控纳米结构双相钢中残留奥氏体微结构，来实现精细组织调控和获得优良综合力学性能，成为材料领域的重要科学问题。本文利用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射仪(XRD)和能谱分析仪(EDS)等手段研究其微观组织、相分数以及碳含量;利用显微硬度仪、纳米压痕仪、万能试验机和磨损仪等测试手段研究其力学性能和耐磨性能。通过分析合金元素、奥氏体晶粒尺寸和新型多步热处理工艺对残留奥氏体组织的影响;研究残留奥氏体结构和含量对其热稳定性的影响;和研究残留奥氏体相变诱导塑性(TRIP)效应对其机械稳定性的影响，来探索纳米结构双相钢中残留奥氏体微结构调控机理及其对力学性能的影响。主要的研究内容如下： 1、设计高C(0.95wt%)和中C(0.30wt%)含量的合金钢进行贝氏体转变，中C贝氏体钢的显微组织为较粗大亚微米级(330–360nm)贝氏体铁素体板条、残留奥氏体和马氏体，其残留奥氏体体积分数减少到10–18vol%和碳含量降低到0.62–0.86wt%;设计不添加和添加Co(3.87wt%)和Al(1.37wt%)合金的高碳钢进行贝氏体转变，添加Co和Al合金贝氏体钢的显微组织为更细小纳米级(5nm)贝氏体铁素体板条和残留奥氏体，其残留奥氏体体积分数减少到16–32vol%和碳含量增加到1.48–1.80wt%，在回火过程中，残留奥氏体体积分数和碳含量的减少程度均低于不含Co和Al合金的贝氏体钢;设计不同奥氏体化温度的高碳钢进行贝氏体转变，提高奥氏体化温度以增加奥氏体晶粒尺寸，导致贝氏体束长度和贝氏体体积分数的增加。研究表明，在超级贝氏体钢中，降低C含量，可以减少残留奥氏体体积分数和降低碳含量，但是在相变过程中形成块状M/A组织;添加Co和Al合金，可以减少残留奥氏体体积分数和增加碳含量，同时抑制残留奥氏体的分解和延迟碳化物的析出;增大奥氏体晶粒尺寸，可以加速贝氏体相变和减少残留奥氏体体积分数，此外存在一个临界奥氏体晶粒尺寸(1μm)。 2、设计低温贝氏体转变+深冷处理、低温贝氏体转变+碳分配过程的新型多步热处理工艺，显微组织为多相的纳米级贝氏体铁素体板条、残留奥氏体、新形成的细小马氏体(或者铁素体)板条和碳化物，都可以使残留奥氏体尺寸显著降低和体积分数明显减少。研究表明，超级贝氏体钢通过深冷处理，残留奥氏体明显细化归因于未转变奥氏体进一步转变成纳米尺寸马氏体和碳化物;通过碳分配过程，残留奥氏体明显细化归因于未转变奥氏体进一步分解成纳米尺寸铁素体和碳化物。同时相对于两步低温贝氏体转变法细化残留奥氏体，需要很长的相变时间(days)，深冷处理和碳分配过程只需要很短的相变时间(hrs)，就可以显著降低残留奥氏体尺寸和减少残留奥氏体体积分数。 3、利用超级贝氏体和Q&P马氏体工艺，研究残留奥氏体在相变和回火过程的热稳定性，超级贝氏体钢和Q&P马氏体钢，其显微组织都是纳米级贝氏体铁素体或者马氏体板条，和残留奥氏体(或含有细小碳化物)组成，具有高的残留奥氏体含量，但是Q&P马氏体钢中残留奥氏体体积分数和碳含量高于(或接近)超级贝氏体钢;回火过程中残留奥氏体分解成铁素体和碳化物，其体积分数和碳含量都会降低，但是Q&P马氏体钢的残留奥氏体含量和回火硬度减少程度均低于超级贝氏体钢。研究表明，Q&P马氏体钢在相变和回火中，残留奥氏体的热稳定性甚至高于(或接近)超级贝氏体钢。 4、利用拉伸和磨损实验，研究残留奥氏体在应力作用下的机械稳定性，超级贝氏体钢和Q&P马氏体钢都具有优异的强塑性匹配，但是低温贝氏体转变(200℃)的超级贝氏体钢的塑性相对较差(总延伸率为5.8%)，中温碳分配(450℃)的Q&P马氏体钢具有更高的塑性(总延伸率为14–20%);相对于超级贝氏体钢，Q＆P马氏体钢的磨损表面具有更高的硬度(762HV1对应695HV1)和更厚的变形层(3.3μm对应2.1μm)。研究表明，超级贝氏体钢中大量的Fe-C簇、细小碳化物和孪晶残留奥氏体的形成，降低了残留奥氏体的机械稳定性，在应力(拉伸和磨损)作用下TRIP效应不显著;Q&P马氏体钢中残留奥氏体具有很好的机械稳定性，在应力作用下发生应变诱发马氏体相变，具有明显的TRIP效应。

关键词： 纳米复合永磁体   高能球磨   相变   磁性能   微结构   铁粉  

摘要： 科技朝着自动化、轻型化不断发展，以及能源紧缺，环境污染等主流的社会问题都对永磁材料的性能提出了更高的要求，特别是在高温环境下。然而在近二十年内，永磁材料性能的发展进入瓶颈期，纳米复合永磁体的提出为永磁材料的发展开辟了新的道路，有望成为下一代永磁体。SmCo/α-(Fe, Co)纳米复合永磁体有望满足高温环境下对磁体的要求。本文采用差示扫描量热仪（DSC）、X射线衍射分析（XRD）、振动样品磁强计（VSM）和扫描电子显微镜（SEM）等技术，深入研究了不同初始态的铁粉对高能球磨制备的SmCo/α-(Fe, Co)纳米复合永磁体性能、相变、软磁相晶粒破碎和长大过程的影响。 选用电解法制备的树枝状铁粉时，随温度的升高该磁体的相变过程为：非晶晶化为SmCo5相，非晶晶化为SmCo7相，SmCo5相转化为SmCo7相;热处理过程中软磁相的晶粒不易长大，最大磁能积为(BH)max=8.8MGOe。选用雾化法制备的球状铁粉时，磁体的相变过程仅为非晶晶化为SmCo7相;热处理过程中软磁相的晶粒容易长大，最大磁能积仅为(BH)max=5.5MGOe。 在高能球磨过程中，与雾化法制备的铁粉相比，电解法制备的铁粉更容易使硬磁相非晶化，能够促进粉体颗粒的破碎从而利于粉体中各组元的均匀分散。选用电解法制备的铁粉可通过改变球磨或热处理工艺来调控硬磁相中SmCo5相和SmCo7相的相对含量。而选用雾化法制备的铁粉时，磁体中硬磁相仅为SmCo7相。

关键词： 透射电子显微镜   散射   衍射   质厚衬度   衍射衬度  

摘要： 透射电子显微镜作为微结构表征的主要手段之一,衍射图记录了样品倒易空间的信息,可用于确定晶体的晶相、对称性及晶体之间的取向等;显微图像记录了样品实空间的信息,其衬度可直观揭示材料微结构信息和空间分布等。透射电子显微图像的衬度主要有振幅衬度和相位衬度,而振幅衬度又可分为衍射衬度和质厚衬度。衍射衬度反映的是晶体内部的组织结构特征,对晶体结构的不完整性、缺陷、晶体的取向等细节非常敏感;质厚衬度反映的是样品的形貌特征,由样品中不同区域的平均原子序数或样品厚度差异引起;相位衬度是当电子束穿过非常薄的样品后,电子束的强度基本不发生变化,仅仅是电子的相位受到周期晶体势场的调制而形成不同的衬度,一定的条件下,相位衬度可反映晶体点阵甚至是原子的排列。本文介绍了透射电子显微镜衬度的形成机理及不同衬度的特点;以多晶铜为例,在透射电镜观察中实现了质厚衬度成像和衍射衬度成像的相互转换,介绍了其相互转换的原理及实现方法;同时利用高分辨透射电子显微成像对Tb离子掺杂CeV04稀土纳米材料的微观结构进行了研究。利用透射电镜的不同成像衬度模式能够在样品的同一视场中观察到更多的材料结构细节,可以在多层次和不同尺度上获得更丰富的微结构信息。

关键词： 纳米晶体材料   断裂韧度   弹性复势方法   位错   涂层纳米夹杂   裂纹   楔形向错   旋转变形   晶界滑移与迁移   纳米变形孪晶  

摘要： 纳米晶体材料,具有卓越的物理和力学性能,日益引起广泛关注。然而,在很多情况下,纳米晶体材料具有超高的强度、硬度和良好的耐磨损性能,同时表现出很低的拉伸延性和断裂韧度。实验还发现部分纳米晶体材料在室温下也能表现出良好的拉伸延性,在高温下表现出超塑性和超韧性,并将其归结为纳米晶体材料中特殊的变形模式,包括晶粒间滑动、旋转变形、晶界滑移和协同的晶界迁移、以及纳米尺度的孪晶变形等。然而,这一现象的微观机制以及力学性能与微结构演变的定量关联尚未揭示。纳米晶体材料在制作和使用过程中不可避免地会产生位错、夹杂和微裂纹等微观缺陷,微观缺陷与特殊变形模式之间的相互作用机理成为研究纳米晶体材料断裂的基础;裂纹尖端发射位错是材料韧性与脆性转变的重要判据,因此研究纳米晶体材料中裂纹尖端的微结构演变对裂纹尖端位错发射的影响,不仅有助于理解裂纹尖端晶界位错运动引起的微结构演变及其与材料断裂韧度的关系,而且可以为纳米晶体材料的显微结构设计和断裂预防提供理论基础。 本文以纳米晶体材料为研究对象,基于实验观测现象,建立了相关的断裂力学模型,综合运用复杂多连通域混合边值问题的弹性复势方法和能量法,较为系统地研究了微结构(涂层夹杂、旋转变形、晶界滑移与迁移的协同变形和纳米变形孪晶)演变与位错、裂纹的相互干涉及其对材料断裂韧度的定量影响规律。本文主要研究成果如下 (1)建立了螺型位错与涂层纳米夹杂的干涉模型,获得了干涉应力场、位移场和位错像力的解析表达式,并通过数值计算详细讨论了位错像力和位错的平衡性质。研究发现,在纳米尺度范围,硬基体和硬涂层可以吸引纳米夹杂中的位错,而软基体和软涂层可以排斥纳米夹杂中的位错;夹杂界面效应不仅可以改变螺型位错在纳米夹杂中的平衡位置,也改变涂层纳米夹杂中螺型位错的稳定性以及夹杂临界半径的大小。 (2)引入楔形向错四极子模型,建立了直线裂纹与表征特殊旋转变形的向错四极子的力学模型,以及直线裂纹与裂纹尖端的特殊旋转变形、晶粒间滑动和位错发射相互干涉的力学模型,获得了裂纹尖端刃型位错发射的临界应力强度因子精确表达式,揭示了特殊旋转变形、晶粒间滑动和位错发射对材料断裂韧度的综合影响规律。研究发现,裂纹尖端附近的特殊旋转变形可以通过释放局部应力而阻碍裂纹尖端的位错发射,且变形越大,位错发射越困难;裂纹尖端附近特殊旋转变形、晶粒间滑动和发射位错可以使纳米晶体材料的有效断裂韧性剧增;材料的断裂韧度敏感于晶粒尺寸,存在一个最佳晶粒尺寸使得材料的断裂韧度最强。 (3)建立了刃型位错与椭圆钝裂纹及纳米级晶粒旋转变形相互干涉的力学模型,导出了椭圆钝裂纹端点位错发射的临界应力强度因子精确表达式,揭示了变形强度、晶粒尺寸、变形方位角、椭圆钝裂纹端点曲率半径、位错发射角度、以及裂纹长度等对椭圆钝裂纹端点位错发射的临界应力强度因子的影响规律。结果表明,纳米级晶粒旋转变形不但释放裂纹尖端区域高应力,增大位错发射的临界应力强度因子,而且显著影响位错的最易发射角度;位错发射的临界应力强度因子随晶粒尺寸的增加而增大。 (4)建立了刃型位错与直线裂纹及表征晶界滑移与迁移协同变形的向错结构相互作用的力学模型,获得了裂纹尖端刃型位错发射的临界应力强度因子精确表达式,揭示了变形强度(向错强度)、晶粒尺寸、晶界间夹角、晶界滑移距离、晶界迁移距离、位错发射角度、以及裂纹长度等对裂纹尖端位错发射临界应力强度因子的影响规律。结果表明,晶界滑移与迁移的协同变形可以促进裂纹尖端的位错发射,增强了纳米晶体材料的断裂韧度。 (5)建立了外载作用下,密排六方晶体基面上的滑移全位错分解为孪生位错和压杆位错,进而孪生位错在晶内滑移,纳米变形孪晶形核且不断长大的力学模型。获得了密排六方晶体镁中纳米变形孪晶形核与长大的能量条件和临界剪切应力。结果表明,密排六方晶体镁中{1012}孪晶形核的临界剪切应力约为61.16MPs～92.05MPa。且纳米变形孪晶在形核的初始阶段很难长大,而当达到一定厚度后,纳米变形孪晶的长大将变得十分容易。

关键词： 磁性材料   光纤器件   悬挂芯光纤   毛细管光纤  

摘要： 进入21世纪以来,全球的通信行业迅猛发展,传统通信技术已基本成熟,在科技进步的要求和市场需求的刺激下,光纤通信成为新一代通讯技术已是大势所趋。然而,实现全光通信技术需要光电子器件和通信系统技术不断发展和更新。这就要求相关领域的科研人员从新机理、新结构、新材料和新思路等角度不断探索新型光电子器件(如光开关、调制器、衰减器、滤波器、波分复用器等),获得性能和功能等方面的显著提高和改进。本文设计并制备了两种基于磁性材料的微结构光纤调制器件:基于磁流体的悬挂芯光纤调制器件和基于磁流体的毛细管光纤调制器件。利用微结构光纤的空气孔结构,在其内部填充液态磁性材料,并通过与多模光纤的耦合实现封装。利用磁流体与微结构光纤界面处的倏逝场作用,以及磁流体具有磁调制折射率的特性,实现对光输出强度的调制。实验结果表明,微结构光纤调制器件的调制深度可以通过增加磁场强度、升高温度和提高磁流体浓度来实现:(1)基于磁流体的悬挂芯光纤调制器件在磁场强度为489 Oe时,调制深度可以达到42%,响应时间约为200 ms,恢复时间约为300 ms。当温度达到60℃时,调制深度约为61%;(2)基于磁流体的毛细管光纤调制器件在磁场强度从40 Oe提高到440 Oe时,对应调制深度从43%增加到70%。调制器件的响应时间基本维持在500 ms。当温度从25℃上升到80℃时,相应的调制深度可以从43%增加到67%。当磁流体的浓度从4.2%提高到12%时,对应调制深度从43%增加到75%。本研究中,光纤调制器件的主体结构采用微结构光纤,不仅可以作为磁流体的载体,同时也是光传导的媒介,这有助于缩小器件尺寸。此外,研究采用本学院实验室自主设计和拉制的悬挂芯光纤和毛细管光纤,这在光学器件方面的研究还比较少见。本研究揭示了将磁流体与微结构光纤相结合的潜在应用,如可调谐全光纤集成调制器件、磁性传感器、光开关、光纤滤波器等其他集成器件,为光学器件集成化和微型化提供了重要的研究资料。

关键词： 动态塑性变形   应变率   晶粒细化   位错亚结构  

摘要： 利用分离式霍普金森压杆对1050工业纯铝和2195铝锂合金进行多道次的动态塑性变形,对试样进行单向加载和多向加载两种变形,其累积应变分别为1.6和3.6。对加载试样的显微组织进行了观测,并探讨了高应变率塑性变形过程中的显微组织演变机理。 对变形过程中采集的应变脉冲信号进行处理,单向加载试样和多向加载试样的平均应变率分别为1.2×103s-1和2.8×103s-1,应力波加载周期均小于200μs。分析了加载过程中试样的动态力学响应,单向加载试样每一道次的流变应力均持续增加,而多向加载试样的流变应力从第5道次以后基本维持在一个稳定范围。 利用透射电镜对变形试样的显微组织进行观测,原始粗大组织得到了明显细化,单轴加载试样的微观组织主要为拉长晶粒,而多向加载试样的微观组织则为等轴状的晶粒／位错胞。加载后的试样均含有高密度的位错,形成的位错组态主要为位错缠结和位错胞,多向加载试样含有更高密度的位错,晶界和胞壁弯曲模糊,一些晶粒内包含着小尺寸的亚晶粒和位错胞。 高应变率塑形过程中,应力波加载周期很短,动态回复受到抑制,有利于试样获得高密度位错,为铝合金晶粒的进一步细化提供了条件。单向加载试样中形成两种类型的位错界面GNB和IDB,随着塑性变形的继续进行,位错界面间距不断缩小并形成拉长晶粒,在持续增加的流变应力作用下,一些拉长晶粒和粗大晶粒破碎成更加细小的等轴晶粒,并最终实现晶粒细化。而在多向变形过程中,随着累积应变量的增加及加载方向的不断变换,多方向上的位错亚结构相互交割,使得高密度的位错缠结区和位错胞分裂成细小的等轴状位错亚结构并进一步演变为亚晶粒。