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具有气凝胶结构特征的C/SiO2和C/SiC复合材料研究进展

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无机材料学报 2017年第5期32卷 449-458页

作者：何飞李亚骆金方旻翰赫晓东 f哈尔滨工业大学特种环境复合材料技术国防科技重点实验室哈尔滨150080 f哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所哈尔滨150080

具有气凝胶结构特征的C/SiO_2和C/SiC复合材料因其多样的结构存在形式和多孔、轻质、耐高温等特性,在高温隔热、吸附、催化、储氢、光电等多种领域具有广泛的应用前景和研究价值。依据硅源与碳源的不同引入方式,本文综述了采用共聚法、... 详细信息

具有气凝胶结构特征的C/SiO_2和C/SiC复合材料因其多样的结构存在形式和多孔、轻质、耐高温等特性,在高温隔热、吸附、催化、储氢、光电等多种领域具有广泛的应用前景和研究价值。依据硅源与碳源的不同引入方式,本文综述了采用共聚法、浸入法和聚合物先驱体热解法制备的具有气凝胶结构特征的C/SiO_2和C/SiC复合材料的研究现状。借助碳材料与SiO_2两者间的相对存在形式,探讨了这三种工艺方法制备C/SiO_2和C/SiC复合材料的工艺特点,分析了材料所呈现的组织结构特征、合成机理和性能特点,并对其潜在的应用前景进行了展望。硅与碳之间多样的复合方式使C/SiO_2和C/SiC复合材料呈现出多样的材料特征和特性,为相关研究开辟了新的方向。

关键词： C/SiO2复合材料 C/SiC复合材料气凝胶溶胶-凝胶法制备综述

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氧化硅基气凝胶的多尺度模拟及实验研究

氧化硅基气凝胶的多尺度模拟及实验研究

作者：方旻翰哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

作为一种科学研究的重要工具,计算机模拟已经成为理论研究和科学实验的重要补充。气凝胶是一种本质为交联聚合物的纳米多孔网络结构固态材料,其网络骨架在空间尺度上跨越微观、介观和宏观三个层面。气凝胶的这一特殊结构特征,适合采用... 详细信息

作为一种科学研究的重要工具,计算机模拟已经成为理论研究和科学实验的重要补充。气凝胶是一种本质为交联聚合物的纳米多孔网络结构固态材料,其网络骨架在空间尺度上跨越微观、介观和宏观三个层面。气凝胶的这一特殊结构特征,适合采用计算机模拟方法开展相关研究,进而揭示气凝胶材料的制备原理、结构形成过程及材料性能特点等方面。本研究采用Materials Studio软件,对氧化硅基气凝胶体系进行了分子层面的建模,对比分析了不同单体形成的网络结构模型,开展了材料性能与热导率的模拟计算,并与实验数据进行对比。同时,开展了介观层面的建模与动力学模拟,研究溶液体系聚集状态的影响。最后,对不同类型的真空浸渍气凝胶材料进行了制备与表征。首先,采用一种动态循环的方法,使用perl程序语言调用MS功能,使用无反应势COMPASS力场,成功进行了交联结构的建模。对不同密度下的Si（OH）4（T体系）、CH3Si（OH）3（S体系）和（CH3）2Si（OH）2（D体系）3种单一体系进行了两种方式的建模,并确定了较好的建模方式。随后,对M体系和D体系不同比例下的混合体系进行了建模和分析。研究结果表明,参与反应的-Si OH基团对的可反应距离主要处于3?.5?之间。不同体系的最终交联构型内的键长不发生明显改变。随着单体上不可水解-CH3基团数量的增加,体系交联度下降,环状结构减少,结构趋于松散,骨架强度下降,弹性增强。应用介观耗散粒子动力学理论,采用分子动力学层面的计算结果作为输入数据,进行了介观建模与动力学模拟,得出了溶胶环境下的溶质聚集态结果。在水溶液中,溶质团聚成球状区域;在二甲亚砜溶液中,溶质均匀分散。体系中随着D单体数量的增加,团聚区域减小。当溶质与溶剂的斥力参数接近时,溶质更易于均匀分布。应用非平衡分子动力学方法,分别从低密度模型与致密骨架模型出发,对气凝胶体系的热导率进行了计算。其中,致密骨架模型可实现温度梯度的良好收敛,得出的热导率计算结果与实测值吻合较好,实现了对热导率的较准确印证。以柔性较好的M3D2气凝胶为模板,采用真空浸渍方法制备了多种气凝胶改性样品,并对其进行了组织结构表征。结果显示,气凝胶改性样品的微观结构明显出呈现模板气凝胶的骨架特征和浸入填充气凝胶的微观结构特征。浸入气凝胶的颗粒尺度随着D单体比例的增加从微观尺度逐渐变成介观尺度。真空浸渍处理后的气凝胶,其比表面积与孔结构主要由浸入的气凝胶决定。

关键词：气凝胶分子动力学模拟介观模拟多尺度模拟非平衡动力学法真空浸渍法

纤维素/氧化硅有机-无机杂化复合气凝胶的研究进展

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哈尔滨工业大学学报 2017年第5期49卷 1-9页

作者：何飞骆金李亚方旻翰赫晓东特种环境复合材料技术国家级重点实验室(哈尔滨工业大学) 哈尔滨150080

依据纤维素与SiO_2的复合工艺特点,综述了采用溶液浸渍法、直接混合法和逐层沉积法制备纤维素/SiO_2有机—无机杂化复合气凝胶材料的研究现状.探讨了纤维素的不同溶解或分散状态和SiO_2引入方式对形成纤维素/SiO_2复合气凝胶的影响,分... 详细信息

依据纤维素与SiO_2的复合工艺特点,综述了采用溶液浸渍法、直接混合法和逐层沉积法制备纤维素/SiO_2有机—无机杂化复合气凝胶材料的研究现状.探讨了纤维素的不同溶解或分散状态和SiO_2引入方式对形成纤维素/SiO_2复合气凝胶的影响,分析了纤维素与SiO_2之间具有的组织结构特征和结合机理,并对比了不同工艺方法获得的纤维素/SiO_2复合气凝胶材料在力学、隔热、光学、疏水性、生物等方面所呈现的性能特点.基于有机纤维素与无机SiO_2的物理化学特性,指出了两者复合时面临的问题,并对潜在的应用前景进行了展望.

关键词：纤维素/氧化硅复合气凝胶有机—无机杂化复合材料溶胶—凝胶法综述

聚甲基硅倍半氧烷气凝胶的制备及相分离控制研究

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稀有金属材料与工程 2018年第S2期47卷 262-266页

作者：何飞方旻翰张鑫周粮赫晓东哈尔滨工业大学特种环境复合材料技术国家级重点实验室哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所

以甲基三甲氧基硅烷(methyltrimethoxysilane, MTMS)为先驱体、二甲基亚砜(dimethylsulfoxide, DMSO)为溶剂,采用溶胶-凝胶法和超临界干燥技术制备了聚甲基硅倍半氧烷(polymethylsilsesquioxane, PMSQ)气凝胶。通过改变碱性催化剂氨水和DMSO的相对含量用量,获得了PMSQ凝胶时间的变化规律。PMSQ气凝胶具有典型的纳米多孔结构。凝胶时间随氨水用量的增加而缩短,随DMSO用量的增加而延长。DMSO含量越多,溶胶粘度变化越缓慢;氨水含量越多,粘度变化越快。不可水解基团–CH3的存在将引起短链或环状Si–O–Si结构,造成颗粒团聚,产生沉淀,引起相分离。控制凝胶时间与相分离时间的关系,可获得均匀凝胶。

关键词：聚甲基硅倍半氧烷气凝胶粘度微观结构相分离溶胶-凝胶

增材制造TiB/Ti复合材料网状组织形成与力学性能

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材料工程 2024年第2期52卷 31-39页

作者：韩远飞方旻翰张亮孙中刚黄光法吕维洁上海交通大学材料科学与工程学院金属基复合材料国家重点实验室上海200240 上海材料研究所上海3D打印材料工程技术研究中心上海200437 南京工业大学材料科学与工程学院先进材料研究院南京210009

采用快速凝固技术将TiB直接植入基体钛合金,形成一种新型超细网状结构钛基复合材料(titanium matrix composites,TMCs)粉体,并采用激光增材制造技术,制备出一种等轴网状和柱状网状组织交替分布的新型钛基复合材料,系统分析和讨论增材制... 详细信息

采用快速凝固技术将TiB直接植入基体钛合金,形成一种新型超细网状结构钛基复合材料(titanium matrix composites,TMCs)粉体,并采用激光增材制造技术,制备出一种等轴网状和柱状网状组织交替分布的新型钛基复合材料,系统分析和讨论增材制造TMCs超常凝固网状组织形成机制与力学特性。研究发现:增材制造TiB/Ti复合材料网状组织(约9μm)主要由原位自生纳米TiB晶须组成,呈现B27和Bf两种晶体结构;B元素的直接引入,易于在凝固界面形成成分过冷,不仅促使交替形成等轴网状组织和柱状网状结构,也同步细化基体晶粒尺寸,实现基体合金片层α相的等轴化。经原位力学观察分析发现,增材制造形成的原位自生纳米TiB网状组织结构,不仅能够抑制裂纹偏转并钝化裂纹,还将大量滑移迹线聚集于网络结构内部,并在晶界诱发高密度位错,限制材料的塑性变形,大幅度提高了复合材料的强度,增材制造TiB/Ti复合材料抗拉强度提高42%,伸长率保持在约10%。

关键词：增材制造钛基复合材料网状结构力学性能

激光熔化沉积原位制备三维网状Ti6Al4V基复合材料的组织与力学性能

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中国有色金属学报 2023年第2期33卷 372-385页

作者：刘化强王治涵冯姝慧方旻翰韩远飞吕维洁上海交通大学材料科学与工程学院金属基复合材料国家重点实验室上海200240 上海交通大学包头材料研究院包头014010

基于激光熔化沉积的快速熔化/凝固原理,在Ti6Al4V基体内原位自生出一种准连续网状组织结构,分别合成相同体积分数增强体增强的(TiB+TiC)/Ti6Al4V、Ti_(5)Si_(3)+TiC)/Ti6Al4V和TiC/Ti6Al4V三类钛基复合材料,对比分析基体和复合材料的显... 详细信息

基于激光熔化沉积的快速熔化/凝固原理,在Ti6Al4V基体内原位自生出一种准连续网状组织结构,分别合成相同体积分数增强体增强的(TiB+TiC)/Ti6Al4V、Ti_(5)Si_(3)+TiC)/Ti6Al4V和TiC/Ti6Al4V三类钛基复合材料,对比分析基体和复合材料的显微组织、硬度和拉伸性能。结果表明:基体合金和复合材料组织均出现大小不一的柱状晶和等轴晶,晶内分布有板条状α相;(TiB+TiC)/Ti6Al4V材料的增强体分布在晶界,形成三维准连续网状结构;在Ti 5Si_(3)和TiC增强的钛基复合材料中,多元增强体细化晶粒,大幅度提高了复合材料的硬度和拉伸性能;(TiB+TiC)/Ti6Al4V材料的硬度、屈服强度和抗拉强度较基体分别提高了10.7%、21.8%、16.1%,但其伸长率较低,断口表现为脆性断裂;Ti_(5)Si_(3)+TiC)/Ti6Al4V材料的抗拉强度和伸长率分别为1163.6 MPa和8.33%,呈现出优异的强塑性匹配。

关键词：激光熔化沉积钛基复合材料准连续网状结构微观组织力学性能

高性能原位自生钛基复合材料制备加工与航天应用探索

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中国材料进展 2020年第12期39卷 945-954页

作者：韩远飞乐建温方旻翰王立强吕维洁上海交通大学包头材料研究院内蒙古包头014010 上海交通大学材料科学与工程学院金属基复合材料国家重点实验室上海200240 浙江嘉钛金属科技有限公司浙江嘉兴314200

传统钛合金备受航空工业的青睐,而新型超高速、大运力航天器对钛合金的比强度、比模量、耐热性等性能提出了更高的要求。复合化是钛合金实现高性能化的有效途径之一。通过向轻质高强钛合金基体中引入反应剂,生成异质增强相(微/纳米颗粒... 详细信息

传统钛合金备受航空工业的青睐,而新型超高速、大运力航天器对钛合金的比强度、比模量、耐热性等性能提出了更高的要求。复合化是钛合金实现高性能化的有效途径之一。通过向轻质高强钛合金基体中引入反应剂,生成异质增强相(微/纳米颗粒和晶须),从而制备得到一种崭新材料——原位自生钛基复合材料(in-situ TMCs),与钛合金相比,该复合材料具有更高的强度和模量、优异的抗蠕变性能等,已成为航天领域一种不可替代的共性关键材料。近年来,TMCs的相关研究逐渐从制备工艺、均匀化控制、形变加工对组织性能的调控作用等转为耐更高温度TMCs的研制、复合构型的设计制备、近净成形加工(如等温锻造、精密铸造和增材制造等)以及构件应用的探索等。因此将围绕航天用高性能TMCs的研制,综述其在制备技术、形变加工工艺以及耐热TMCs力学性能等方面的研究进展,总结in-situ TMCs未来的研究方向以及在各类航天器上的潜在应用方向。

关键词：钛基复合材料增强体原位自生航天应用

激光选区熔化TC4钛合金高温力学性能和显微组织研究

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钢铁钒钛 2020年第2期41卷 33-37页

作者：宋静雯方旻翰胡富国毛建伟上海交通大学材料科学与工程学院上海200240

采用万能拉伸试验机以及光学显微镜、扫描电子显微镜和透射电子显微镜等测试技术,研究了室温至550℃温度范围内激光选区熔化(SLM)成形TC4钛合金的力学性能和显微组织。结果表明:SLM成形TC4钛合金由针状马氏体α′相组成,晶界数量多,塑... 详细信息

采用万能拉伸试验机以及光学显微镜、扫描电子显微镜和透射电子显微镜等测试技术,研究了室温至550℃温度范围内激光选区熔化(SLM)成形TC4钛合金的力学性能和显微组织。结果表明:SLM成形TC4钛合金由针状马氏体α′相组成,晶界数量多,塑性变形时位错运动被限制在马氏体内部,因此试验合金具有高强度,室温抗拉强度为1 265 MPa,500℃抗拉强度为834 MPa,优于固溶时效处理和退火处理的TC4钛合金,然而,在500℃以上拉伸变形时,马氏体逐渐转变为平衡态的α相,组织形态由针状向片层状转变,晶界数量减少,材料抗变形能力下降,因此抗拉强度快速降低,550℃抗拉强度只有562MPa。

关键词：钛合金 TC4 激光选区熔化高温力学性能微观组织

退火温度对激光选区熔化成形TC4合金显微组织和力学性能的影响

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热加工工艺 2023年第4期52卷 108-111,115页

作者：宋静雯韩远飞方旻翰胡富国吕维洁上海交通大学材料科学与工程学院上海200240

研究了退火温度对激光选区熔化成形TC4合金显微组织和力学性能的影响规律。结果表明,激光选区熔化成形TC4合金由β柱状晶和晶内析出的弥散分布的针状马氏体α'相组成,在700℃以上退火处理,马氏体α'相先分解成α+β相。随着退火温度的升... 详细信息

研究了退火温度对激光选区熔化成形TC4合金显微组织和力学性能的影响规律。结果表明,激光选区熔化成形TC4合金由β柱状晶和晶内析出的弥散分布的针状马氏体α'相组成,在700℃以上退火处理,马氏体α'相先分解成α+β相。随着退火温度的升高,钛合金构件显微硬度和抗拉强度逐渐降低,伸长率逐渐升高。经过800℃退火处理之后,材料的伸长率为9.79%,抗拉强度为1146 MPa,完全满足航空标准需求。

关键词：激光选区熔化 TC4 退火显微组织力学性能