关键词： 冰摩擦   纳秒激光   疏水结构   黏附性   不锈钢  

摘要： 冰摩擦是北方冬季最常见的自然现象之一,冰摩擦的研究在道路安全、冰川运动、冰上运动、海上结构物设计和破冰器等领域都有着重要的意义。本文基于自然界超疏水形成机制和纳秒激光加工技术特点,设计了仿生疏水微结构,并在不锈钢表面进行了加工。通过分析激光加工的基本原理以及研究激光扫描速度、激光加工功率、重复脉冲次数、扫描结构间距对金属表面微结构的影响规律,实现了对金属表面微结构形状和尺寸的控制,构建了类莲藕沟槽复合结构。试验发现,激光扫描速度、激光加工功率和重复脉冲次数、激光扫描间距参数会影响微结构的表面形貌,进而影响表面接触角。采用激光扫描速度200mm/s、加工功率10w、重复脉冲次数15次、扫描间隔0.05mm可以实现类莲藕沟槽复合超疏水微结构的构建。纳秒激光加工的超疏水表面黏附性较大,低表面能物质修饰可改变表面的黏附性;加工后的表面初始为亲水特性,与空气接触一段时间后转变为超疏水性,机理分析发现,不锈钢表面C/Fe的比例增加是亲水性到疏水性的转化原因。低表面能物质修饰后,其静态接触角变化较小,但动态接触角变化较大,滚动角降为6.4°,呈现较好的自清洁性和弹跳性能。微结构是使不锈钢表面呈现超疏水性的主要原因,材料表面物质成份的变化是影响其黏附性的主要因素。试验结果表明,不锈钢表面的冰摩擦系数与疏水性、黏附性和滑动速度相关;滑动速度越大,疏水性越好,黏附性越低的表面具有较小的摩擦系数。分析认为,滑动速度的增大,增加了水膜的形成量,而超疏水性表面减小了材料的润湿面积,减少毛细管桥的积聚,使冰摩擦处于混合摩擦阶段;低黏附性降低了表面与水的黏滞性,阻止了更多毛细管桥的形成,从而表面表现出较低的平均摩擦系数。

关键词： 合金成分调控   高压热压缩变形技术   块体Pr2Fe14B/α-Fe复合磁体   磁各向异性   矫顽力机制  

摘要： 纳米复合永磁材料因其理论磁能积可高达100 MGOe而被认为是最具发展潜力的下一代超强永磁材料。但是,实际制备出的纳米复合永磁材料的磁能积远低于理论预测值(通常不超过25 MGOe),主要原因很难制备出满足理论要求的微结构,其中最主要的就是很难实现高软磁相含量、且硬磁相具有强晶体学织构的复合磁体的制备。针对上述科学难题,本论文以PrFeB/α-Fe型复合磁体为研究对象,主要通过合金成分调控,采用熔体快淬结合快速的两步高压热压缩变形技术,围绕高软磁相含量、强磁各向异性和具有良好磁性能的块体PrFeB/α-Fe纳米晶复合永磁材料的制备这一目标开展以下研究工作。首先以贫稀土Pr-Fe-B三元合金为研究对象,采用熔体快淬技术和低温热压手段制备出完全非晶块体前驱物,利用快速的两步高压热压缩变形技术制备出了各向异性块体PrFeB/α-Fe纳米晶复合永磁体,研究了非金属元素B含量的变化对其微结构和磁性能影响。研究表明,随着B含量的增加,磁体的矫顽力逐渐增大、剩磁和磁取向度逐渐减小,并在B含量为5 at.%时制备出了磁能积为18.1 MGOe,软磁相含量超过25 wt.%且硬磁相具有一定晶体学(00l)取向的纳米晶复合永磁体。通过在贫稀土Pr-Fe-B系合金中添加Cu元素和适当调控Pr、Cu和B的比例,采用熔体快淬结合高压热压缩变形技术制备出了强磁各向异性的的块体PrFeB/α-Fe纳米晶复合永磁体,研究了各组成元素含量变化对所制备磁体的微结构和磁性能的影响。结果表明,Cu添加有效地促进了热变形所制复合磁体中PrFeB硬磁相晶体学(00l)织构的产生,并且随Cu添加量的增加,磁体的磁各向异性、软磁相含量和剩磁同步提高。此外,稀土Pr含量的增加能够同时提高变形后所制磁体的剩磁、矫顽力和磁各向异性,而B含量的增加在提高磁体矫顽力的同时其剩磁和磁各向异性显著降低。最终我们在合金成分为PrFeCuB时制备出了磁能积为21.3 MGOe,软磁相含量为1 wt.%,且硬磁相具有强晶体学取向(I(004))/I(220))=784%)的纳米晶复合永磁体。通过在贫稀土Pr-Fe-Cu-B系合金中添加Ga/Nb元素结合高压热压缩变形技术制备出了高软磁相含量、强磁各向异性和良好磁性能的块体PrFeB/α-Fe纳米晶复合永磁体,研究了Cu与Ga/Nb元素复合添加对所制备磁体的微结构和磁性能的影响。研究表明,元素复合添加弥补了单一Cu添加造成的矫顽力恶化的问题,在提高磁体矫顽力的同时其磁各向异性略有增强,并在成分为PrFeCuNbB时制备出了矫顽力为H=4.63 kOe、剩磁4πM=13.1 kG且磁能积高达27 MGOe的各向异性块体PrFeB/α-Fe复合永磁体。研究了经热变形所制各向异性块体PrFeB/α-Fe纳米复合永磁体的矫顽力机制,表明其矫顽力主要是以畴壁钉扎机制为主导的。此外,对磁体微结构中PrFeB硬磁相晶体学(00l)织构产生机理进行了分析,主要原因是非晶前驱物在大应力、大应变以及温度场条件下诱导硬磁性PrFeB相沿着应变能密度最低的晶面择优取向成核和生长以及磁体中存在少量的低熔点CuPr合金相在变形过程中促进硬磁相晶粒的取向生长。

关键词： Polystyrenes  

摘要： The mathematical model developed by Reneker et al. [J. Appl. Phys. 87, 4531 (2000)] and Yarin et al. [J. Appl. Phys. 89(5), 3018-3026 (2001)] for modeling filament formation in electro-spinning is combined in this work with the structure generation algorithm of Venkateshan et al. [Mater. Des. 96, 27-35 (2016)] to simulate the effects of electrospinning parameters on micro structural properties (i.e., fiber diameter, thickness, and porosity) of the resulting electrospun materials. The model is calibrated using the experimental data obtained from electrospinning polystyrene (PS) fibers. The computational tool developed in this work allows one to study the effects of electrospinning parameters, such as voltage, needle-to-collector distance (NCD), or PS concentration, on the thickness and porosity of the resulting fibrous materials. For instance, it was shown that increasing the voltage or decreasing the NCD in electrospinning polystyrene results in mats with thicker fibers but smaller dimensionless thickness (or lower porosities), in agreement with experimental observations reported in the literature. In addition to serving as a characterization tool for the electrospun materials, the computational model developed in this work can be used to create accurate representations of the surface morphology or the internal geometry of fibrous materials used in a variety of applications, such as particle filtration or droplet separation. Published by AIP Publishing.

关键词： failure mode   finite element method   granular material   instability   micromechanics   second-order work  

摘要： This paper aims to develop a multiscale approach that has the ability to characterise the influence of microstructural instabilities on global failures in granular materials. For this purpose, the Chang-Hicher multiscale constitutive relation has been implemented into a finite element code, and the expression of the second-order work, as an indicator of the material instability, has been computed at the interparticle contact scale, at the representative element volume scale, and at the boundary value problem scale. At the global scale, the second-order work can be obtained through the integration of that obtained at interparticle contacts. Hence, it becomes possible to analyse the range of instability from the microstructure to the macrostructure. Drained and undrained triaxial tests were numerically simulated. With this method, it was demonstrated that the grain-scale origin of the specimen instability was well captured. Additionally, biaxial tests were conducted and the onsets of localised and diffuse failure in granular assemblies were successfully predicted. The transition from diffuse to localised failure was demonstrated at different scales, whereby the coincidence between the direction of local instabilities and the direction of the shear band became evident. The influence of the boundary conditions and of the heterogeneity of the initial porosity on the failure mode of granular materials was also analysed. All these examples demonstrate that the developed multiscale approach can characterise in a satisfactory manner the influence of instability at the inter-grain contacts upon the global failure of granular assemblies.

关键词： 化学液相沉积   C/C复合材料   热解碳   致密化速率  

摘要： 化学液相沉积法(简称CLVD)是一种快速致密C/C复合材料的有效工艺.利用自行研制的沉积装置,以碳毡为预制体,研究了其在不同工艺下的致密化行为.并对复合材料的密度、孔隙率、致密化速率及显微形貌与结构进行了分析.结果表明:自行研制的沉积装置可实现C/C复合材料的快速制备,在1 050℃下经1h沉积后制备出密度近1.6g/cm^3的C/C复合材料,致密化效果显著.沉积的热解碳以碳纤维为轴形成同轴层状结构,沉积温度升高,致密化速率加快,热解碳由光滑层向粗糙层过渡,并向有序的石墨结构进行转化.

关键词： 高熵合金   纳米孪晶   形变   电化学行为   腐蚀机制  

摘要： 纳米孪晶强化CoCrFeNi高熵合金线材以其优异的力学性能被视为是传统线材面向苛刻工况应用的潜在替代品。采用电弧熔炼、冷热机械加工、剧烈冷变形技术制备纳米孪晶强化CoCrFeNi高熵合金线材,采用场发射扫描电镜(FE-SEM)、透射电镜(TEM)分析其微结构,利用电化学分析在3. 5%(质量分数) Na Cl,1 mol·L^(-1)H2SO4,1 mol·L^(-1)Na OH溶液中分别分析CoCrFeNi高熵合金线材的腐蚀行为,采用FESEM观察其在不同介质中的腐蚀形貌,分析CoCrFeNi高熵合金线材在不同介质中的腐蚀机制。结果表明,CoCrFeNi高熵合金线材经冷变形后呈纤维状组织,其在3种典型环境下的耐蚀性均较为理想。其在3. 5%Na Cl溶液中的腐蚀机制主要为点蚀,自腐蚀电流密度低至3. 85×10^-7A·cm^(-2),腐蚀后仅有极少量蚀坑存在。而在1 mol·L^(-1)H2SO4与1 mol·L^(-1)Na OH溶液为均匀腐蚀,自腐蚀电流密度分别可达1. 26×10^-6,7. 88×10^-6A·cm^(-2),腐蚀形貌呈均匀腐蚀特征。CoCrFeNi高熵合金线材在3. 5%Na Cl溶液、1 mol·L^(-1)H2SO4溶液与1 mol·L^(-1)Na OH溶液中均具有较好的耐蚀性,具备在这几种典型环境应用的潜力。

关键词： 功能微结构   脆塑转变   磨削工艺   表面粗糙度  

摘要： 基于硬脆性材料加工机理分析了其微结构磨削表面精度与磨削工艺的关系,利用压痕法研究硬脆性材料加工的脆塑转变临界条件,在此基础上结合最大切屑厚度h模型及表面粗糙度Ra模型初步确定了磨削加工工艺参数范围。分析了切削速度与工件进给速度对表面粗糙度的影响机制和规律,并针对石英玻璃进行了磨削实验。研究结果表明,在延性域磨削条件下可获得磨削后表面粗糙度为55nm的高质量表面,为硬脆性材料微结构延性域临界磨削条件研究提供了理论参考与试验依据。

关键词： 陶瓷基复合材料   碳化硅粉体   聚碳硅烷   浆料注射   热压烧结   断裂功  

摘要： 采用新型浆料注射/真空浸渍工艺实现了超高温陶瓷组分与碳纤维的有效复合,并结合低温(1 450℃)热压烧结实现了Cf/ZrB2-SiC复合材料的制备。研究了不同SiC源(SiC粉体和聚碳硅烷PCS)对复合材料微结构和力学性能的影响,结果表明:基于聚碳硅烷优异的流动性实现了陶瓷组分在纤维束内和束间的有效填充,并经低温热压烧结后Cf/ZrB2-PCS复合材料的相对密度为91.3%,主要归结于聚碳硅烷裂解后残留的微量无定性碳起到了表面除氧的作用而促进致密化,但该无定性碳弱化了晶界强度而导致力学性能降低。同时Cf/ZrB2-PCS复合材料表现出非脆性断裂模式且断裂功高达539 J/m^2,较Cf/ZrB2-SiCp复合材料提升高达84.6%;该复合材料断裂功的提升主要归结于裂纹偏转、裂纹分叉和纤维桥联等多种增韧机制的协同效应,大幅度改善了ZrB2基超高温陶瓷材料的损伤容限和可靠性。

关键词： 石英砂   托辊   抗折强度   微观结构   烧结性能  

摘要： 本文采集了海南六个地区的石英砂样品,对这些样品进行了化学成分,白度和粒径的分析;并研究了不同石英砂原料对托辊用陶瓷材料显微结构、烧结性能和力学性能的影响。结果表明:石梅湾采集的石英砂具有较细的粒度D70=0.24μm和较低的烧失量1.88wt.%;采用此石英砂制得托辊用陶瓷材料具有最佳的抗折强度(126.02 MPa)和良好的烧结性能,显气孔率0.4%,体积密度2.84 g/cm^3。较好的性能归因于材料微观尺度上较小的气孔尺寸、颗粒拔出机制的作用以及贝壳状和多片状断裂机制的作用。最后采用这种配方成功做出了陶瓷托辊试样。

关键词： 铜锌锡硫   热注入法   纳米晶   太阳电池  

摘要： 采用热注入法制备Cu_2ZnSnS_4(CZTS)纳米晶,研究了金属前驱体摩尔比对所制备的CZTS纳米晶的晶体结构、化学组分、形貌及光学性能的影响。实验结果表明:当Cu∶(Zn+Sn)前驱体摩尔比在0.8∶1～1∶1范围变化时,所得到的产物为纯锌黄锡矿结构CZTS纳米晶。当Cu∶(Zn+Sn)≤0.7∶1时,产物的XRD图谱在(112)晶面衍射峰附近出现微弱的SnS杂峰。当Cu∶(Zn+Sn)前驱体摩尔比从0.9∶1变化为0.8∶1时,纳米晶的形貌主要为球形,少量为多边形;当Cu∶(Zn+Sn)前驱体摩尔比从0.7∶1减小到0.6∶1时,纳米晶的形貌主要有纺锤形及少量球形。所制备样品的光学带隙随着Cu∶(Zn+Sn)前驱体摩尔比的减小而增大,其带隙宽度在1.44～1.56eV之间变化。