关键词： 软磁复合材料   铁基非晶纳米晶合金   粉体微结构   软磁性能   损耗分离模型  

摘要： 软磁复合材料（Soft magnetic ***）是一种新型功能性复合材料，因其具有恒磁导率、低损耗及抗饱和等特性而被广泛应用于电力电子通信领域。近年来随着电力电子磁器件不断向小型化、高频化和集成化快速发展.对SMCs性能提出了更高的要求。与常规纯铁、FeSi、FeSiAl-SMCs的软磁性能相比，铁基非晶纳米晶SMCs具有高磁导率、低损耗及抗腐蚀等优异性能，得到了广泛的关注。然而铁基非晶粉末在工业上多采用机械破碎法制备，生产效率低（需要2h以上的高温脆化处理），且铁基纳米晶SMCs还具有材料成本高、抗直流特性差等缺点，为进一步提高铁基非晶纳米晶SMCs电磁特性以适应产业发展需求，本文主要开展的研究内容及结论如下所述:（1）为提高非晶磁粉芯制备效率，本文首先设计了一种适用于平流铸造用双排平行喷嘴（Double-paralleled slits nozzle .DPSN），制备了最大厚度为58μm脆性非晶带材，以直接高效制备非晶磁粉。结合基于溶胶凝胶法制备的无机 SiO2绝缘包覆层，对采用常规非晶薄带和厚脆非晶带制备的铁基非晶纳米晶 SMCs 软磁性能进行了系统地比较和分析。结果表明，通过DPSN所制备的非晶带材具有厚而脆的特点，可省掉常规薄带脆化工艺，有利于提高生产效率;与常规薄带非晶所制备的SMCs相比，采用厚脆非晶带制备的铁基非晶SMCs的综合性能较好，其磁导率μ。由 61.08 提高至65.27.在7600A/m时的直流偏置性能由69.98%增加到70.97%，总的磁芯损耗Pc低（Bm=0.06 T.f=234 kHz）.（2）鉴于铁基纳米晶SMCs（典型成分:Fe735Si13 5B9Nb3Cu1 即 Finemet）直流特性不佳，在基于上述DPSN制备的厚脆Finemet粉末混合0wt.%8 wt.%的具有高抗直流特性的微米级气雾化FeSi粉末，经过包覆、压制及热处理后，成功制备了具有晶状结构的Finemet/FeSi复合SMCs。结合损耗分离拟合模型的建立，分析了不同FeSi混合量下复合SMCs损耗机理以及磁滞损耗、涡流损耗和剩佘损耗的来源。结果表明，随着FeSi粉体的质量分数从0wt.%增加到18 wt%时.SMCs的密度从5.741kg/m3最大增加到5.804kg/m3.复合SMCs的磁导率μ。先增加后减小，损耗先减小后增加。当微米级的FeSi粉体混合量为10 wt.%4 wt%时，Finemet/FeSi复合SMCs具有最佳的综合软磁性能:相对较高的其磁导率μ。为80.3@4 MHz，相对高的直流偏置特性为47.57%@7600 A/m，相对低的P,为614kW/m3（B?=0.05 T.f=300 kHz）。Finemet/FeSi复合 SMCs 的损耗分离结果表明，当f小于25kHz时，在整个磁场激发范围内，复合SMCs的总损耗主要由磁滞损耗决定·当f增加至75 kHz时，磁滞损耗、粒子内的涡流损耗以及剩佘损耗各占总损耗的1/3。当f进一步升高到275 kHz时.总损耗的值主要由粒子内的涡流损耗和剩余损耗之和决定。粒子间的涡流损耗仅占总损耗的1/400～1/800，可忽略不计。（3）鉴于常规纳米晶SMCs材料成本高及非晶（典型成分为Fe7sSi31B9. FeSiB）SMCs损耗相对较高，在系统研究Fe7395S111 4B995C24C13 （FeSiBCCr）退火温度与其SMCs软磁性能相关性基础上，系统对比和分析了FeSiB、 Finemet 以及FeSiBCCr三种SMCs电磁特性。结果表明，随着退火温度从723K升到793 ***磁粉芯的u先增大后减小，P...是先减小后增大，与 FeSiB-SMCs相比，773K下退火的FeSiBCCr-SMCs综合软磁性能最佳，具有较高的μ。为79.19，相对较低的P为122.26mW/m2 （ B?=0.05 T. f=100 kHz）。此外·FeSiBCCr-SMCs具有较好的直流偏置性能为51.30%，由于其昂贵的Nb元素含量（约5.66wt.%）较高，与Finemet-SMCs相比，其原材料成本较低。

关键词： 稀土永磁材料   RFe12   熔体快淬   数值模拟   磁性能   热变形  

摘要： 随着全球温室效应的加剧,社会需要绿色技术的发展以至于能够减少或避免CO气体的排放,实现“双碳”目标。因此,需要开发出高效节能的发电机和电动机以实现绿色、节能环保的目的。为了实现发电机和电动机的高效节能,高性能的永磁材料必不可少。尽管目前已有性能优异的NdFeB稀土永磁材料作为绿色技术的核心材料支撑,但由于NdFeB稀土永磁材料具有较低的居里温度,使其很难满足发电机和电动机在工作温度150℃左右的正常运行。基于这种现实情况,需要开发出一种高温磁性能优于NdFeB磁体的永磁材料来满足各绿色科技的需求。ThMn晶体结构的RFe(R为稀土元素,一般为Sm)基化合物由于其含有最低的稀土元素且具有优异的内禀磁性能,是一种有潜力满足当前绿色技术发展的永磁材料。但是其相不稳定以及内禀矫顽力(μH)较低阻碍了RFe永磁材料的发展与应用。因此,对于RFe型稀土永磁材料来说还需要更多的研究。本论文采用熔体快淬技术制备SmFeTi条带,通过调控工艺参数获得了性能最优的样品。利用数值模拟软件对不同温度下SmFeTi的制备过程进行仿真模拟,为后续的热变形实验提供指导。之后以条带为前驱物,通过热变形技术制备了SmFeTi块状磁体,测试块体的性能与微结构。探究制备1:12型Sm-Fe-Ti永磁体的最佳热变形工艺。结论如下:(1)通过工艺参数调控,获得SmFeTi条带的最佳制备工艺,熔融温度为1200℃,最佳铜辊转速为20 m/s,喷嘴距离铜辊高度为1 mm,喷射压差为0.05 MPa。该条件下制备出的条带具有各向异性,矫顽力能达到5.251 k Oe,最大磁能积(BH)为6.179 MGOe。(2)基于Deform 3D软件,对SmFeTi磁体的热变形过程进行了模拟分析。结果表明,采用双向加压的方式制备出的磁体更致密,温度为700℃时磁体内部的等效应变分布最为均匀。(3)使用工艺参数为熔融温度1300℃,铜辊转速20 m/s,喷嘴距离铜辊高度1 mm,喷射压差0.05 MPa的条带来进行热变形得到了综合磁性能较高的SmFeTi块状磁体。通过优化热变形工艺,最终得到了最大磁能积(BH)为3.732MGOe,剩磁为8.102 k Gs的热变形SmFeTi块状磁体。

关键词： 直接甲醇燃料电池   双功能电催化剂   PtNi多枝纳米结构   PtNi多面体纳米链   氧还原反应   甲醇氧化反应  

摘要： 质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为一种能够缓解能源短缺以及环境污染的能源转换设备,可以将化学能有效地转换为电能。除了拥有众多诸如对环境友好污染小,性能稳定寿命长,化学能转换为电能的能量转化效率高,能在室温下快速启动的优势以外,PEMFC的发展仍面临需要进一步提高电催化剂效率的技术挑战。虽然Pt基催化剂是目前最常用也是效率最高的电催化剂,但贵金属Pt储量有限、价格昂贵等问题制约其广泛应用。因此可以通过对Pt基纳米催化剂进行优化设计来缓解上述问题。本论文基于“组分调控策略”和“形貌控制策略”设计合成了具有双功能的PtNi纳米电催化剂,并对其电催化性能即催化氧还原反应(ORR)性能和催化甲醇氧化反应(MOR)性能进行了研究。具体研究内容如下所述:(1)采用简便的一步溶剂热法,通过调控前驱体Pt和Ni的用量、反应温度、反应时间等,合成了PtNi多枝纳米结构(PtNi MBNs):具有可提供更多活性位点的独特多枝状结构以及富Pt表面,有助于催化性能的提高。在酸性环境中对催化剂进行性能测试,多枝结构可以同时催化阴极ORR和阳极MOR,具有优异的双功能电催化性能。测试结果表明,其催化ORR时的半波电位为0.966V,远高于商业Pt/C(0.931 V),而且8000次循环后仅下降14 m V。对于MOR,PtNi MBNs的比活性(SA)为18.1 A m,是商业Pt/C(7.8 A m)的2.3倍。通过CO溶出实验模拟外界充满CO的情况,验证了样品优异的抗中毒能力,进一步证实了其优异的催化活性和稳定性。PtNi MBNs的显著双功能性归因于独特的多枝纳米结构所提供的高电化学表面积、丰富的原子台阶以及富Pt表面。(2)设计合成了PtNi多面体纳米链结构(PtNi PNCs):具有丰富(111)面的有序PtNi多面体纳米链由多面体颗粒和纳米棒自组装而成,丰富的原子台阶提供了大量活性位点,利于电荷的快速转移。纳米多面体是PtNi PNCs的组成部分之一,平均尺寸约为6 nm,主干部分纳米线的直径仅为2 nm。而且在长时间苛刻的稳定性测试中保持了非常高的ORR和MOR催化活性。与商业Pt/C相比,PtNi PNCs催化ORR的质量活性(MA)是其3.34倍,SA是其3.79倍。经过10000次循环后,半波电位仅发生17 m V的偏移,稳定性远优于商业Pt/C(55m V)。同时,MOR催化活性也显著优于商业Pt/C,MA和SA分别为商业Pt/C的7.23和6.55倍。这一策略可能为催化剂的制备提供一种理想方法,以平衡催化活性和催化稳定性之间的矛盾。

关键词： 金属纳米材料   表面等离激元效应   微结构调控   自组装   锆基金属有机框架材料   表面增强拉曼散射  

摘要： 表面等离激元(Surface Plasmon Resonance,SPR)是一种特殊的光学现象,常发生在一些金属表面。通过对金属纳米材料尺寸、组成、结构以及周围环境的调控,可对SPR在一定宽光谱范围内进行调谐。金纳米棒(Au Nanorod,Au-NR)作为具有局域表面等离激元(Localized Surface Plasmon Resonance,LSPR)效应的贵金属纳米材料,能与光相互作用,产生共振效应,不仅具有强的光吸收,还具备一定化学稳定性和生物相容性,被广泛应用在生物、医药、催化和传感等领域。为满足实际应用中的不同需求,需要对金纳米棒的组装和微结构进行调控,这也是一直以来金属等离激元纳米材料研究的热点。通过对金纳米棒尺寸、配体以及介质环境的精准控制,能够实现对其空间结构进行调控。本论文中第一部分工作,我们首先通过改变生长条件制备了不同尺寸的金纳米棒并对其进行表征,然后通过溶剂蒸发法在二维硅片上制备了垂直金纳米棒阵列和水平金纳米棒阵列两种自组装结构,表征并测试了两种阵列结构的光学性能,此外,我们还尝试在三维的光纤表面进行了金纳米棒的自组装。除制备金纳米棒自组装结构外,我们在聚乙烯吡咯烷酮(Polyvinyl Pyrrolidone,PVP)胶体中制备了金纳米棒分散体薄膜材料(Au-NR@PVP),该材料在加热后能形成固定散射效应,可作为良好定标散射介质。同时制备了不同LSPR波长的金纳米棒分散体薄膜材料和它们混合样品,结果表明金纳米棒在溶液和薄膜中的紫外-可见-近红外消光光谱展现出良好的一致性。金纳米棒与其他材料结合能够对其表面等离激元效应及性能进行调控,增强其光学性能。本论文中第二部分工作我们制备了锆基金属有机框架材料(Zirconium-based Metal–Organic Frameworks,Zr-MOF)负载金纳米棒的复合材料(Au-NR@Zr-MOF)用于表面增强拉曼散射(Surface-Enhanced Raman Scattering,SERS),利用金纳米棒的LSPR产生局域强电磁场,以及Zr-MOF对拉曼信号分子的富集作用,显著提高了4’-巯基联苯羰基腈(BPTCN)分子拉曼信号的检测,拉曼增强因子高达4.7×10,能实现低至10 M的分子浓度探测。同时研究了Zr-MOF在金纳米棒上的负载厚度对拉曼探测性能的影响,以及BPTCN浓度与拉曼特征峰强度的相关性测试,结果表明3 nm Zr-MOF负载的Au-NR@Zr-MOF结构兼具金纳米棒的强LSPR热点和MOF层的分子富集效应,展现出了最佳的表面增强拉曼散射性能。此外,与垂直金纳米棒阵列基底和无序金纳米棒基底的拉曼增强系数相比,3 nm Zr-MOF层负载的金纳米棒核壳结构基底具有更强的拉曼增强效果,增强系数分别增强了2倍和8倍。综上所述,本论文成功构建了具有特定三维分布的金纳米棒薄膜,用于散斑光谱仪的定标信息源。制备了Au-NR@Zr-MOF复合微结构,其兼具分子富集效应及强LSPR效应,可以显著增强SERS性能。本论文为金属LSPR材料的微结构及其性能研究提供了支持,具有一定的学术意义和潜在的应用价值。

关键词： 增材制造   3DP成型   PEP成型   316L不锈钢   固溶处理  

摘要： 目前以3DP、FDM、PEP等为代表的间接法增材制造在金属材料方面的研究还处于比较初期的尝试和可行性探索阶段,针对金属材料的粉体性能、打印-脱胶-烧结-热处理工艺、显微结构及力学性能方面的深入研究仍然存在较大的探索空间,针对各类不同的间接法增材制造技术的对比研究也鲜有报道。本文以316L不锈钢作为典型的铁基材料体系,以粘结剂喷射打印技术（Three Dimensional Printing,3DP）和粉末挤出打印（Powder Extrusion Priting,PEP）为主要间接法增材制造技术,系统进行了这两种增材制造方法在铁基材料的打印工艺、脱脂-烧结-烧结后热处理过程中的工艺特质、致密化机理、显微结构演化等方面的对比研究,完成了铁基材料3DP和PEP打印、脱脂、烧结工艺规范的构建,确立了316L不锈钢3DP及PEP打印专用粉体粒度规范,开发了PEP专用石蜡+微晶蜡体系有机粘结剂,制备了两种不同粒度316L不锈钢的PEP打印喂料,316L不锈钢3DP及PEP打印件烧结致密度超过98%。研究发现原始粉体粒度对316L不锈钢3DP及PEP打印-烧结件的奥氏体晶粒度及力学性能有显著影响,固溶热处理显著去除了残余铁素体,同时使得奥氏体晶粒尺寸明显增加。316L不锈钢的3DP及PEP打印技术对比研究表明PEP技术可以打印的金属粉体粒度范围明显大于3DP技术,3DP打印周期较长且需要在打印后进行长时间的固化,但是单次可打印较多样件,PEP打印周期较短,但是单次打印较多样件时难度较大,3DP打印件的脱脂时间明显少于PEP打印件;同样的316L不锈钢粉体材料的3DP及PEP打印-烧结件的显微结构及力学性能相近,抗拉强度高于传统制备方法,低于选区激光熔化法增材制造技术,但是制备成本较低,制备效率较高,因此具有较好的商业化应用前景。

关键词： 微结构晶态块体   结构调控   闪烁陶瓷   微晶玻璃   金属有机骨架   光学性能  

摘要： 微结构晶态材料因种类多样、微晶结构易于调控，在结构材料领域和功能材料领域都表现出优异的材料性能和广阔的应用前景。随着现代光学的不断发展，对发光材料提出了更多的要求。对于新型发光材料的发明和性能优化，主要是通过调控材料的微观结构来影响材料的宏观性能。尽管现阶段对于发光材料的构效关系已经取得一些进展，但对于具有特定功能的材料的制备仍具有随机性。本论文以若干典型无机或新型有机-无机杂化微结构晶态发光材料为研究对象，通过调控微结构晶体的晶相、掺杂离子能带和尺寸等参数，调控晶态块体光学材料的光学、力学、热学等性能，进一步了解结构对性能的影响机制，并建立起材料微观晶态结构与性能之间的内在联系和普遍规律，为进一步优化透明陶瓷、微晶玻璃和块体MOFs(Metal-OrganicFrameworks)等微结构晶态材料的性能及可控制备提供理论依据。具体研究内容与结果如下所示:　　(1)基于能带和缺陷调控的调控GGAG:Ce陶瓷的闪烁性能　　首先通过优化烧结工艺，得到致密化的GGAG:Ce闪烁陶瓷，建立陶瓷中微观形貌与光学性质之间的关系，通过不断优化样品的透过率得到最佳烧结制度;然后基于Ce4+的快速闪烁发光性能，以及能带工程和缺陷工程的相关理论，研究二价阳离子(Mg2+、Ca2+)对GGAG:Ce陶瓷闪烁性能的影响，探讨Ce4+对闪烁陶瓷中的慢发光分量的抑制作用，在此基础上探究了二价阳离子(Mg2+、Ca2+)对GGAG:Ce陶瓷的晶格结构和Ce离子价态的调控机制。　　(2)基于分相调控制备ZBLAN基微晶玻璃　　为了在保持ZBLAN玻璃低声子能量优势的同时，降低其较高的热膨胀系数以提高抗热冲击性，我们基于分相调控的原理，拟在ZBLAN基质玻璃中析出具有负热膨胀性质的氟锆酸钙晶相。通过研究CaF2的掺杂浓度对析出晶相的种类和微观结构的影响，建立了CaF2浓度与析出晶相的普遍规律，得到最佳的掺杂浓度，能够实现具有特定功能的微晶玻璃的可控制备。在此基础上制备出具有单一氟锆酸钙晶相的ZBLAN微晶玻璃，热膨胀系数得到显著优化。因为氟锆酸钙晶相的存在，ZBLAN微晶玻璃的机械性能和发光性能也得以提升。　　(3)新型透明块体MOF材料的可控制备　　探讨了sol-gel过程中，离心洗涤工艺和干燥速度对ZIF-8材料成型的影响，建立起制备工艺与ZIF-8材料宏观形貌的内在关系，得到了高透过率、高硬度的ZIF-8块体材料。在此基础上，通过掺杂染料分子实现块体ZIF-8的光功能化，并探究了ZIF-8框架和染料之间的相互作用以及染料的掺杂位置。此外，还详细研究了压力诱导ZIF-8非晶化过程中的结构和光谱演变过程，建立材料结构与发光特性之间的关联，揭示ZIF-8非晶化对SHG(SecondHarmonicGeneration)强度的影响机制。　　(4)块体MOFs材料的力学性能研究　　通过纳米压痕法研究了两种块体MOF材料的塑性变形过程，揭示了MOFs多样性的拓扑结构和结构缺陷对力学性能的影响机制。深入研究了块体MOFs中塑性变形的时间依赖性，并从应力指数、应变速率敏感性和活化体积方面分析了蠕变过程及蠕变机制，初步建立了力学性能与结构之间的普遍关系。

关键词： 柔性压力传感器   多级结构   微锥结构   聚二甲基硅氧烷   电子皮肤  

摘要： 柔性压力传感器因其在电子皮肤、健康监测和人机交互等方面的应用而受到广泛关注。传统的导电高分子复合材料(Conductive polymer composites,CPCs)基柔性压力传感器通常存在灵敏度低的问题,因此多种微结构被引入到传感器中。然而,对于具有微结构的压力传感器,其高灵敏度和宽响应范围之间的权衡仍然是一个亟待解决的问题。本论文制备了具有不同表面微结构的CPCs基柔性压力传感器,通过探讨表面微结构对CPCs基柔性压力传感器响应性能的影响规律,实现对兼具高灵敏度和宽响应范围的柔性压力传感器的响应性能调控。主要研究成果如下:(1)受人类皮肤启发,以商用碳化硅(Si C)砂纸为模板,通过溶液共混和刮涂的方法制备了具有表面多级结构(Hierarchical structure)的碳纳米管(CNT)/聚二甲基硅氧烷(PDMS)复合薄膜(h-CNT/PDMS),将复合薄膜与叉指电极和聚氨酯胶带组装,获得基于h-CNT/PDMS的柔性压力传感器。利用原位光学图像和有限元分析可知,h-CNT/PDMS压力传感器的响应机理是基于多级结构表面与叉指电极之间显著的压缩接触效应。基于此,与平面CNT/PDMS压力传感器(0-240 k Pa压力范围内的灵敏度为0.0066 k Pa)相比,我们所制备的h-CNT/PDMS压力传感器具有更高的压力灵敏度和更宽的响应范围(在0-18 k Pa,18-133 k Pa和133-300 k Pa的压力范围内的灵敏度分别为0.1661 k Pa,0.4574k Pa和0.0989 k Pa),以及快速的响应/恢复时间(320 ms/100 ms)、优异的稳定性和耐久性(1500次压缩循环),同时对不同加载模式(弯曲和扭转)也同样具有良好的响应稳定性。此外,制备的压力传感器可以用于精确监测各种不同的人体运动,以及区分不同刺激的压力大小和空间分布。(2)选用不同型号的锥型阳极氧化铝(Anodic Aluminum Oxide,AAO)模板,通过刮涂法得到了具有不同微锥结构(Microcone structure)的PDMS薄膜(m-PDMS),并采用真空溅射工艺制备了系列微锥结构表面的金(Au)/PDMS复合材料(m-Au/PDMS),随后将其与叉指电极和聚氨酯胶带组装得到m-Au/PDMS柔性压力传感器。研究发现,随着微锥结构高度的增加,m-Au/PDMS压力传感器的灵敏度随之提高。基于m-Au/PDMS复合材料表面微锥结构与叉指电极之间的压缩接触效应,m-Au/PDMS-1500基压力传感器在较宽的压力范围内具有相对较高的灵敏度(在0-2.8 k Pa、2.8-7 k Pa、7-17.8 k Pa压力范围内的灵敏度分别为1.958 k Pa、0.588 k Pa和0.084 k Pa),以及快速的响应/回复时间(200ms/120 ms)和优异的长期稳定性(3200次压缩循环)。另外,m-Au/PDMS压力传感器对于微小压力同样具有优良的响应性能,如低至5.6 Pa的压力、微小的气流和声波,以及人体脉搏等幅度较小的人体运动。本论文所制备的两种具有不同表面微结构的压力传感器均展示出优异的压力传感性能,以及在人体健康监测和电子皮肤领域的应用潜能,对于调控CPCs基柔性压力传感器灵敏度和传感范围之间的矛盾具有重要意义,为下一代可穿戴电子设备结构设计和性能调控提供了重要的指导。

关键词： 氯氧镁水泥   碱式硫酸镁水泥   水化产物   改性剂   抗弯强度   耐久性  

摘要： 以活性MgO和MgCl或MgSO为主要原料的镁质胶凝材料（统称镁水泥）属于绿色气硬性胶凝材料,因快凝、早强、高强、易于粘结、节能降耗等优点广泛应用于建筑、道路、水工等领域。为探索其相转变规律并建立耐久性理论依据,本文收集了不同龄期、环境、改性措施的氯氧镁水泥（Magnesium oxychloride cement,MOC）、硫氧镁水泥（Magnesium oxysulfate cement,MOS）和碱式硫酸镁水泥（Basic Magnesium Sulfate Cement,BMSC）制品,采用XRD/TOPAS、SEM-EDS、FT-IR、DSC-TG和压汞等现代微观分析和宏观力学测试手段,探讨了水化产物及相转变规律,建立了镁水泥材料宏观力学性能与物相组成之间的内在相关性,主要结论如下:MOC在自然环境的水化产物为针杆状5Mg（OH）·MgCl·8HO（5·1·8）和Mg（OH）,碳化产物为Mg（OH）·MgCl·2MgCO·6HO（1·1·2·6）、4MgCO·Mg（OH）·4HO（4·1·4）和MgCO。水化产物5·1·8相和Mg（OH）是MOC强度贡献相,碳化产物1·1·2·6相和4·1·4相等会导致MOC制品强度降低。能够有效保持5·1·8相稳定性,是MOC体系材料具有良好的长期耐久性的根本原因。磷酸作为MOC传统改性剂,有利于室内MOC制品中5·1·8相稳定性,但无法阻止室外环境5·1·8晶体碳化和分解。以磷酸盐、硫酸盐和矿物掺合料为主要成分的复合抗水外加剂,促进生成凝胶状5·1·8相,显著提高MOC耐久性。MOC中的5·1·8相稳定存在确保了玻璃纤维不被腐蚀。维持玻纤与镁水泥基体之间粘结良好,是MOC具有良好耐久性的另一个重要原因。BMSC在自然环境中的水化产物为晶须状5Mg（OH）·MgSO·7HO（5·1·7）和Mg（OH）。晶须状5·1·7晶体和凝胶状Mg（OH）具有良好的稳定性,前者不受大气碳化影响,其硬化体形成紧密堆积、互相咬合的结晶结构网,维持了BMSC强度稳定性和长期耐久性。相比MOC的5·1·8相,BMSC的5·1·7相更稳定,其制品具有更好的耐久性,是一种有良好发展前景的绿色胶凝材料。

关键词： 多尺度力学   密度泛函理论   随机场   微结构   粗粒化   FE2方法  

摘要： 在前沿科学问题和应用需求的双重推动下,近年来,计算固体力学研究的焦点已由单一尺度拓展至多尺度,由均匀经典连续介质拓展至带有微结构的非均匀复杂介质。集量子力学第一性原理、准连续介质和有限元等不同层次理论与方法的统一研究范式正在形成。虽然多尺度力学的研究已经持续多年,但仍有一些关键问题有待解决。本文从密度泛函理论出发,考虑了微观尺度的不确定性,对多晶固体建立了连接纳观-微观-细观-宏观尺度的计算方法,主要内容如下:(1)针对目前实空间无轨道密度泛函理论计算方法效率低下的问题,本文开发了新型求解器,通过直接给出内层Poisson方程的解析解答和在外层采用改进的二分法加速线搜索进程,使同等精度下的计算效率可以比现有方法提高两个数量级。对于需要高分辨率电子结构的场合,采用多重网格策略可以使计算效率再提高一倍。(2)针对目前随机场离散方法中模态求解和主成分非高斯性描述两方面存在的困难,本文构建了对于二阶和三阶累积量函数的考虑对称性的自适应张量分解算法,只用累积量函数在一个分支以及核心处少量点上的值就可以探索出整个累积量函数的低秩结构,实现了变量分离,进而在模态求解过程中避免大型特征值问题,并高效计算出主成分的三阶累积量,最终得到随机场的张量型离散表达式。算例结果表明,对于三维问题中模态的求解,同等精度下的计算效率提升可达三个数量级。(3)基于上述新建立的纳观尺度电子结构求解器,本文用Kriging方法训练了亚晶粒尺度原子集群的变形能-变形梯度关系代理模型,并推广了上述随机场离散方法,模拟了多晶的随机晶粒取向,最后通过集装得到多晶代表体积元的本构模型。算例结果验证了上述代理模型和晶粒取向模拟方法的正确性,并说明了对于充分大的微观代表体积元,其变形能-变形梯度关系可以当做确定性的。(4)针对当前多尺度方法都是让微观/细观尺度模型直接对接连续介质力学中的某种理论这一现状,本文指出,应当承认细观尺度代表体积元在宏观尺度上不是无穷小,一切现有的宏观尺度理论都是细观尺度代表体积元本构关系的某种简化,应当保持细观尺度本构模型的原貌,不要和任何现有的宏观尺度理论对接,而是应当直接对接有限元法,实现方程-离散一体化。为兼顾计算效率,本文用Kriging方法训练了微观尺度代表体积元的变形能-变形梯度关系代理模型。然后,通过将宏观和细观自由度解耦,将不同尺度的自由度置于平等地位,进而构造了交替求解算法独立地进行不同尺度的求解。最后,通过算例证明了所提算法相对于传统双尺度有限元法以及近期提出的两种单循环双尺度有限元法在计算效率(同等精度下)上的优越性。

关键词： 高丰度稀土   混合稀土永磁体   放电等离子烧结技术   热压/热变形磁体   晶界添加技术  

摘要： Nd-Fe-B作为应用最广的一种永磁材料,其价格一直被备受关注。镨、钕作为其主要的稀土原料,价格的波动影响着磁体的制备成本。因此,将廉价的高丰度稀土元素合理的应用在稀土永磁材料中,成为了当今急需解决的问题。混合稀土(MM)作为稀土原矿最初的分离产物以及其远低于镨、钕的市场价格,被认为具有很高的应用潜质。本文结合放电等离子烧结技术(SPS)和低熔点合金的晶界添加技术,制备出了混合稀土热压和热变形磁体,并通过磁性能和微结构表征对磁性能的变化机理做出了详细解释。本文使用的快淬磁粉为高镧、铈含量的混合稀土磁粉,其成分为MMFeZrB(MM=23.8 wt.%La,47.7 wt.%Ce,7.1 wt.%Pr,21.3 wt.%Nd)。首先对SPS烧结工艺进行优化,研究烧结工艺对MM-Fe-B热压磁体微结构的影响,并获得最优的制备工艺。随后通过Nd Al晶界添加进一步优化磁体性能。结果表明,利用放电等离子设备制备的无成分添加的MM-Fe-B热压磁体的性能已经优于铁氧体,性能已达:J=6.99 k Gs,H=4.23 k Oe,(BH)=9.1 MGOe。随着Nd Al添加量达10 wt.%时,磁体的综合磁性能进一步提高到:J=6.32 k G,H=9.14 k Oe,(BH)=8.51 MGOe。研究显示,磁体性能的提升来自组织结构的优化和内禀磁性能的提升。其次,通过退火改善磁体综合性能。分别采用了放电等离子烧结后退火和烧结前粉末预退火两种退火方式。结果表明,粉末预退火可以优化磁体性能,而烧结后退火磁体性能却有了明显降低。研究发现,粉末预退火磁体中,粗晶所占的体积分数减少明显,因此平均晶粒尺寸减小。并且主相中的平均Nd含量相比其它磁体有所提高,说明富稀土相中的Nd更好的被主相吸收,磁硬化效果更为明显。此外,磁体的服役性能也有所提升。最后,关于各向异性MM-Fe-B磁体的制备。采用了NdAl和NdAl合金晶界添加的MM-Fe-B热压磁体作为前驱体,并采用不同的变形温度和压力对磁体进行变形处理,制得了各向异性磁体。实验结果显示,两种合金的掺入对性能产生了截然不同的影响。NdAl添加对磁体磁性能优化明显,最佳性能可达:J=8.38 k Gs,H=6.03 k Oe,(BH)=9.7 MGOe。然而,NdAl添加热变形磁体的性能却恶化十分严重。分析显示,磁体中富稀土相的分布情况和粗晶区体积分数的差异是造成磁性能差异的主要原因。NdAl添加磁体中,富稀土相以团聚的形式存在于粉末间,并且大面积的粗晶区导致了磁体晶粒的平均取向度降低,从而恶化了磁性能。综上所述,本文采用了Nd Al合金晶界添加对MM-Fe-B磁体性能进行了优化,并系统地研究了磁体的相组成、微结构和磁性能之间的关系。本工作为MM-Fe-B磁体的实际应用提供理论指导。