关键词： MgO-C耐火材料   含硅陶瓷相   微结构调控   氮化   原位催化  

摘要： MgO-C耐火材料作为钢铁冶炼用关键基础材料,被广泛用作转炉衬砖、电弧炉炉壁和钢包渣线砖。传统MgO-C耐火材料难以满足现代洁净钢冶炼的技术进步需求,其低碳化已成为发展趋势。降低MgO-C耐火材料中石墨含量会降低材料的热震稳定性和抗渣侵蚀性,严重降低其高温性能和使用寿命。寻求制备高性能低碳MgO-C耐火材料的新方法对耐火材料及冶金行业的发展至关重要。本文以Si粉作为氮化制备MgO-C耐火材料中原位形成含硅陶瓷相的原料,研究氮化温度、催化剂添加量和负载方式对反应生成含硅陶瓷相机理及其形貌演变的影响,再研究熔盐法低温合成的c-Zr N纳米粉体对MgO-C耐火材料中含硅陶瓷相的形成及形貌演变和力学性能的影响规律,最后基于Si C晶须具有高抗拉强度、高热导率和低热膨胀系数等优异性能,将资源丰富的生物质稻壳催化合成的Si C晶须引入到MgO-C耐火材料中,探究其对材料结构和性能的作用过程。研究得出如下结论:（1）Si粉负载催化剂氮化制备Si3N4复合MgO-C耐火材料。该过程生成的含硅陶瓷相包括Si C、Mg2Si O4、Mg Si N2和Si3N4。对于不添加催化剂的材料,氮化温度1350-1450℃的范围内,温度升高促进了α-Si3N4通过液相转变为柱状β-Si3N4,生成的β-Si3N4均匀分布并钉扎在基质中;氮化温度为1400℃时,材料表现出优异的力学性能,其常温抗折强度和常温耐压强度分别为15.2 MPa和88.2 MPa。与不添加催化剂的材料相比,相同温度下（1400℃）,硝酸铁添加量为1 wt%可有效调控β-Si3N4的形成,材料内部形成良好的Si3N4形貌和较高含量的柱状β-Si3N4,常温抗折强度、常温耐压强度和抗氧化性分别提高了13%、4%和9%。（2）在Si粉-酚醛树脂共同负载催化剂进行氮化反应制备粉体过程中,硝酸铁添加量为Si粉的5-15 wt%时,合成了内壳为板状Si C、外壳为Si3N4晶须的Si@Si C@Si3N4复合粉体,在晶须尖端和根部生成含Fe液滴的Si3N4晶须的过程分别遵循气-液-固和固-液-气-固生长机制。在此基础上,采用Si粉-酚醛树脂共同负载催化剂,氮化制备含硅陶瓷相复合MgO-C耐火材料。氮化温度升高和催化剂含量增加均会促进Mg（g）的形成,其和α-Si3N4反应生成Mg Si N2,同时Mg Si N2的形貌逐渐由锥形演变为块状。当硝酸铁添加量为1 wt%、氮化温度为1400℃时,生成的含硅陶瓷相主要为Mg Si N2,其以颗粒状和长锥形形貌共存,同时材料内部有许多短柱状六方β-Si3N4生成,协同改善MgO-C耐火材料的性能。相同温度下与不含催化剂的材料相比,材料的常温抗折强度、常温耐压强度和抗侵蚀性分别提高了6%、16%和13%。（3）采用熔盐辅助还原氮化法低温合成c-Zr N纳米粉体,高纯c-Zr N纳米粉体的合成条件为:原料Zr O2/Mg摩尔比为1:3、熔盐体系Mg Cl2?6H2O/Na Cl摩尔比为1:2、氮化温度为1000-1100℃、保温时间为3 h。引入的c-Zr N纳米粉体在反应氮化制备MgO-C耐火材料过程中扮演着“催化剂”的角色,其与生成的含硅陶瓷相如α-Si3N4和Mg Si N2间形成化学结合,并通过与中间产物Zr O2或Zr Si2之间循环转化反应,促进Mg2Si O4和β-Si3N4的生长。当Zr N添加量增加至3-5 wt%,Mg2Si O4的形貌逐渐由絮状晶须演变为片状。与未加Zr N的材料相比,Zr N添加量为5 wt%时显著改善了材料的致密度和强度,常温耐压强度提高了54%。（4）以稻壳粉为原料在Ar气下合成Si C晶须,具有较高结晶度Si C晶须的合成条件为:采用催化法（不添加熔盐）,硝酸镍添加量为2 wt%、1400℃热处理3h。与不添加催化剂的稻壳合成Si C相比,添加2 wt%硝酸镍可明显降低Si C的生成温度,晶须形貌为尖端含Ni液滴的直线形,具有较高的结晶度。采用非催化-熔盐法和催化-熔盐法（2 wt%硝酸镍）,均不能有效降低稻壳合成Si C的生成温度,晶须形貌分别为链珠状和絮状,且晶须表面均覆盖较厚的非晶态Si O2。（5）将含2 wt%硝酸镍的稻壳粉在1400℃热处理3 h条件下合成的Si C晶须引入到反应氮化制备MgO-C耐火材料过程中。当Si C添加量为1 wt%时,与未加Si C的材料相比,常温抗折强度和常温耐压强度分别提升了32%、17%。对合成的Si C晶须再负载催化剂(下称Si CNi),并将其引入反应氮化制备MgO-C耐火材料过程中,该晶须形貌变为链珠状形貌,提高了其与基体间的结合强度,同时引入的催化剂也促进了柱状六方β-Si3N4和片状Mg2Si O4形成。当这种Si C晶须添加量为1wt%时,材料表现出优异的力

关键词： 复合材料   多孔结构   Yolk-Shell结构   阻抗匹配   微波吸收  

摘要： 为解决民用领域和军事安全领域长期存在的电磁辐射问题,迫切需要一种“涂层薄,重量轻、频带宽、吸收强”的高效电磁吸收剂。根据电磁波损耗机制,吸波材料可以分为磁损耗型和介电损耗型。将磁损耗型和介电损耗型材料进行复合不仅可以继承各自的优点,而且可以克服个体的缺点,获得意想不到的功能特性。基于此,本文构建了磁性金属与碳材料的复合体系,研究了化学成分、几何形貌以及界面结构对吸波材料电磁参数、吸波性能的影响,主要内容如下:(1)采用海绵模板策略,以三聚氰胺海绵为支撑模板,乙酰丙酮铁钴为磁性颗粒前驱体,成功将FeCo合金颗粒生长到三维多孔碳海绵骨架(Carbon Sponge,CS)上,由此得到FeCo/CS复合材料。研究了磁性颗粒的化学组分和海绵骨架的碳化程度对材料电磁波吸收性能的影响。其中FeCo/CS-800样品在吸收层厚度为1.5 mm时,有效吸收带宽可达6GHz(12-18 GHz),覆盖了整个Ku波段。吸波层厚度为2.5mm时,最大反射损耗可达-53.7 dB。为了探究这种合成策略是否具有普适性,我们另外合成了只负载乙酰丙酮铁盐(Fe/CS-X)或乙酰丙酮钴盐(Co/CS-X)的样品。其中,Fe/CS-700复合材料在吸收层厚度为2 mm时,有效吸收带宽为4.7 GHz。(2)磁导率虚部对吸波材料的磁损耗具有重要的作用,但如何提高材料在微波频段的磁导率虚部是目前研究的难点。我们以Fe@C复合材料为模型体系,探讨了磁导率虚部的影响因素。通过对Fe2O3@PDA(聚多巴胺)前驱体的原位转化,制备了均匀的Yolk-Shell结构FeOx/Fe@C复合材料。研究了碳层厚度、碳壳层数、颗粒尺寸对磁导率虚部μ"的影响。结果表明,μ"的变化规律与颗粒尺寸密切相关。当颗粒尺寸较小(～1 um)时,μ"在2-18 GHz频段主要呈现“右半部分共振峰”,整体呈下降趋势。当颗粒尺寸适中(～3.1 um)时,μ"呈现“左半部分共振峰”,整体呈上升趋势。当颗粒尺寸较大(～5.9um)时,μ"呈现“完整共振峰”,既有上升部分又有下降部分。因此,通过合理调整Yolk-Shell结构Fe@C复合材料的颗粒尺寸,可以实现对μ"的有效调控,这对于提高样品的磁损耗能力具有重要意义。

关键词： 激光增材制造   选区激光熔化   铝基复合材料   原位化学反应   微结构  

摘要： 金属材料激光增材制造技术是以高能量密度激光束作为热源,通过激光熔化金属粉末（或丝材）后形成微小熔池,在三维空间内无限堆积凝固成复杂结构实体零件的快速制造过程。在这一过程中,激光局部作用下的材料快速熔化与熔池快速凝固阶段反复交替进行,从而使成形构件表现出基本无化学元素偏析、晶粒极其细小的非平衡凝固组织特征。近年来,通过激光增材制造灵活而高效地制备铝基复合材料,已成为提高铝合金综合性能的重要手段。本文借助激光增材制造结合原位合成方法制备铝基复合材料,以期为激光增材制造原位合成复合材料提供理论和实验依据。对于铝基复合材料而言,尽管外加增强相法可以提升异位复合材料的部分性能指标,但增强相与基体之间较差的润湿性以及二者的热膨胀系数等差异,将不可避免地恶化复合材料的其它性能。鉴于此,本文针对激光增材制造原位合成铝基复合材料的微结构特征与制备机理进行了系统研究。以B4C-Ti-Al Si10Mg为原位化学反应体系,通过选区激光熔化工艺制备了原位（Ti B2+Ti C）/Al Si10Mg基复合材料。重点讨论了不同成分配比下的复合粉末特性,以及所制备复合材料的物相含量、晶格常数等微结构演变规律与力学行为变化特征。在此基础上进一步优化了粉末成分配比,并采用粉末包覆工艺制备了反应用复合粉末。对比分析了包覆条件对复合粉末特性与复合材料的成相特点、原位增强相特征等微结构的影响。基于热力学理论,阐述了激光诱导下原位复合材料的合成与制备机理。研究结果表明,通过较低的激光能量输入(119 J·mm-3)和自生的负反应焓变(-760.234 k J·mol-1),能够成功制备原位（Ti B2+Ti C）/Al Si10Mg基复合材料。物相定量结果显示复合材料中存在的过渡化合物Ti3Si C2的含量与成分配比正相关,最高值为18 wt.%。通过图解外推法测得α-Al基体相的晶格常数a从0.40466 nm逐渐增大至0.40528 nm,研究发现铝基体中的晶格畸变程度与溶质Si原子从溶剂Al晶格内以置换形式析出,并进入原位反应体系内形成过渡相的现象有关。在化学反应热效应的促进下,凝固后的熔池形态发生显著变化,复合材料的平均熔宽和熔深较Al Si10Mg合金分别增加了104%和94%。在力学性能方面,随着复合材料中自生陶瓷相含量的增加,显微硬度大幅提高,拉伸断口形貌显示其断裂特征由韧性断裂逐步向脆性断裂转变。说明陶瓷与基体之间的界面易成为应力集中的薄弱区域,使断裂失效在复合材料颈缩之前发生。进一步地,粉末包覆工艺在提升复合粉末的激光吸收能力和原位化学反应效率的同时,可以有效避免过渡化合物的产生,进而优化复合材料的组织结构。TEM表征结果显示原位Ti B2和Ti C相的晶粒尺寸约为150 nm,在其与残留B4C之间形成了B、C元素的过渡区域,造成位于该区域的铝基体内部产生少数集中位错。在热力学方面,铝合金熔体内有限的Ti源仅能够形成Ti B2而非Ti B,此时体系中极低的反应摩尔Gibbs自由能ΔGm表明为最佳反应路径,且有利于纳米级原位增强相的形成。

关键词： 改性镁渣基   胶凝材料   多元线性回归   充填材料   分形维数   水化产物  

摘要： 改性镁渣作为一种新型胶凝材料,若能合理有效地应用于矿山充填,这对矿山行业可持续发展具有重要意义。因而,改性镁渣基充填材料的探索和研究是势在必行的。改性镁渣基充填材料是以改性镁渣和粉煤灰作二元胶凝体系,风积沙为细骨料,制备出一种新型的全固废充填材料。此设计理念符合环保,固废利用,经济实用的原则,可为矿用充填材料的选择提供一条绿色途径。本研究运用室内试验与理论分析相结合的研究方法,对改性镁渣基胶凝材料的制备及性能评价和改性镁渣基充填材料的微结构特性展开一系列研究。首先,对改性镁渣基胶凝材料的基本性能进行研究,运用无量纲分析和多元线性回归分析对两个重要指标强度和坍落度进行评价,选取最优方案,掺入风积沙,对改性镁渣基充填材料的孔结构演变规律和力学性能进行研究,探究分形维数与孔结构参数、单轴抗压强度之间的关系,最后,通过观察形貌和分析水化产物,揭示孔结构与宏观力学强度变化的作用机理。得出的主要结论如下:(1)改性镁渣胶凝材料的基本性能受水灰比和粉煤灰掺量影响较大。其中,单轴抗压强度随水灰比增加而降低,随粉煤灰掺量增加呈现先增后减的趋势;随水灰比增加,坍落度增大,初终凝时间分别延迟约3h和2.25h,随粉煤灰掺量增加,初终凝时间分别延迟了 6h和7.5h,坍落度增大,但增大幅度变小。(2)利用无量纲分析比较,粉煤灰掺量是影响胶凝材料强度的主要因素,而水灰比是影响胶凝材料坍落度的主要因素。并探讨不同自变量对单轴抗压强度和坍落度相互作用,对自变量进行参数估计,建立回归模型,运用SPSS进行二元线性回归分析,得到不同养护时间下的线性回归方程,并对预测值和实测值进行线性拟合,结合实际配比方案,最后给出粉煤灰的最佳掺量为15%和水灰比为0.40。(3)改性镁渣基充填试样的单轴抗压强度与质量浓度呈正相关性,与风积沙掺量呈负相关性,以28d为养护标准,风积沙掺量为60%,质量浓度为80%和82%,单轴抗压强度分别达到3.425MPa和4.145MPa,风积沙掺量40%和50%,单轴抗压强度分别达到5.776MPa和4.574MPa,满足矿山充填的力学强度要求。(4)临界孔径和阈值孔径随着质量浓度增加和风积沙掺量减少而向孔径范围小的方向迁移,有害大孔向无害小孔逐渐转变,孔隙结构细密化,孔径分布与孔隙率表现具有一致性;分形维数与孔隙率无明显的函数关系,分形维数与特征孔径、单轴抗压强度存在良好的相关性,其中,分形维数与特征孔径均呈负线性相关,与单轴抗压强度呈正相关性;此外,孔隙率与单轴抗压强度存在负线性关系。(5)运用微观形貌和水化产物分析,可观察到絮状的C-S-H凝胶,层状的Ca(OH)2,细针状的AFt以及未水化的粉煤灰颗粒等;借助XRD、FTIR、TGA等测试手段定性分析了水化产物的衍射峰强度、化学键的迁移以及质量损失变化特征。

关键词： 静水应力   微结构演变   纳米切削   单晶硅   分子动力学  

摘要： 单晶硅是一种典型的脆性材料,在使用金刚石单点车削工艺对其进行纳米加工时,随着切削尺度的改变,单晶硅会存在脆性去除、脆塑转变过程以及塑性去除三种去除状态,这种切削特性产生的本质原因在于单晶硅材料内部微结构的变化。而切削过程中静水应力的变化会影响材料内部微结构的变化。因此本文利用分子动力学方法,从微观尺度入手,探究单晶硅纳米切削过程中静水应力对微结构演变的影响。首先,为了观察整个切削过程中微结构变化,选取了合理的模型参数,构建了单晶硅纳米切削分子动力学模型;对比分析了几种常用的微结构识别方法在识别相变、位错结构时的优点及局限性,选取了配位数法、金刚石结构识别法以及位错提取法研究切削过程中微结构的变化。随后,按切屑形态以及切削深度两方面将单晶硅纳米切削过程划分为了塑性去除、脆塑转变过程以及脆性去除三种去除过程。分别针对塑性去除过程、脆塑转变过程以及脆性去除过程,通过配位数法、金刚石结构识别法以及原子瞬态图分析了不同去除过程中微结构的组成及其变化、静水应力的分布及其变化,探究了静水应力对切削过程中微结构演变的影响。发现高静水压应力是单晶硅相变的条件,高静水压应力区域由集中到局部化分布的变化是单晶硅纳米切削发生脆塑转变的重要原因。计算并分析了切削过程中静水应力值的变化情况,发现静水压应力的水平不同,单晶硅相变结构也不同,静水压应力水平变化导致的相变原子组成结构的变化也是单晶硅纳米切削发生脆塑转变的原因之一。最后,探究了刀具前角以及刀具刃口半径对静水应力以及微结构的影响。通过配位数法与原子瞬态图相结合,对比了不同刀具前角及刀具刃口半径下微结构及静水应力分布及变化。发现适当增大刀具负前角以及刀具刃口半径可以改变高静水应力区域分布状况,影响相变原子的分布及相变结构组成变化,增大脆塑转变的临界值。

关键词： 微结构材料   拓扑优化   多目标优化   废气净化系统   填充材料  

摘要： 微结构材料是由人工机械结构单元构筑的、具有特定物理性能的一类新型人工材料。采用拓扑优化方法设计的微结构,可以合理分布基体材料,获得特定力学性能的微结构材料。本次研究采用的参数化水平集方法是基于水平集方法演变而来的一种方法,基本思想是运用径向基函数对水平集函数进行参数化,采用水平集函数的零等值面构建结构边界。在废气净化问题中,为提高废气净化效率,需要在废气过滤位置添加填充材料。对于猪场废气净化用填充材料,因考虑其除氨效率,填充材料应具有一定的粗糙度,并且填充材料整体应具有一定孔隙率。本文建立由微结构单胞周期性排列形成的微结构材料,研究基于逆向均匀化方法和参数化水平集方法的多目标拓扑优化模型,设计具有特定等效体积模量、等效渗透率等力学性能的微结构构型。针对猪场废气净化系统对填充材料的设计要求,运用上述微结构多目标拓扑优化方法设计符合实际工业应用需求的微结构材料。主要研究内容如下: (1)构建基于逆向均匀化方法和参数化水平集方法的微结构拓扑优化模型,以微结构单胞为设计域,运用数值均匀化方法计算微结构的等效力学性能,设计具有特定力学性能的微结构构型。通过二维案例分析讨论单胞构型的有效性。(2)考虑猪场废气净化系统对填充材料的设计要求,建立以最大等效体积模量和最大等效渗透率为多优化目标的微结构拓扑优化模型,在等效孔隙率约束下,运用帕累托优化法求得满足多目标条件的帕累托最优解。通过三维算例分析讨论单胞构型的有效性和可用性。(3)根据帕累托最优解设计不同孔隙率下的填充材料,并开展试验验证设计方法的可行性与正确性。 本文通过多目标优化设计方法,获得了符合微结构材料Hashin-Shtrikman性能极限的微结构构型。根据废气净化系统的实际需求,为达到更好的氨气净化效果,设计选用了孔隙率分别为80%、85%和90%时的填充材料,试验结果证明填充材料前后端压力差与填充材料渗透率趋势一致,同时测试采用上述孔隙率的填充材料的净化系统除氨效率分别为67%、63%和58%。本文的微结构材料设计可为猪场废气净化系统填充材料设计提供参考,根据不同猪舍实际对风阻与净化效率的要求选择填充材料。

关键词： 仿生刀具   骨材料切削   有限元仿真   激光加工   声发射  

摘要： 本文基于在骨外科手术中切削温度高、材料表面易产生裂纹损伤等问题,将蜣螂表面具有特殊减摩功能的微结构应用到钻削刀具表面,提出一种基于蜣螂表面微结构仿生切削刀具的概念、设计思路和制备方法。研究激光加工技术在M35高速钢材料表面进行微结构制备的加工工艺,成功制备出基于蜣螂表面的仿生复合微结构刀具,并进行骨材料的钻削对比试验,从钻削力、切削温度、骨材料孔内壁表面粗糙度和声发射能量四个方面研究仿生微结构刀具的切削性能。主要研究内容如下: 结合正交试验设计方法与有限元仿真技术,研究基于蜣螂表面微结构中的凸包椭圆长轴、凸包椭圆短轴和凸包高度以及凹坑椭圆长轴、凹坑椭圆短轴、凹坑深度和凹坑最低点至椭圆中心距对切削温度的影响。结合切削仿真正交试验所对应的降温效果及因素效果趋势图,最终为仿生刀具选择最为理想的微结构参数。 仿生微结构刀具通过激光加工进行制备,经试验可知存在四个主要的加工工艺参数会直接影响到该刀具微结构的加工效果,即:激光平均功率、重复频率、扫描次数和扫描速度。综合探究上述四个工艺参数的加工规律并优化刀具表面微观结构的形貌尺寸,分别对两种仿生刀具(带有最佳微结构参数的仿生刀具T1 9和仿真试验中降温效果最好的仿生刀具T3)设置最为合理的工艺参数,最终成功实现制备。 将两组仿生刀具T19和T3与普通无织构刀具NT应用于骨材料的实际钻削对比试验,在钻削过程中通过压电测力仪测量钻削力,使用红外热像仪采集切削热数据,采用粗糙度仪测量骨材料孔内壁表面的粗糙度,并使用声发射信号装置对声发射能量进行采集和分析,系统地对仿生微结构刀具钻削骨材料的性能进行研究。

摘要： Microstructure-governed damage resistance in materials enables a variety of functional applications, such as durable biomedical implants and robust product packaging. For example, the refined phase compatibility qualifies NiTi for artery stents, while carbon fiber reinforced polymers improve structural strength in aerospace engineering. As the overall size of industrial applications continue to decrease, it has become increasingly apparent that when a material's external structural size and internal microstructural size become comparable, its mechanical behavior starts to deviate from that of bulk, such as the smaller-is-stronger size-effect in metals. This elucidation necessitates the characterization of materials at lengthscales relevant to their internal microstructure to guarantee accuracy in the design of real-world *** thesis aims at deciphering the microstructure-mechanics relationship for materials at lengthscales bridging the gap between 1nm and 1µm, with shape memory ceramics, scorpion shells, and jellyfish biogel as sample systems. We use electron and x-ray diffraction to characterize microstructures such as twinning, defects, and fiber organization, while revealing strength, toughness, and other deformation mechanisms through in-situ nanomechanical experiments. We show improved shape recovery in an otherwise brittle ceramic by tuning its phase compatibility at the nanoscale and reveal unprecedented smaller-is-stronger size-dependence for its twinning-induced plasticity. We then unveil competing fiber orientations in Scorpion shells that follow fiber-mechanics principles and demonstrate a combined poroelasticity/viscoelasticity constitutive relation in jellyfish that explains their self-healing behavior. The correlation between microstructure and mechanical behavior unveils unique damage mitigation and energy dissipation techniques in both brittle ceramics and natural biomaterials at each order of lengthscale, paving the road to designing ma

关键词： 机器学习算法   太空飞行   飞行测试   太空望远镜   微重力条件   反射涂层   特定波长   阿贡国家实验室  

摘要： 2020年5月,美国国家航空航天局(NASA)戈达德太空飞行中心的研究人员将通过空间技术任务理事会的"飞行机会"计划开展飞行测试,以验证在微重力条件下利用原子层沉积(ALD)工艺将特定波长反射涂层涂覆到太空样件上,未来有望在太空中对光学元件进行在轨镀膜,最终实现下一代太空望远镜的在轨建造和组装。

关键词： 高压静电纺丝   纳米碳纤维   相对分子质量   热处理  

摘要： 以二甲基亚砜(DMSO)为溶剂,制备4组质量分数为12%的聚丙烯腈(PAN)聚合物溶液,PAN的相对分子质量分别为100000、150000、200000、250000。通过高压静电纺丝技术制备PAN纳米纤维,热处理进一步制备PAN基纳米碳纤维,热处理过程中预氧化和碳化温度分别为270℃和800℃。通过场发射扫描电子显微镜(FESEM)、拉曼光谱仪(RAMAN)对PAN纤维热处理前后表面形貌、分子振动等进行定性分析。结果表明,相对分子质量过低或者过高都会导致原丝产生严重的缠结现象且纤维直径不均匀,原丝中存在的缺陷会在热处理后遗留下来,且热处理过程中产生大量气体,纤维结构收缩,导致原丝中的缺陷进一步被放大,结合RAMAN分析可知150000相对分子质量PAN基纳米碳纤维性能最好。