关键词： 水泥基材料   硅藻土   微结构   分子动力学   冻融劣化  

摘要： 为了应对传统水泥行业高排放、高耗能等问题,逐渐出现了利用富硅矿物掺合料替代水泥的混凝土制备技术,这些技术有助于传统水泥行业向绿色、低碳、节能、环保转型。适量的富硅矿物掺合料不仅可以优化水泥基材料的微观结构、提升材料性能,还可以显著降低水泥用量。然而,由于系统复杂性和时变性特征,富硅矿物掺合料与硅酸盐水泥体系的水化机理仍不清晰,尤其是对于水泥和富硅矿物掺合料自身反应活性的研究还不够深入。此外,富硅矿物掺合料参与水化反应会影响微观结构形成,并对材料长期耐久性能产生影响。因此,本文主要研究硅藻土和硅灰等富硅矿物掺合料,探究不同硅藻土掺量对材料水化反应、微观结构形成和冻融劣化的影响机制。本文主要研究内容包括: （1）利用反应性分子动力学（MD）模拟和高场固态核磁共振（NMR）技术相结合开展相关研究工作,进一步解释了水化诱导期的成因,并揭示了固液界面上的微观机理。通过对C3S与水分子间固液界面溶解与沉淀事件的实时监测,发现了C3S溶解动力学过程与Ca的表面配位结构具有显著的定量关系。揭示了溶出Ca的表面重吸附主导C3S自减速溶解的作用机理。 （2）通过研究硅藻土等富硅矿物掺合料的溶解过程,定量描述了矿物掺合料的反应活性。利用高温加速策略在时域进行了充分的原子构型采样,揭示了二氧化硅从完全连接的结构网络到最终水溶液组分的逐步转变。强化采样方法Well-Tempered Metadynamics（WTMeta D）的自由能重建结果表明,1500K的高温加速策略不会显著改变二氧化硅的反应路径。此温度下溶解动力学速率计算结果与经验值显示出很强的一致性。表面基元反应分析结果表明,碱性电解质溶液中脱羟基化的二氧化硅表面主要经历从以Si-O-Si键断裂为主导到以羟基化为主导的表面反应转变过程。 （3）利用硅藻土材料,通过考虑不同富硅矿物掺合料的种类与掺量（包括硅藻土与硅灰）,利用压汞法（MIP）和氮气等温吸脱附法（NAM）等试验方法,对硬化水泥砂浆的孔结构及力学性能进行了试验表征与测试。同时,根据第二、三章矿物溶解与水化的研究结论,考虑了硅藻土掺量对水泥砂浆孔结构形成与力学性能发展的影响机制。此外,对冻融循环后硅藻土水泥砂浆的孔径结构分布进行了试验表征,利用多维分形分析方法,揭示了冻融前后材料孔结构非均质性和连通性的演变机理,揭示了硅藻土通过参与水化反应影响材料微结构形成并进一步改变水泥砂浆冻融劣化作用的影响机理。 （4）通过建立硅藻土混凝土冻融损伤本构模型,阐明了硅藻土等富硅矿物掺合料对冻融环境下混凝土材料力学性能的作用机理。分析了硅藻土等富硅矿物掺合料水化体系的混凝土柱在冻融环境下的抗震性能,并揭示了硅藻土等富硅矿物掺合料对冻融环境下混凝土柱抗震性能的影响机制。

关键词： 梯度纳米晶   梯度率   强塑性   晶体塑性有限元建模  

摘要： 随着纳米结构材料在航空航天、微纳电子器件和智能医疗设备等领域的广泛应用,对其综合力学性能的要求不断提高,其中强度和韧性是评估其工程服役能力的两个重要力学性能指标。相比于传统的粗晶结构材料,纳米晶金属材料的强度可以得到大幅度提升,但其往往缺乏拉伸塑性和应变强化能力,强度和韧性呈现“鱼和熊掌不可兼得”的倒置关系,这严重制约了纳米晶金属材料的应用和发展。在纳米晶结构中构筑梯度晶粒结构,可以实现强度和塑性的协调发挥,是当前改善纳米材料性能的有效手段,也是当前纳米结构金属重要的研究方向。针对梯度纳米材料制备困难以及实验上最优梯度率不易控制的问题,本文采用计算机模拟的方法构筑不同晶粒尺寸梯度的梯度纳米晶铜结构,采用晶体塑性有限元方法进行研究,探寻具有最佳强塑性匹配的梯度结构特征,并深入研究高强韧梯度纳米晶结构的强塑性微观机理。主要结论如下:(1)针对本构关系中塑性参数获取困难的问题,通过晶体塑性有限元模拟,研究了塑性本构参数对力学行为的影响,给出了用于有限元分析的塑性参数标定方法。此外,通过对不同的双相梯度结构铜的拉伸响应计算发现,双相梯度铜结构中的梯度结构相较于均匀结构在强度和塑性等力学性能上具有显著优势。(2)通过对具有不同晶粒尺寸梯度结构特征的二维梯度纳米晶铜的力学行为、应变和应力场进行了计算分析发现:当晶粒尺寸分布梯度满足线性关系(即梯度率为1)时,梯度纳米晶铜具有最优的强塑性匹配;在拉伸变形过程中,粗晶承担了较大的应变,而细晶粒承载了更大的应力;当梯度率为1时,梯度纳米晶铜在塑性变形中具有最大的应变和应力梯度,且体系达到稳定的应变和应力梯度较晚。(3)为了使模拟计算结构更接近实际情况,对三维梯度纳米晶铜进行了模拟计算分析。结果表明:在最优强塑性匹配、应变和应力变化规律方面与二维实验结果一致;当梯度率为1时,变形过程呈现多轴应力状态,晶体中将激活更多的滑移系统使得应变硬化率上升及塑性流动增强;通过粗晶和细晶的相互约束能够有效减轻表面粗糙化程度,粗晶和细晶的应变局域化可以同时被有效地抑制;此外,采用分子动力学方法对不同梯度纳米结构进行了模拟计算,同样得到梯度率为1时梯度纳米结构具有最佳的强塑性匹配,此时的应力和应变梯度最大,微观尺度分子动力学计算结果与宏观尺度晶体塑性有限元计算一致,进一步分析发现最佳强塑性匹配时,体系中位错密度最大,模拟结果与梯度塑性理论一致。本研究探索了梯度纳米结构材料的设计,并深入研究了梯度纳米晶结构金属的塑性微观机理。该研究为制备高性能材料提供了理论指导和坚实可靠的理论依据。

关键词： 钛合金   基体改性   表面改性   激光粉末床熔化法   显微结构   力学性能  

摘要： Ti6Al4V合金具有密度低、比强度高、生物相容性好、低温稳定性好及力学性能优良等特点，在航空航天、生物医学、化工设备和国防工业等领域得到了广泛的应用。然而，随着上述应用领域的快速发展，对Ti6Al4V合金的性能提出了更高的要求，需进一步提高其在硬度、耐磨性能、抗腐蚀和抗氧化性能等方面的性能。目前，解决此问题的主要方法包括Ti6Al4V合金基体改性和Ti6Al4V合金表面改性，其原理分别为制备Ti6Al4V基复合材料和在Ti6Al4V合金表面制备金属基或陶瓷基涂层，使其满足在更苛刻环境下的应用条件。相较于常规的“减材制造”方法，“激光增材制造”方法因其具有制备成本低、工艺简单、效率高、材料利用率高以及可近净成型复杂形状样品等优点，在Ti6Al4V合金基体改性和Ti6Al4V合金表面改性方面具有显著的应用优势和重要的科研价值。　　基于此，本论文采用激光增材制造方法—激光粉末床熔化法，通过原位合成/烧结的独特策略制备Ti6Al4V-TiB、Ti6Al4V-(TiB+TiC)以及Ti6Al4V/TiB2-B4C叠层复合材料，分别研究了其物相组成、显微结构、元素分布均匀性、致密度以及力学性能。本论文的具体研究内容和结论如下:　　(1)采用激光粉末床熔化法，以Ti6Al4V和（0.37-0.93)wt％单质硼的混合粉体为原料，在体积能量密度为400 J/mm3 的条件下，原位合成/烧结制备了Ti6Al4V-(2-5)vol％ TiB 复合材料。其初生β-Ti 相柱状晶的宽度和α-Ti 相的晶粒尺寸分别为1.55-2.69 μm和0.71-1.20 μm，相较Ti6Al4V合金的初生β-Ti 相柱状晶的宽度(39.4 μm)和α-Ti相的晶粒尺寸(1.53 μm)分别下降了93.2-96.1％和21.6-53.6％，其应被归因于原位合成的增强相。Ti6Al4V-5 vol％ TiB 复合材料的维氏硬度在X-Y 和X-Z 表面分别达到634 和612 HV0.5、纳米硬度为7.6 GPa、弹性模量为142 GPa、耐压强度为2296.3 MPa、摩擦系数和磨损率分别低至0.385 和1.0×10-12 m3N-1m-1。此外，揭示了Ti6Al4V-TiB 复合材料的显微结构演变过程。　　(2)采用激光粉末床熔化法，以Ti6Al4V和(1-3)wt％B4C混合粉体为原料，在体积能量密度为433 J/mm3 的条件下，原位合成/烧结制备了Ti6Al4V-(5.2-15.6)vol％(TiB+TiC)复合材料。当TiB+TiC 相含量为5.2 vol％时，该复合材料的摩擦系数和磨损率分别低至0.396 和4.2×10-12 m3N-1m-1;当TiB+TiC 相含量为15.6 vol％时，该复合材料的维氏硬度在X-Y 和X-Z 表面分别达到739 和725 HV0.5。此外，Ti6Al4V-10.4 vol％(TiB+TiC)复合材料的维氏硬度在X-Y 和X-Z 表面分别达到646 和633 HV0.5、纳米硬度为9.2 GPa、弹性模量为160 GPa、耐压强度为1890.7 MPa、摩擦系数和磨损率分别低至0.401 和4.6×10-12 m3N-1m-1。　　(3)以摩尔比例为3∶5 的Ti和B4C 的混合粉体为原料，在体积能量密度为500-1167 J/mm3条件下，采用激光粉末床熔化法在Ti6Al4V合金表面原位合成/烧结制备了TiB2-B4C 复合陶瓷涂层。TiB2-B4C 复合陶瓷涂层与Ti6Al4V合金基体界面呈冶金结合状态，且其过渡区分为以TiB2/B4C、TiC/TiB/TiB2和α-Ti/TiC/TiB 相为主的三个区域，共同构成梯度界面。在体积能量密度为700 J/mm3 条件下，Ti6Al4V/TiB2-B4C 叠层复合材料的上述三个区域的纳米硬度分别为34.0、25.8 和14.7 GPa;弹性模量分别为374.9、344.1 和218.1 GPa;TiB2-B4C 复合陶瓷涂层的纳米硬度和弹性模量分别为38.9 GPa和384.8 GPa;Ti6Al4V合金的纳米硬度和弹性模量分别为4.3 GPa和110.6 GPa。相较Ti6Al4V合金，陶瓷涂层的纳米硬度和弹性模量分别提升了约8.0和2.5 倍。此外，在该条件下制备的Ti6Al4V/TiB2-B4C叠层复合材料的维氏硬度和断裂韧性分别高达31.4 GPa和9.8 MPa·m1/2。上述研究结果证明了该策略的可行性。

关键词： 富铜纳米相强化钢   显微结构   强化机制   韧化机制  

摘要： 沉淀强化是目前钢铁材料中最重要的强化方式之一。富铜纳米相强化钢通过Cu元素的沉淀强化代替C元素的固溶强化,在保证高强度的同时获得了良好的塑韧性和焊接性,广泛应用于输油管道、工程机械、船舶与海洋工程以及桥梁等关键结构。富铜纳米沉淀相的结构、尺寸和数量密度等特征都会对沉淀强化效果产生重要影响。因此,探明沉淀相的演变规律对于提高富铜纳米相强化钢的强度有着重要意义。同时,富铜纳米相强化钢的最佳时效处理温度450～600℃处于回火脆性的温度区间,如何确保时效处理后韧性不下降,改善高强钢的强韧性匹配,越来越受到人们的关注。针对以上问题,本论文以富铜纳米相强化钢为研究对象,通过电子背散射衍射（EBSD）、透射电子显微镜（TEM）和三维原子探针（APT）等表征手段,系统的研究了基体相和富铜纳米沉淀相在不同热处理工艺下的演变规律,阐明了富铜纳米沉淀相在时效过程中结构、尺寸和数量密度的变化规律,并结合不同显微结构下力学性能的变化,研究了富铜纳米相强化钢在不同状态下的强化机制。通过对显微结构演变和力学性能变化规律的整体分析,阐明了富铜纳米相强化钢在不同热处理状态下的韧化机制,揭示了影响低温韧性的主要因素并提出了解决方法,为高强高韧富铜纳米相强化钢的开发提供了新的强韧化途径。主要研究结果如下:探明了固溶和时效处理工艺对于基体相显微组织的影响。AC3以上温度固溶处理后淬火的富铜纳米相强化钢基体组织为板条马氏体和少量准多边形铁素体组织,随着固溶处理温度的升高,淬火后铁素体含量提高,屈服强度和抗拉强度下降。940℃以下固溶处理对晶粒尺寸和冲击韧性影响较小,超过940℃以后晶粒尺寸会发生明显长大,导致冲击韧性迅速恶化。富铜纳米相强化钢在时效处理后晶粒尺寸会发生小幅度的长大,但基体组织仍然保持淬火后的板条马氏体结构和少量的准多边形铁素体。时效处理后位错密度降低,小角度晶界数量相比固溶态明显减少,时效处理对大角度晶界含量没有影响。揭示了富铜纳米沉淀相在时效处理过程中尺寸、数量密度、结构和形态的变化规律。固溶态试样中所有元素分布均匀,没有富铜纳米沉淀相析出。时效处理初期,高数量密度的富铜纳米沉淀相在基体中析出,这些沉淀相尺寸较小并且在基体中弥散分布,与基体呈共格关系,主要为核壳结构的球状沉淀相,心部为BCC结构的富铜核心,表面为B2结构的Ni Mn外壳。随着时效时间的延长富铜纳米沉淀相发生粗化,数量密度逐渐降低,当半径大于5nm以后转变为FCC结构,形态由球状逐渐转变为棒状和圆盘状沉淀相。研究了富铜纳米强化钢不同状态的强化机制。固溶态试样主要强化机制为晶界强化、位错强化和固溶强化,时效处理后位错强化和固溶强化效果降低,沉淀强化效果提高。富铜纳米沉淀相半径小于5nm时,切过机制起到主导作用,通过切过机制中的有序强化和模量强化分别可以提供293MPa和161MPa的强度增量。当半径大于5nm以后,主要为绕过机制主导,通过奥罗万机制可以提供164MPa的强度增量。沉淀强化对于屈服强度的提升明显,对于抗拉强度的提升较小,时效处理后屈强比普遍升高。通过微量冷轧引入可动位错,能够显著降低屈强比。阐明了不同状态富铜纳米强化钢不同状态的韧化机制。裂纹扩展功是影响韧脆转变温度的主要因素,精细的板条马氏体结构可以提高裂纹扩展初期的抗裂性,延缓不稳定裂纹的扩展。时效初期Mn在板条界上先发生偏聚,导致冲击韧性下降。随着时效时间延长,Mo在板条界上偏聚,冲击韧性提高。Mn在马氏体板条界上的偏聚会降低板条界的结合力,而Mo在板条界的偏聚可以显著提高板条界的结合力。继续时效处理,含Mo的碳化物沉淀相析出,板条边界上Mo含量的降低,导致韧性再次下降。长时间时效处理后在晶界偏聚的Mn和Ni,能够降低局部AC1温度,在600℃时可以在板条边界上形成少量薄膜状逆转变奥氏体,显著提高冲击韧性。

关键词： 拓扑声学   人工微结构   波导阵列   局域结构  

摘要： 凝聚态物理中一个最主要的方向就是发现并研究新的物相,将拓扑的概念引入物理学,这为拓扑相的发现起了决定性作用,在凝聚态物理中受到广泛关注。拓扑物理的研究也拓展到声学系统中,并逐步发展为最热门的研究领域之一。本文以声学为研究背景,通过将拓扑的概念引入到声学波导体系和声学局域结构中,实现了声学拓扑π模式、声学非绝热拓扑泵浦以及声学局域结构斯格明子的实现,在不同的声学结构通过模拟和实验等验证了拓扑性,进一步加深对声波任意操控的理解。本文的具体研究内容如下:一、通过调节波导之间的耦合强度以及调整波导的弯曲周期,在离散波导阵列中实现拓扑π模式,声波沿波导边缘进行周期性的传输,并且将其与平庸波导结构下进行了对比,验证了波导阵列的拓扑性质,为后续研究提供了很好的平台。二、在离散波导模型中,提出了一种拓扑保护的泵浦结构,将拓扑泵浦运用到声学中,声学中目前对泵浦的研究都是在绝热的条件下,这种结构是非常不稳定的。在此,我们设计了一种结构稳定且非绝热的拓扑泵浦结构,演示了在物理时间(t)和传播坐标(z)中传播声脉冲信号的动态拓扑泵浦。连续和脉冲声波的拓扑泵浦传输证明了所设计波导阵列在动态信号传输和波操纵方面的实用性。三、在实空间中设计了一种亚波长尺度下螺旋结构,实现在声学系统下的斯格明子模式,分析超结构的共振响应并观察了其速度场的空间分布,并通过模拟验证了亚波长结构支持的拓扑保护斯格明子模式对结构缺陷具有鲁棒性,所设计的实空间声学斯格明子拓扑结构可能为设计超紧凑的声学器件来操纵声波开辟了新的途径。

关键词： 吸波   微结构   Ti3CNTx   二维材料   阻抗匹配  

摘要： 电磁波吸收材料（简称吸波材料）的吸波性能主要由反射损耗(RL)和有效频宽（EAB）两个指标衡量。而材料的组分和结构直接影响这两个指标。为了研究吸波材料组分和微结构对吸波性能的影响,以期为制备高性能吸波材料提供实验依据。本文以二维TiCNT MXene纳米片层为基材,通过组分优化和微结构设计,制得具有三维自支撑结构TiCNT@PPy NFs复合吸波材料。在此基础上,进一步组分优化,制得具有蛇鳞状微表面的PVDF/TiCNT@PPy NFs复合吸波涂层和叠层纳米花结构TiCNT@PPy NFs@Ni Fe-LDH吸波吸波材料,并对其微观形貌、化学结构、阻抗匹配性能和吸波性能进行分析,讨论复合吸波材料组分和微观结构对吸波性能的影响。论文主要研究工作包括以下三个部分:1.刻蚀、剥离得到N元素自掺杂的单/少片层TiCNT材料与氧化还原法制得的聚吡咯纳米纤维（PPy NFs）静电自组装,得到具有三维自支撑结构的TiCNT@PPy NFs复合吸波材料。通过多种手段表征复合吸波材料结构,并探究了电磁波吸收性能。研究发现,TiCNT@PPy NFs的吸波性能与自支撑结构的完整度、负载量有高度相关性,同时N元素对复合材料的吸波性能有积极作用。具有三维自支撑结构的TiCNT@PPy NFs复合吸波材料展现出了较为良好的吸波性能。当TiCNT/PPy NFs的质量比为1∶5、负载量为10 wt%时吸波性能最好,RL和EAB分别为-14.30 d B和3.60 GHz。2.将制备的TiCNT@PPy NFs复合吸波材料分散至PVDF/DMF溶液中,并经过空气喷涂法制备得到具有蛇鳞状微结构的PVDF/TiCNT@PPy NFs复合吸波涂层。讨论了TiCNT@PPy NFs含量以及蛇鳞状微结构对复合涂层吸波性能的影响。此外,对涂层的多功能应用做出了探索,包括涂层的防水性能以及可见光吸收性能。研究发现,当TiCNT@PPy NFs含量占PVDF/TiCNT@PPy NFs复合材料5 wt%时,涂层具有最佳的吸波性能,包括-65.50 d B的RL,6.95 GHz的EAB。此时,涂层的可见光吸收率达到97.4%,水接触角为122.1°。通过机理分析,上述性能得益于蛇鳞状微结构的构筑以及多重电磁波损耗机理的引入。这为高性能吸波材料的设计提供了另一种可供参考的设计思路。3.以（1）中制备的TiCNT@PPy NFs为基底原位生长Ni Fe-LDH得到叠层纳米花结构TiCNT@PPy NFs@Ni Fe-LDH复合吸波材料,较低填充量下实现了优异吸波性能。研究了TiCNT@PPy NFs含量对TiCNT@PPy NFs@Ni Fe-LDH复合吸波材料吸波性能的影响。当TiCNT@PPy NFs添加量为120 mg/50 m L,TiCNT@PPy NFs@Ni Fe-LDH负载量为10 wt%时,复合材料的吸波性能达到最优,包括6.70 GHz的宽EAB和最小-34.48 d B的RL。对介电性能以及吸波机理进行分析发现,这得益于叠层纳米花结构构筑的多层异质界面,以及良好的阻抗匹配性能。总之,本文以研究材料微结构对吸波性能的影响来获得宽频电磁波吸收材料为目标,通过材料组分和微观结构设计,制备了蛇鳞状微结构的吸波涂层、以及低维材料组成的粉体吸波剂等,系统研究了不同微结构对吸波性能的影响,分析了其影响机理,为新型吸波材料的设计提供参考。

关键词： 多孔材料   微结构   减摩   微动减摩  

摘要： 机械部件磨损造成的能量损失巨大,是机械部件可靠性显著降低和服役寿命大幅缩短的关键诱因。仿生学为机械减摩方向提供了一种新的参考方式。近年来,国内外学者利用仿生技术在材料表面加工微结构阵列以达到减阻抗磨、减振、降噪的目的,在材料功能性表面的设计方面取得了丰硕成果。金属多孔材料由于其孔隙结构具有存储润滑油的特殊功能,在少油和乏油润滑等特殊工况下呈现出良好减摩性能。受此启发,本文在金属多孔材料材料表面建立微结构阵列,针对二者耦合作用对机械部件减摩的影响开展研究。首先,基于一种特殊的金属多孔材料——透气钢。其具有7μm、25μm、35μm三种不同孔径。经过测试:三种孔径样件的孔隙率均约为25%,且含油保持率随着孔径的增大而降低。通过纳米压痕和抗压强度测试,并开展浸油前后多孔材料摩擦磨损实验,结果表明:理论上耐磨性随着孔径增大而降低,但浸油后摩擦系数均明显降低,且25μm孔径试样浸油后摩擦系数最低。其次,基于鲨鱼皮肤减阻理论,设计、制备多孔材料微结构阵列并开展摩擦行为分析。综合考虑鲨鱼表皮鳞刺参数和线切割加工技术特点,确定三种金属多孔材料微结构阵列的尺寸参数为0.5mm×0.5mm、0.6mm×0.6mm、0.7mm×0.7mm。将三种不同孔径金属多孔材料与三种不同尺寸的阵列结构依次结合,通过摩擦磨损试验机开展试验,并对试验样品的摩擦形貌和摩擦系数进行分析。结果表明:与“浸油”无阵列多孔试样相比,“浸油”微结构阵列多孔试样均具有更低的摩擦系数;当金属多孔材料基底孔径不变时,0.5mm方形微结构阵列具有最低的摩擦系数,且金属多孔材料微结构阵列的摩擦系数随微结构尺寸的增大、密度的减小均呈现逐渐上升趋势;25μm孔径试样在与0.5mm方形微结构阵列的耦合作用下,呈现出相对最低的平均摩擦系数。最后,为了解决现有摩擦磨损试验机单一恒定负载输出无法满足时变载荷作用下金属多孔材料微结构阵列的减摩特性,研制了一套动态施压微动装置。该装置采用压电驱动器和柔性铰链分别作为驱动器和导向机构,通过调节输入信号频率及振幅来实现载荷的实时变化。利用有限元软件对装置进行静力学分析和模态分析,并对装置静态刚度、动态响应特性进行测试,结果表明,所研制的微动装置能够满足微结构阵列试验中的时变载荷要求。同时对摩擦磨损后的摩擦系数以及磨痕形貌进行分析,验证了金属多孔材料微结构阵列与时变载荷耦合作用具有减摩作用。

关键词： 半柔性路面材料   水泥/沥青界面   微观结构   粘结行为   交互作用  

摘要： 半柔性路面材料(Semi-Flexible Pavement,SFP)是向大空隙沥青混合料中灌注高性能的水泥灌浆料制成,表现出较强的抗渗透能力、抗车辙能力,有效延长了路面的使用寿命,提高了行车的舒适性和安全性,应用和发展前景广阔。由于沥青和水泥的材料特性、力学性能、变形等存在较大差异,水泥/沥青界面是复合材料的薄弱位置,裂缝往往在水泥/沥青界面位置产生并沿界面发展。因此,本文从水泥/沥青界面的微结构、粘附与失效行为着手,探究水泥/沥青界面的粘结失效机理,开展的主要工作和相应的研究成果如下:(1)通过马歇尔稳定度试验、劈裂抗拉试验和SCB半圆弯曲试验,测试了SFP的力学性能、变形能力与断裂韧性,研究了复合材料断裂面失效模式的变化规律。结果表明:空隙率增大会削弱水泥/沥青界面粘结性能对SFP力学性能的贡献,低空隙率或特定承载方式时,水泥/沥青界面的粘结性能不应被忽视。(2)通过拉拔试验、拉拔失效面分析,研究了温度因素与水泥/沥青界面粘结强度、水泥/沥青粘附失效、沥青内聚失效的变化规律。结果表明:温度-抗拉强度曲线与温度-沥青复数黏度曲线相符,沥青内聚力降低是造成水泥/沥青界面粘结强度减弱的主要因素。(3)采用扫描电镜及能谱分析技术、红外光谱分析技术,表征了水泥/沥青界面过渡区的微观形貌、化学组分和物质基团,结果表明:水泥与沥青不发生化学反应,沥青侧硫铝酸盐水泥的水化产物呈定向分布,提高了水泥/沥青界面的机械粘结力,提出了“水泥-沥青定向吸附作用”。(4)通过接触角试验、水泥/沥青胶浆流变试验,研究了水泥/沥青的交互作用能力,从分子和界面学角度,验证了水泥-沥青定向吸附作用的可靠性。

关键词： 氧化物热电材料   掺杂改性   氧空位   纳米微结构   晶格畸变  

摘要： 热电材料是一种能够将热能转化为电能或将电能转化为热能的半导体材料。氧化物热电材料具有较高的化学稳定性和热稳定性,同时氧化物制备成本较低,过程简单,易于批量生产。由于诸多优点氧化物热电材料引起了人们的广泛关注,但是氧化物材料的热电效率相对较低,限制了在该领域的实际应用,因此如何有效提高其效率成为了研究的重要课题。铌酸锶（Sr Nb2O6）有着略微扭曲的钙钛矿型结构,其中铌原子具有复杂的混合价态,处于+4和+5之间,因此这类化合物具有优异的电输运性能和丰富的磁性。我们选择Sr Nb2O6作为基体,用掺杂改性和引入纳米微观结构的方法来对其热电性能进行调控,主要研究结果如下:（1）通过对铌酸锶进行镧元素重掺杂,合成了一系列Sr1-xLaxNb2O6（x=0.1、0.2、0.3、0.4）氧化物热电材料,并研究了镧含量对其晶体、电子结构、组成元素化学价态及热电性能的影响。基于La3+对Sr2+的异价离子替代,Sr1-xLaxNb2O6（02O6的单斜晶系（P21/c）向正交晶系（Pnma）的转变,这种结构转变和体系中负电荷的增加预示着有趣的电输运性能。经过还原气氛下煅烧,Sr1-xLaxNb2O6-δ产生了大量氧空位缺陷,导致了晶格畸变和声子散射的增加,使得其具有较低的热导率。功率因子随着镧含量的逐渐提高而逐渐单调下降,Sr0.6La0.4Nb2O6-δ样品在1073K时达到了最大的ZT值0.13。（2）通过对Sr0.7Ba0.3Nb2O6基体材料进行纳米Ti添加,并加入助烧结剂Bi2O3制备出了一系列Sr0.7Ba0.3Nb2O6/xwt%Ti（x=5,10,15,20）复合氧化物热电材料,通过研究发现在烧结过程中纳米钛粉被氧化为二氧化钛,氧化反应使基体晶格中产生了更多的氧空位,有助于提高载流子浓度和降低电阻率。同时,钛的添加有助于产生纳米尺寸的富铋区域,位于晶界处的Bi2O3形成Sr0.7Ba0.3Nb2O6和Ti O2颗粒之间的电连接,进一步减少了晶界处载流子的散射,从而增强了载流子迁移率。最终,Sr0.7Ba0.3Nb2O6/5wt%Ti样品在1063K处达到了最高ZT值0.30,相比较于Sr0.7Ba0.3Nb2O6,提高了约50%。