关键词： 催化裂解   ZSM-5分子筛   脱铝   磷改性   乙烯  

摘要： 乙烯是化工行业重要的基础原料之一,其产量标志着一个国家石化行业的发展水平,近年来催化裂解多产乙烯工艺凭借着原料来源广、反应温度低、产物分布可调等优点受到人们关注,其中高性能催化剂为该工艺的核心技术,组成催化剂的关键材料之一是具备适合酸性及特殊孔道结构的ZSM-5分子筛。对ZSM-5分子筛而言,硅铝比、晶体形貌、结晶度、孔道性质、酸性等自身微观结构性质与分子筛反应性能密切相关,其中分子筛铝物种变化可使整体的微结构发生改变,最终表现为反应性能上的差异。基于以上背景,本论文从ZSM-5分子筛入手,通过对铝物种的逐步脱除及磷改性来进行微结构的调控（即调变与控制两方面内容）,得到拥有适合多产乙烯微结构的改性分子筛,最后进行催化裂解反应研究,以达到多产乙烯的目的。首先,对分子筛进行脱铝,以调变其微结构。分别使用有机酸处理、水热老化处理及两种方法复合处理进行调变,发现分子筛经1 mol/L柠檬酸处理后反应转化率提高5.98 wt%,乙烯产率提高1.04 wt%,但后续的水热处理使得酸量下降89%,相应的反应转化率仅为22.34 wt%,柠檬酸处理可清除大量非骨架铝,使得转化率有小幅增加,但随着调变次数的增加,分子筛铝量稳定在原料的54%左右,反应转化率仅维持在13 wt%,分子筛发生严重失活现象。其次,在上述研究基础上对适用于多产乙烯的微结构进行控制。为解决柠檬酸处理后的样品微结构水热稳定性不足等问题,采用等体积浸渍法与新型二次浸渍法对样品进行磷改性。结果表明二次浸渍法改性后分子筛磷含量为1%（POwt%）时水热稳定性较好,水热老化后总酸量保留了27%,原分子筛保留率仅为8%,其反应转化率为57.26 wt%,高于原分子筛21.31 wt%,乙烯收率为4.53 wt%,高于原分子筛3.42 wt%,同时氢转移反应及结焦现象得到抑制。水洗测试后发现二次浸渍法得到的样品磷保留率可达61.54%,相较于等体积浸渍法所得样品提高了42.79%,因此本研究对铝物种及磷物种都完成了适度的控制。最后,优选含磷分子筛对反应条件进行研究,发现合适的反应温度及质量空速分别为675℃、4 h,此时转化率最高为86.85 wt%,乙烯收率达21.15 wt%,与原分子筛相比分别提高21.44 wt%及4.99 wt%,达到多产乙烯的目标。

关键词： 前驱体   NaCl   多孔炭   微结构   电化学性能  

摘要： 国家“双碳”战略的实施,离不开超级电容器等储能技术的支撑。本文以木质素磺酸铵、沥青、黄腐酸和无烟煤为前驱体,借助NaCl、KOH、NaOH的催化、活化和模板作用合成了具有较高比表面积（SSA）、孔结构可控、导电性良好的多孔炭。对多孔炭的物理化学特性进行了系统表征,探索了NaCl在各多孔炭制备体系中的作用机制,并评价了其用作超级电容器电极材料的电化学性能。以下研究为盐类辅助炭化碳质材料提供了借鉴意义。 在木质素磺酸铵基多孔炭Ma-NaCl-X（X为炭化温度）的制备过程中,基于熔融NaCl的催化活化作用,随着炭化温度升高,Ma-NaCl-900的电导率相较于Ma-NaCl-800突增,Ma-NaCl-1000的SSA和微孔孔容相较于Ma-NaCl-900突增。Ma-NaCl-1000同时具有较高的SSA(1212 m2g-1)和超高的导电性(2535 S m-1),组装的EMIMBF4电解液体系超级电容器在16.8 k W kg-1高功率密度下的能量密度高达16.8 Wh kg-1。具有适宜杂原子含量的Ma-NaCl-700（12.8 at.%）在水系两电极体系中具有较高的比电容(215 F g-1,0.25 A g-1)和卓越的倍率性能(156 F g-1,50 A g-1)。 在沥青基多孔炭AC-NaCl-X（X为炭化温度）的制备过程中,随着炭化温度的升高（800→1100℃）,所制AC-NaCl-850的SSA和电导率突增,AC-NaCl-1100的SSA突降;有序度先降后升,AC-NaCl-900最低（ID/IG=1.67）;杂原子含量逐渐降低,碳元素含量整体处于较高水平（>93%）。AC-NaCl-900具有较高的SSA、中孔率和导电性,在6M KOH水系电解液、两电极体系中具有较高的倍率性能,0.5到20 A g-1的比电容保持率为85.2%。AC-NaCl-1000对应的超级电容器在EMIMBF4电解液中可以提供较高的功率密度(18.0 k W kg-1)和能量密度(6.5 Wh kg-1),与其具有较高的SSA、中孔率和导电性有关。 随着NaCl的加入和添加量的增大,所制黄腐酸基多孔炭HC-NaCl-X（X为NaCl加入比例）的SSA降低,中孔率、有序度和导电性升高。HC-NaCl-4具有适中的SSA(796.8 m2g-1)、超高的中孔率（94.3%）、较高的有序度（ID/IG=1.09）和良好的导电性,在水系KOH电解液、两电极体系中展现出卓越的倍率性能,0.25到30 A g-1的比电容保持率高达93.2%;在EMIMBF4电解液中可以提供较高的功率密度(7.54 k W kg-1)和能量密度(7.54 Wh kg-1)。 以无烟煤为前驱体,通过NaCl辅助NaOH活化制备了微孔/中孔孔容比可调的多孔炭CNN-X（X为NaCl加入比例）。随着NaCl添加量的增大,多孔炭的SSA、中孔孔容、有序度、导电性、碳含量整体呈降低趋势,但微孔孔容升高（CNN-0.5除外）。在较低的NaCl添加量（NaCl/NaOH=0.025）下,所制CNN-0.025即可实现SSA(增幅450 m2g-1)、有序度（ID/IG,2.56→1.44）和中孔孔容（25.7→83.4%）大幅提升的效果。在1M Na2SO4电解液的两电极体系中,CNN-0.025与空白样相比展示出明显增强的倍率性能,在功率密度6.93 k W kg-1下的能量密度为3.85 Wh kg-1。 以无烟煤为前驱体,通过NaCl辅助KOH活化制备多孔炭CKN-X（X为NaCl加入比例）。随着NaCl添加量的增大,相应多孔炭也呈现出SSA、中孔孔容、有序度、碳含量降低而微孔孔容升高的趋势,但其SSA和微孔孔容与空白样相比总体上变化不大。NaCl与KOH的质量比为0.1时,所制多孔炭CKN-0.1与空白样相比,中孔孔容、中孔率和有序度明显升高,碳含量降低。在水系电解液三电极体系中,CKN-0.1从0.5到30 A g-1的比电容保持率较空白样明显提升（45.9→73.6%）;其在EMIMBF4电解液中可以同时提供较高的功率密度12.17 k W kg-1和能量密度20.6 Wh kg-1。

关键词： 磁控溅射   纳米结构薄膜   微观结构   力学性能   摩擦学性能  

摘要： 摩擦磨损对人类社会进步有着重要影响,而润滑作为减摩耐磨性能提升的主要方式是保证机械传动效率和可靠性的主要途径之一。传统润滑油/脂适用温域窄且对环境有害,故利用表面工程理论研发宽温域减摩耐磨绿色薄膜材料以满足当今机械工程技术需求具有重要意义。本文基于胶囊缓释思想,运用多组元协同润滑理论,利用磁控溅射技术,通过非晶硬质SiN相/层的添加实现对室中温润滑相Ag以及高温润滑相MoN的缓释和与氧环境的隔离。设计并制备了三种薄膜材料:MoN-Ag-SiN复合膜以及MoN-Ag/SiN和MoN-SiN/Ag-SiN多层膜,通过研究保护相和各润滑相间的相互作用,获得基于各摩擦反应生成物的温度循环条件下的润滑行为规律,为设计和制备具有宽温域长效润滑性能的绿色MoN基复合和多层薄膜提供实验支持。具体研究内容如下:(1)利用磁控溅射系统制备具有不同Si含量的MoN-Ag-SiN纳米结构复合膜,并对这类薄膜材料进行了微结构、力学性能、室温摩擦磨损性能及600℃高温摩擦磨损性能的研究。结果表明MoN-Ag-SiN复合膜由fcc-MoN相、fcc-Ag相和非晶SiN相三相组成。随着Si含量的升高,复合膜硬度先略有升高后保持稳定(其值与SiN相近),而Si含量对复合膜室温以及600℃环境下的摩擦磨损性能影响显著。室温环境下复合膜摩擦系数随Si含量的升高略有下降(Si含量小于1.3 at.%)后保持稳定。而薄膜的磨损率则随着Si含量的增加先下降后上升,这主要是受到薄膜硬度的影响。在600℃摩擦条件下,随着Si含量的增加,薄膜的摩擦系数和磨损率均先下降后上升,主要原因是适当的添加Si含量可以有效控制润滑相在高温条件的迁移,使薄膜的润滑时间更长,此时薄膜的具有良好的润滑性能和力学性能,因此摩擦系数和磨损率均下降,而过多的Si含量则会降低薄膜的自润滑性能,导致薄膜润滑性能下降,而过多的Si含量会导致摩擦过程中产生大量硬质磨屑,从而导致磨损率上升。(2)利用磁控溅射系统制备了调制比(MoN-Ag与SiN调制层厚度比)为3:1,调制周期(∧,MoN-Ag和SiN调制层厚度)为8到200nm的MoN-Ag/SiN多层膜。研究结果表明,在MoN-Ag调制层为fcc-MoN和fcc-Ag相双相组成,SiN调制层的SiN为非晶相。当将调制周期从8 nm增加到64 nm时,薄膜的室温润滑性能和耐磨性均有所改善,这归因于薄膜中润滑层MoN-Ag厚度的增加提升了薄膜的润滑性能,同时此阶段薄膜具有相对较高的硬度,因此薄膜的磨损率也有所下降。而当调制周期进一步增加时,薄膜的耐磨性有所下降,这是因为MoN-Ag厚度过高导致薄膜的硬度下降,且SiN层厚度的增加使得硬质碎屑也增多,两者导致薄膜的耐磨性下降。调制周期为64 nm的多层膜表现出出优异的室温到500°C高温温度循环摩擦性能。较好的力学性能和两种调制层之间的协同作用是MoN-Ag/SiN多层膜具有优异摩擦学性能的主要因素。(3)利用磁控溅射系统制备了MoN-SiN调制层厚度10 nm,Ag-SiN调制层厚度在2-12 nm之间的MoN-SiN/Ag-SiN纳米结构多层膜,并进行了微结构、力学性能、室温摩擦磨损性能及600℃高温摩擦磨损性能表征。研究结果表明,MoN-SiN调制层是fcc-MoN相和非晶SiN相构成,Ag-SiN调制层由非晶SiN和fcc-Ag相两相组成。多层膜两调制层界面清晰,多层膜的室温摩擦磨损性能受Ag-SiN调制层厚度影响较大:随着Ag-SiN调制层厚度的增加磨损率先下降后上升,这主要受到多层膜硬度的影响,硬度的升高有利于薄膜的耐磨性,此时磨损率下降,而硬度下降则会导致薄膜更易于被磨损,此时磨损率上升,摩擦系数随Ag-SiN调制层厚度的增加而略微下降,这是由于室、中温Ag相的含量随着Ag-SiN调制层厚度的增加而上升,为薄膜提供了良好的室温润滑性。多层膜的600℃高温减磨性能优异,且几乎不受Ag-SiN调制层厚度影响,这主要是由于在高温与摩擦副滑动双重作用下发生了摩擦物理、化学反应,生成的摩擦相能够为薄膜提供优异的高温润滑性,而薄膜在高温下保持持续的低摩擦系数也缓解了摩擦副与磨痕间的相互作用,从而使得耐磨性也受调制层厚度变化的影响不大。

关键词： SiC/SiC   纳秒激光   温度场仿真   应力应变   加工辅助环镜  

摘要： 涡轮是航空发动机的重要部件,长时间工作在恶劣复杂环境中,需要接受高温、腐蚀、磨损等的挑战。常规的均质材料难以满足新的服役要求,碳化硅纤维强化碳化硅(SiC/SiC)的各组分共同作用,具备优于均质材料的性能,在恶劣环境中被广泛使用。纳秒激光加工具有加工效率高,可加工范围广、加工精度高等特点,更能满足本文的加工要求。但纳秒激光加工SiC/SiC复合材料时,会出现氧化堆积、热影响区(HAZ)、分层和微裂纹等热致损伤现象,影响目标材料的力学性能。本文针对SiC/SiC复合材料的高质量刻蚀,开展纳秒激光刻蚀工艺研究、激光与目标材料的相互作用机理、热应力耦合分析及不同溶液辅助激光加工的实验研究工作。具体的研究内容如下:针对纳秒激光加工过程中存在的热致损伤问题,开展纳秒激光刻蚀实验,探究激光参数对SiC/SiC复合材料加工形貌、尺寸的影响规律。首先确定SiC/SiC复合材料的烧蚀阈值,达到烧蚀阈值而又不过度饱和是高质量加工的前提。再根据纳秒激光各参数与微结构宽度和深度的相关系数,选取相关性较高的激光参数开展实验。实验结果显示,随着能量密度的增加,微结构的宽度和深度均表现为先增大后趋于饱和的趋势。且纳秒激光与SiC/SiC复合材料作用的过程中出现的氧化现象随着加工次数、加工功率、重复频率的增大而更加显著,随着扫描速度的增大变化趋势减缓。激光刻蚀实验过程中出现的热积累效应易使材料表面和内部产生应力集中的现象,进一步导致分层、HAZ、微裂纹等问题的产生。单纯地依靠实验和显微设备拍摄无法准确把握材料内部的特征变化规律,本文借助仿真软件建立三维温度场模型,模拟了脉冲激光与SiC/SiC复合材料的作用过程,观察材料在激光不同参数的影响下,对应的温度场和应力应变的变化规律。仿真结果表明,纳秒激光与SiC/SiC复合材料相互作用时,大量的热能作用在基体表面,三维复杂模型随着能量密度的变化会产生热应力,能量密度越高温度越高,对应的应力应变越大。由于SiC/SiC复合材料结构的特殊性,材料含有的SiC成分在高温环境下易与空气中的氧气发生反应。本文改变辅助加工环境,力求避免SiC/SiC复合材料在加工过程出现热致损伤现象。通过实验-仿真-实验形成闭环反馈的研究方案,发现水辅助环境中加工得到的微结构的加工轮廓清晰完整,且微槽结构的槽壁锥度较小,微孔结构为U型孔,是理想孔型。同时,氧化、分层、纤维拔出和HAZ等现象大幅改善,实现了对SiC/SiC复合材料的无热损伤加工。

关键词： 聚乳酸   聚己内酯   聚丙烯   增韧   取向   应变诱导结晶  

摘要： 由于石油资源的日渐枯竭和塑料导致的严重的白色污染,寻找环境友好和可再生的材料变得尤其迫切。令人惊喜的是,聚乳酸(PLA)不仅具有高的强度和刚度,而且来源生物基、完全生物可降解,具有良好的生物相容性,有望替代石油基聚合物。然而,PLA固有的脆性极大的限制了其在工业和生活领域上的应用。本论文旨在通过预拉伸的方法制备高取向度聚合物材料,以实现超强超韧的目的。系统研究预拉伸对PLA体系和PLA/聚己内酯(PCL)二元共混体系的微观结构和力学性能的影响,并通过X-射线技术和微观形貌观察深入探究其增韧增强机理。最后通过室温预拉伸制备高取向的半结晶聚合物材料—聚丙烯(PP),研究取向对PP的力学性能的影响和其增韧增强机理。主要包含以下内容:1.通过在70℃预拉伸PLA,成功制备了超韧超强的透明PLA材料,缺口冲击测试值最高可达178 kJ/m2,不需要添加任何增韧剂就能达到如此优异的增韧效果鲜有被报道。除此之外预拉伸制备的PLA材料还具有优异的拉伸强度和模量以及耐热性。研究发现预拉伸至一定应变诱导了 PLA冷结晶行为。通过扫描电子显微镜(SEM)观察发现预拉伸后形成了垂直于拉伸方向取向排列的PLA片晶结构。广角度-X射线衍射(WAXD)表明形成了高度取向的晶体。差示扫描量热仪(DSC)表明预拉伸可以大幅度提高PLA的结晶度。从预拉伸后的取向和结晶结构变化方面讨论了增韧和增强的机理。2.将PLA和少量的PCL熔融共混,通过在70℃预拉伸,制备了更高冲击韧性的生物可降解的PLA/PCL 95/5共混物材料。缺口冲击强度在400%预应变时达到最大值251 kJ/m2,是未预拉伸PLA的132倍。即使在预应变为150%时,共混物也表现出足够高的缺口冲击强度值,达到149 kJ/m2。从小角度X-射线散射(SAXS)结果发现了应变诱导的典型的shish-kebab结构和PCL取向的片晶结构。WAXD结果表明,在预应变为200%及以上时,PLA晶体具有很高的取向度。进一步研究发现PLA/PCL95/5共混物的缺口冲击强度和PLA基体结晶度呈线性相关,均随着预应变的增加而增大。高度取向的shish-kebab结构和增加的基体结晶度是大幅度提高PLA冲击韧性的关键。通过对冲击断裂行为的分析提出了二元共混物的增韧机理。3.将更高含量的PCL与PLA熔融共混并在70℃预拉伸,研究了高含量的PCL和预拉伸对PLA/PCL 80/20共混物的结构和力学性能的综合影响。预应变400%的样品具有最佳的综合性能,缺口冲击强度值为149kJ/m2,屈服强度为107 MPa,杨氏模量为1.8GPa,有效地克服了因加入过多PCL带来的强度和模量降低的不良后果。PLA基体的结晶度随预应变的增加而增加,但缺口冲击值与冲击强度不再呈线性相关,冲击值在200%迅速增加,之后随预应变增加保持恒定值。进一步分析了 PLA体系和不同PCL含量(5,10,20wt%)的PLA/PCL共混体系的冲击强度值随预应变的变化规律,发现当预应变低于150%时,冲击韧性主要由PCL的含量支配,PCL含量越高冲击值越大。当预应变200%及以上时,PCL含量为5 wt%和10 wt%的共混物具有最佳的增韧效果,更高含量的PCL削弱了预拉伸对PLA的增韧作用。这种韧性的差异与不同含量的PCL造成的PLA基体的shish-kebab结构、结晶度和取向度的差异有密切关系。4.选取未预拉伸、预应变100%、预应变400%的PLA薄膜研究不同预应变的PLA薄膜在室温拉伸时的脆性或韧性行为。通过原位SAXS和USAXS从介观尺度讨论不同预取向和结晶状态的PLA的薄膜在室温拉伸过程中银纹和剪切带的发展,未预拉伸的样品银纹迅速增多导致了脆性断裂,预拉伸100%的样品先出现银纹随后剪切带稳定了银纹的发展而表现为韧性断裂,400%预应变的样品不能有效的引发银纹,因此只具有略高于未预拉伸样品的拉伸韧性。WAXD表明室温拉伸过程中预应变100%的样品产生了较多的中间相,而预应变400%的样品发生了预存晶体的轻微破坏。DSC和SEM分析不同预应变薄膜室温拉伸前后结晶度和微观形貌的变化,最终探究预拉伸提高PLA薄膜拉伸韧性的微观机理。5.将预拉伸的方法进一步推广至PP材料,研究预拉伸对半结晶聚合物的冲击韧性和拉伸性能的影响。通过在室温下进行简单的预拉伸,PP的冲击韧性得到了极大的提高,缺口冲击强度在室温下就可高达124 kJ/m2,并且低温冲击韧性与室温相比没有任何的降低。同时预拉伸制备的PP材料还具有提高的拉伸强度和杨氏模量。通过SAXS、SEM、WAXD测试揭示了预拉伸PP内部微结构的变化,高度取向的纤维和空穴被认为是预拉伸PP具有超高冲击韧性的根本原因。

关键词： Cast aluminum   Dendrites   Introductory materials   Microstructures   SDAS   Wrought Aluminum  

摘要： Frequently engineering students are introduced to materials in laboratory exercises that are isolated from each other. If these experiences can be connected, it provides an opportunity to begin to link the relationships between structure, processing and properties frequently modeled as the “Materials Triangle.” Currently the mechanical engineering materials labs: ENGR 45- Engineering Materials and ME 37-Manufacturing Processes, are separate. The objective of this study was to integrate sections of these labs using cast and wrought aluminum alloys to enrich the student education experiences by providing examples of the structure-property-processing relationship. To accomplish this goal, 2024 T3 wrought aluminum from the ENGR 45 tensile test lab and A356 cast aluminum from the ME 37 sand-cast lab were integrated into the microstructural analysis lab form ENGR 45. Microstructural analysis compares the grain and grain boundary structure of wrought aluminum with the dendrite and eutectic structure of cast aluminum. The 2024 T3 wrought aluminum had a grain size of 47 µm with the Brinell hardness range of 116-122. The A356 cast aluminum had an SDAS of 76 µm and Brinell hardness range of 35-74. The comparison of these alloys indicated that the dendrites have a coarser structure than grains which correlates with the decrease hardness. A visual comparison of the microstructures of two cast samples, a rectangular plate and cylinder piece, from a single casting show that one area of a casting has finer dendrites than other areas of the same casting. This various dendrite coarseness correlates with the range of average Rockwell F hardness being 37-79. These correlations are taught through worksheet questions in order to establish the concept of structure and property relationship.

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： 气压   相对湿度   含气量   微观结构   水分传输   水化硅酸钙   干燥收缩  

摘要： 面向我国高原地区交通基础设施的建设与养维需求,亟需发展适应高原严酷环境的高性能土木工程材料。高原地区现存混凝土构筑物中开裂与冻融破坏等病害频发,但病害产生与发展的机理仍未探明。系统地开展高原环境中水泥基材料微结构形成与演化的研究,是揭示混凝土初始缺陷形成与耐久性病害诱发机理的理论基础,对高原环境中混凝土耐久性与服役寿命提升具有重要理论和工程意义。本文围绕环境气压与相对湿度对水泥基材料微结构形成与发展的影响,通过试验研究、理论计算与数值模拟分析,取得的主要创新工作成果归纳如下:(1)设计了高原环境模拟试验装置,探究了低气压环境下新拌水泥砂浆的含气量与流变性能,基于气泡的可压缩性剖析了低气压环境对含气量的影响机制,建立了新拌水泥砂浆流变参数与含气量的相关关系;采用交流阻抗测试技术监测不同气压环境中水泥砂浆的凝结硬化过程,明确了低气压环境对水泥砂浆多相物理结构的影响,为模拟低气压环境中硬化水泥基材料的长期暴露试验提供了依据;(2)根据等温润湿与等温干燥环境下不同水灰比硬化水泥浆体的体积变形与质量变化规律,明确了低气压的影响与环境相对湿度的相关性。等温润湿环境下,低气压加速了硬化水泥浆体暴露过程的质量增长,并使收缩变形降低;等温干燥环境下,低气压促进了硬化水泥浆体的水分散失,使质量损失与干燥收缩应变均增大;(3)基于不同气压对湿空气热力学性能的影响,根据水分传输过程中液态水与水蒸气的质量与能量守恒方程,建立了考虑环境气压与相对湿度影响的多孔介质水分传输模型,量化了环境气压对水分传输参数的影响,明确了低气压环境中水蒸气扩散系数、对流传质系数与本征渗透率的增大是影响硬化水泥浆体水分传输特性的主要因素;(4)结合水化物相与孔结构分析、固态核磁共振、纳米压痕与低场核磁共振等测试分析手段,明确了低气压环境中硬化水泥浆体含水量状态变化对其微结构演化的主导作用,阐明了不同气压环境下C-S-H中水分状态与微结构变化间的关系;润湿环境下,低气压促进外界水分向硬化水泥浆体中的传输,驱动C-S-H层间孔中水分向凝胶孔迁移,提升了C-S-H的聚合度与纳观力学性能;干燥环境下,低气压加速了硬化水泥浆体的水分散失,使C-S-H中毛细水与凝胶水的含量降低,而层间水含量增大,使C-S-H的聚合度与纳观力学性能均下降。图111幅,表15个,参考文献276篇

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 NbO)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 NbO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SrLaNbO(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La对Sr的异价离子替代,SrLaNbO(0

关键词： 梯度纳米结构   孪晶结构   分子动力学模拟   力学行为   变形机制  

摘要： 随着纳米材料在航空航天、微纳电子器件和智能医疗设备等领域的广泛应用,传统纳米晶金属材料中强度-塑性的“倒置”关系,严重制约了纳米晶金属材料的应用和发展。研究发现,通过在金属材料中梯度结构特征与其构造梯度纳米结构,可以显著提高其塑性变形能力。因此,研究梯度纳米结构金属材料中力学行为和变形机制之间的关系,对于高强高韧性新型金属材料的开发和应用具有重要的实际意义。然而当前梯度纳米结构晶粒尺寸和孪晶间距对力学行为带来的影响尚未充分讨论,对强韧化的认识仍不充分。本文采用分子动力学方法,深入分析了晶粒尺寸梯度、孪晶间距梯度等因素对梯度纳米结构金属Ni力学行为和变形机制的影响。主要结论如下:(1)晶粒尺寸空间分布梯度对梯度纳米晶(GNG)Ni力学行为和变形机制的影响。当晶粒尺寸梯度的分布满足线性关系(即梯度率n=1)时,GNG结构具有最优的强度-塑性协同效应,并进一步探究了最佳GNG结构中的强韧化机理。结果表明,在不同的梯度结构中,梯度率为n=1的GNG Ni的应力梯度和应变梯度最大,最佳的强度-塑性协同作用归因于位错的显著增强和晶界活性的降低。(2)孪晶间距的空间分布对梯度纳米孪晶(GNT)Ni力学行为和变形机制的影响。随着平均孪晶间距λ的降低,力学行为呈现从强化到软化的转变,当平均孪晶间距为λ=1.88 nm时应变局域化现象最弱,晶粒生长和晶界迁移明显被抑制,因此额外强化最为明显。同时发现,GNT结构在变形过程中,应力和应变呈现较弱的梯度分布,相比于均匀纳米孪晶其强塑性提高有限。(3)晶粒尺寸和孪晶间距双重梯度的空间分布对双梯度纳米孪晶(DGNT)Ni力学行为和变形机制的影响。具有双重梯度DGNT Ni的强塑性皆高于GNG结构和GNT结构。并进一步探究了双梯度结构中的强韧化机理,结果表明,三者中DGNT Ni的应力梯度和应变梯度最大,在变形过程中,DGNT Ni中出现大量交叉位错,从而激发多重滑移系并造成位错堆积,而且小孪晶间距中退孪生现象不断减弱,从而呈现强化效应。本研究阐明了“梯度分布-力学性能-形变机制”三者之间的关系,从而为新型纳米结构材料的设计、研发和优化提供理论基础。