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Ni-Cr钎料钎焊金刚石界面强化的第一性原理计算与试验研究

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机械工程学报 2023年第18期59卷 228-238页

作者：张健肖昂张澳刘俊艺张明军彭平长沙理工大学机械装备高性能智能制造湖南省重点实验室长沙410114 湖南大学材料科学与工程学院长沙410082

采用第一性原理计算方法,系统研究强碳化物形成元素X(X=Mn、Ti、V、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W)掺杂的Ni-Cr钎料钎焊金刚石界面微观作用行为及机理,并通过钎焊金刚石试验对计算结果进行验证。嵌入能、界面分离功及界面能的计算结果表明,强... 详细信息

采用第一性原理计算方法,系统研究强碳化物形成元素X(X=Mn、Ti、V、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W)掺杂的Ni-Cr钎料钎焊金刚石界面微观作用行为及机理,并通过钎焊金刚石试验对计算结果进行验证。嵌入能、界面分离功及界面能的计算结果表明,强碳化物形成元素X均倾向于在Ni-Cr钎料与金刚石的界面处偏析,并且不同程度地增强Ni-Cr钎料与金刚石的界面结合强度与稳定性,其中,Hf、Ta、Zr、Nb、W的强化效果尤为明显;电子结构分析表明,强碳化物形成元素X的掺杂可促进Ni-Cr钎料中的Cr原子与金刚石中的C原子成键,有效改善Ni-Cr钎料对金刚石的润湿性,同时还削弱Ni元素对金刚石石墨化的催化作用。基于Nb掺杂Ni-Cr钎料的钎焊金刚石试验表明,Nb掺杂使得Ni-Cr钎料对金刚石的爬升效果更为明显,界面冶金反应更为充分,金刚石表面生成Cr3C2和Cr7C3两种碳化物,界面得到有效强化;同时,Nb掺杂还明显削弱Ni元素对金刚石的石墨化催化作用,进而提高钎焊金刚石试件的加工性能,很好地验证理论计算结果。研究工作为基于材料基因组理念的钎焊金刚石钎料设计开发提供理论依据与参考。

关键词：钎焊金刚石 Ni-Cr钎料界面强化强碳化物形成元素第一性原理计算

钛/镁双金属复合材料界面强化方法研究现状与展望

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复合材料学报 2023年第11期40卷 5989-6009页

作者：吴远兵辜诚彭韦力田增辉赵建华重庆大学材料科学与工程学院重庆400045 重庆大学国家镁合金工程研究中心重庆400044 重庆大学高端装备铸造技术全国重点实验室重庆400044

钛/镁双金属复合材料兼具了钛和镁的优点,在航空航天、交通运输等领域具有巨大的潜在应用价值,近年来受到了国内外研究者的广泛关注。针对熔点差异大,弱反应,低互溶的钛、镁两种金属,采用中间层金属实现钛/镁界面冶金结合是典型的界面... 详细信息

钛/镁双金属复合材料兼具了钛和镁的优点,在航空航天、交通运输等领域具有巨大的潜在应用价值,近年来受到了国内外研究者的广泛关注。针对熔点差异大,弱反应,低互溶的钛、镁两种金属,采用中间层金属实现钛/镁界面冶金结合是典型的界面强化方法,界面冶金结合的调控是提高界面结合强度的核心,界面反应的控制和优化是界面强化的难点。本文综述了不同复合方法制备钛/镁双金属复合材料的研究进展,分析了界面组织演变对界面结合强度的影响;总结了在不同的复合方法下所采用的界面强化方法时,钛/镁双金属复合材料界面的失效强度;归纳了钛/镁双金属的界面强化机制,并对钛/镁双金属的界面强化后续研究进行展望。

关键词：钛/镁双金属复合方法界面反应界面组织界面强化

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高安全锂离子电池复合集流体的界面强化

物理化学学报 2023年第2期39卷 81-92页

作者：汪茹刘志康严超伽龙黄云辉同济大学材料科学与工程学院上海201804 华中科技大学材料科学与工程学院材料成形与模具技术国家重点实验室武汉430074 南京同宁新材料研究院有限公司南京211161 浙江柔震科技有限公司浙江嘉兴314499

面向高能量密度电池的高比容量三元正极材料的应用,使锂离子电池更容易发生热失控,这不仅降低了其安全性,也限制了锂离子电池的进一步发展。如何在提高能量密度的同时保证电池的安全性是亟待解决的问题。以绝缘高分子薄膜为支撑基材,两... 详细信息

面向高能量密度电池的高比容量三元正极材料的应用,使锂离子电池更容易发生热失控,这不仅降低了其安全性,也限制了锂离子电池的进一步发展。如何在提高能量密度的同时保证电池的安全性是亟待解决的问题。以绝缘高分子薄膜为支撑基材,两侧沉积金属层得到了具有夹芯结构的铝复合集流体能有效保证电池在针刺条件下的安全性,且更轻的复合集流体的使用能进一步提高电池能量密度。但高分子基材与铝金属层之间界面结合力较差,这会导致复合集流体在高温电解液浸泡中发生脱层现象,从而影响其在电池中的使用。本研究采用聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)作为支撑基材,通过在铝金属镀层与高分子基材之间引入氧化物中间层,有效地增强了金属与高分子基材之间的界面结合力,提升复合集流体的电解液兼容性。此外,复合集流体良好的机械性能使其能很好地兼容现有的电池制备技术,利用其制备的软包电池表现出与使用传统铝箔为集流体的电池相当的电化学性能。进一步的针刺测试表明,复合集流体能有效阻止锂电池在针刺过程中的热失控,显著改善了电池的安全性能。

关键词：锂离子电池复合集流体界面强化氧化物强化层电解液兼容性

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铝/钢双金属液-固复合技术研究进展

特种铸造及有色合金 2024年第5期44卷 591-597页

作者：杨广赵枢明钟亮陈大辉庄辛鹏朱秀荣中国兵器科学研究院宁波分院宁波315103

铝/钢双金属复合材料在航天航空、汽车制造领域具有广阔应用前景。强化铝/钢双金属复合材料界面结合是本领域的研究重点和难点。总结了国内外对于铝/钢双金属复合材料界面强化的研究现状,包括含不同元素的热浸镀法、增加磁场及添加超声... 详细信息

铝/钢双金属复合材料在航天航空、汽车制造领域具有广阔应用前景。强化铝/钢双金属复合材料界面结合是本领域的研究重点和难点。总结了国内外对于铝/钢双金属复合材料界面强化的研究现状,包括含不同元素的热浸镀法、增加磁场及添加超声波振动等方法。综述了其复合机理,包括中间相的形成长大及其影响因素,中间相的种类、分布对复合材料性能的影响等。最后,提出了铝/钢双金属复合材料未来研究方向和展望。

关键词：固-液复合铝/钢双金属复合机理界面强化

基于搅拌摩擦搭接焊的PP/EPDM/ZDS TPV-铝合金的界面强化研究

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基于搅拌摩擦搭接焊的PP/EPDM/ZDS TPV-铝合金的界面强化研究

作者：赵阅华南理工大学

学位级别：硕士

近年来,汽车轻量化已成为我国节能减排战略中重要的一部分。汽车轻量化的途径有很多种,路径之一是将部分金属构件替代为低密度的高分子材料,并与金属焊接形成混合异质结构。热塑性硫化胶（TPV）是一种兼具橡胶高弹性和热塑性塑料加工特... 详细信息

近年来,汽车轻量化已成为我国节能减排战略中重要的一部分。汽车轻量化的途径有很多种,路径之一是将部分金属构件替代为低密度的高分子材料,并与金属焊接形成混合异质结构。热塑性硫化胶（TPV）是一种兼具橡胶高弹性和热塑性塑料加工特性的高分子材料,具有轻质、减震、可重复加工等特点,可作为部分金属构件的理想替代品。然而,TPV的极性、线膨胀系数以及收缩率都与金属存在较大差异,致使两者之间反应性差,界面亲和力弱,难以通过焊接直接连接。因此,改变TPV的界面性质、提高TPV与金属之间的反应性以及界面亲和力对于增强TPV的焊接性能十分重要。本文选取非极性的聚丙烯（PP）/三元乙丙橡胶（EPDM）TPV与铝合金焊接,通过引入极性不饱和羧酸金属盐山梨酸锌（ZDS）对PP/EPDM/ZDS TPV界面性能进行调控,获得一种低收缩、低膨胀、极性高的PP/EPDM/ZDS TPV。进而,将PP/EPDM/ZDS TPV与铝合金以搅拌摩擦搭接焊的方式焊接在一起,获得一种焊接性能良好的PP/EPDM/ZDS TPV-铝合金异质构件,对异质构件的界面强度影响因素以及界面强化机理进行了详细研究。研究结果表明,在PP/EPDM/ZDS TPV的动态硫化过程中,橡胶基体中的山梨酸（SA）与氧化锌（Zn O）会发生原位反应生成ZDS。ZDS在过氧化二异丙苯（DCP）分解产生的自由基作用下自聚生成聚山梨酸锌（Poly-ZDS）,并接枝到EPDM大分子链上形成了填料-橡胶交联网络结构,提高了EPDM相的交联密度。同时,位于PP相和EPDM相界面处的Poly-ZDS团聚体起到界面增容的作用,从而增强TPV的力学性能。当ZDS含量为EPDM的30 wt%时,PP/EPDM/ZDS TPV的拉伸强度和冲击强度分别达到了20.79 MPa和227.03 k J/m,TPV韧性大幅提升的同时还能保持良好的拉伸强度。此外,ZDS的加入提高了TPV的起始结晶温度,但结晶度却逐渐降低。在PP/EPDM/ZDS TPV-铝合金体系中,随着ZDS含量的增加,PP/EPDM/ZDS TPV-铝合金6061-T6热压焊接样条和搅拌摩擦搭接点焊样条的接头拉剪强度均逐渐提高。焊接样条的接头拉剪强度会受到静置时间的影响先下降后稳定,热压焊接样条稳定后的拉剪强度最高能达到3.18 MPa,而搅拌摩擦搭接点焊样条稳定后的拉剪强度则可以达到7.58 MPa。ZDS的引入改变PP/EPDM/ZDS TPV的表面极性、线膨胀系数、熔体强度和热稳定性,从而影响焊接强度。X射线光电子能谱（XPS）测试结果表明,ZDS分子链上的活性C自由基可以与铝合金表面的Al反应生成“Al-C”化学键,是提高界面结合强度的关键。铝合金中的Zn元素能够通过形成机械结合和化学结合的方式提高PP/EPDM/ZDS TPV-铝合金的接头拉剪强度;Mg元素则可以通过形成Mg O过渡层,以氢键的方式提高异质构件的接头拉剪强度。此外,硅烷偶联剂3-氨丙基三乙氧基硅烷（KH550）、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷（KH560）、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷（KH570）均可以有效提高PP/EPDM/ZDS TPV与铝合金6061的界面粘附功和焊接接头拉剪强度。其中KH550的界面强化效果最好,处理后粘附功为92.68 J/m,接头拉剪强度可达10.80 MPa。

关键词：山梨酸锌热塑性硫化胶铝合金搅拌摩擦搭接焊界面强化

W-1TiC-xTi合金力学性能与界面强化行为研究

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W-1TiC-xTi合金力学性能与界面强化行为研究

作者：张梓微中南大学

学位级别：硕士

钨及钨基合金具有高熔点、高热导性和抗高温腐蚀等优势被认为是核聚变装置中理想的面对等离子材料。然而,纯钨块体材料的强度和硬度低、致密度低和室温脆性等缺点限制了其应用。通过第二相粒子碳化物增强钨(CDS-W)是一种有效细化晶粒组... 详细信息

钨及钨基合金具有高熔点、高热导性和抗高温腐蚀等优势被认为是核聚变装置中理想的面对等离子材料。然而,纯钨块体材料的强度和硬度低、致密度低和室温脆性等缺点限制了其应用。通过第二相粒子碳化物增强钨(CDS-W)是一种有效细化晶粒组织和提升材料性能的方法,但目前制备的CDS-W合金还存在烧结缺陷多、第二相粒子偏聚、强度硬度等力学性能不足等问题。因此,通过引入活性金属元素Ti改善CDS-W合金的微观结构和提升力学性能具有重大意义。本文通过在W-1TiC合金中添加Ti的方式,探究了活性元素Ti在W-1TiC合金基体中的溶解-析出机制,系统地研究了不同Ti含量对 W-1TiC-xTi(x=0.1,0.3,0.5,0.7,0.9 wt.%)合金的微观组织和力学性能的影响。同时,深入分析了 Ti富集区对合金力学性能和界面结构的作用。主要研究结果如下:(1)添加Ti的W-1TiC-xTi合金粉末在球磨后不易发生团聚,球磨后钨合金粉末的平均粒径为212 nm。在原料粉末中引入的Ti在球磨中固溶于W,形成了 W-Ti合金颗粒,提高了合金粉末的烧结活性。W-1TiC-0.5Ti合金粉末在1930℃烧结后的块体材料接近全致密,其孔隙率为0.12%,相对密度超过99%。(2)烧结后的W-1TiC-xTi合金平均晶粒尺寸随Ti含量的增加呈先减小后增大的趋势,且Ti含量为0.5 wt.%时,合金的平均晶粒尺寸最小,为2.7 μm(烧结温度为1930℃)。活性元素Ti的添加有利于提高TiC粒子在钨合金中的分散性,提高颗粒强化的作用,细化基体晶粒。(3)烧结后的W-1TiC-0.5Ti合金在钨基体和TiC粒子相界面处形成Ti富集区,减少了 TiC粒子与钨基体界面处烧结孔洞的形成。同时,部分W/TiC界面形成半共格关系(错配度为10.19%),且存在[112](111)TiC(fcc)‖[111](011)W(bcc)的位向关系,降低了相界面处的弹性畸变能,提高了界面结合强度。(4)随着Ti含量的升高,W-1TiC-xTi合金的拉伸强度和显微硬度均呈先增大后减小的趋势。在W-1TiC合金中添加Ti能够减少合金中烧结孔洞的形成和改善界面结构的作用,从而提高合金的力学性能。在1930℃下烧结的W-1TiC-0.5Ti合金的拉伸强度和显微硬度分别为426MPa和860±11HV0.2。因此,Ti添加W-1TiC合金的力学性能的提升是细晶强化、第二相粒子强化和界面强化的协同作用。图41幅,表5个,参考文献102篇

关键词： W-TiC-Ti合金细晶钨合金微观组织界面强化力学性能

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无机人造石玻璃骨料界面强化与抗泛碱研究

无机人造石玻璃骨料界面强化与抗泛碱研究

作者：吴超南昌大学

学位级别：硕士

无机人造石(Inorganic Artificial Stone,IAS)板材所需的优质矿物骨料日益紧缺。我国每年产生大量的废玻璃,将其破碎后替代部分矿物骨料制备IAS可有效改善板材的装饰效果,同时具有资源循环利用和节能环保意义。由于玻璃骨料表面致密光滑... 详细信息

无机人造石(Inorganic Artificial Stone,IAS)板材所需的优质矿物骨料日益紧缺。我国每年产生大量的废玻璃,将其破碎后替代部分矿物骨料制备IAS可有效改善板材的装饰效果,同时具有资源循环利用和节能环保意义。由于玻璃骨料表面致密光滑,与凝胶的粘结力弱,在IAS定厚抛光过程中易出现剥落现象,同时深色IAS普遍存在的泛碱问题,导致板材良品率下降。解决玻璃骨料剥落和泛碱问题对提高IAS产品质量和综合利用废玻璃具有重要意义。本文研究了组分材料对IAS物理力学性能的影响,探讨了玻璃骨料对IAS物理力学性能的影响规律并基于分形理论优化IAS的骨料级配;采用硅灰和三种界面剂强化IAS玻璃骨料界面并探究其作用机理;采用泛碱面积率、泛碱均匀度定量评价IAS泛碱程度,以抗泛碱最优原则制备出低泛碱的深色IAS板材。研究结果表明:(1)组分材料是调控IAS性能的基础。掺加适量的减水剂和石英粉能够改善IAS物理力学性能,有效解决超低水胶比(0.22)条件下物料的分散性和密实度;适量的硅灰能够大幅提高IAS强度和降低板材吸水率;乳胶粉能够调节IAS物料的流变性和粘聚性并提高抗折强度;掺加适量氯化钙能够大幅提高IAS早期强度。(2)分形理论能够准确评价IAS骨料级配。基于分形理论确定的骨料级配最佳分形维数范围为2.23～2.27;在IAS中利用玻璃骨料取代石英骨料的替代率可达40%而不会对其性能产生明显负面影响。(3)玻璃骨料预包裹界面剂是提高玻璃骨料抗剥落性的有效措施。试验所用三种界面剂都能改善IAS的力学性能并显著减少玻璃骨料的剥落数量。其中以白色硫铝水泥+乳胶粉复合界面剂对IAS玻璃骨料界面增强效果最佳。硅灰能提高IAS界面显微硬度,减少界面Ca(OH)含量及降低Ca(OH)取向程度,但不能明显降低玻璃骨料的剥落率。(4)采用强疏水性的8031H型乳胶粉能够有效提高IAS的综合抗泛碱能力,采用偏高岭土、硅灰、三元胶凝材料可有效抑制IAS的二次泛碱;采取综合措施成功制备出了低泛碱深色IAS板材。

关键词：无机人造石玻璃骨料界面强化抗剥落抗泛碱

高性能锂金属电池负极结构设计及界面强化研究进展

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材料导报 2022年第16期36卷 188-198页

作者：姚诗言曾立艳刘军华南理工大学材料科学与工程学院广东省先进储能材料重点实验室广州510641

锂离子电池(LIBs)作为目前使用最广泛的二次电池,绝大多数以理论比容量较低的石墨(372 m Ah/g)为负极,已无法满足人们日益增长的对电池储能性能的要求。金属锂因其超高的理论比容量(3 860 m Ah/g)和最低的还原电势(-3.04 V,相比于氢标... 详细信息

锂离子电池(LIBs)作为目前使用最广泛的二次电池,绝大多数以理论比容量较低的石墨(372 m Ah/g)为负极,已无法满足人们日益增长的对电池储能性能的要求。金属锂因其超高的理论比容量(3 860 m Ah/g)和最低的还原电势(-3.04 V,相比于氢标准电极)被看作是下一代高能量密度可充电锂电池最理想的负极材料。尤其是当金属锂与硫、氧组成锂-硫或锂-氧电池体系时,其理论能量密度远超锂离子电池,受到研究者的广泛关注。然而,库伦效率低和稳定性差一直是限制锂金属电池商业化应用的关键因素。当金属锂直接用作电池负极时,其易与电解液反应,在其表面形成一层脆弱的固态电解质中间相(SEI)膜。电池循环时,负极体积膨胀会破坏SEI膜,诱导锂枝晶和“死锂”形成,造成不可逆的容量损失。此外,锂枝晶生长至一定程度后会刺穿隔膜,导致电池内部短路甚至发生爆炸,引发严重的安全问题。为了解决上述问题,研究者们在锂金属负极失效机制、结构设计及界面强化等方面进行了许多探索。一些研究枝晶生长的理论模型如Chazalviel-Brissot模型、Yamaki模型和静电屏蔽模型等已受到广泛认可。在此基础上,研究者们尝试通过设计三维集流体、表面改性集流体以及构筑原位或人工SEI膜的方式来抑制锂枝晶生长和缓解体积效应,并取得了一定成果。本文系统地介绍了几种典型的锂金属负极失效机制,着重总结了近年来研究者们在锂金属负极结构设计和界面强化方面的研究进展,最后分析了锂金属电池研究中仍存在的问题并给出了一些建议,以期为早日实现锂金属电池的商业化应用提供参考。

关键词：锂金属电池锂金属负极固态电解质中间相锂枝晶结构设计界面强化

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镀铬层等离子束流界面强化工艺

焊接学报 2005年第10期26卷 75-77页

作者：王克鸿张春阳朱平顾民乐朱武营南京理工大学材料科学与工程系南京210094

针对高温化学气流冲刷烧蚀的使用状态,提出了等离子束流界面强化解决镀Cr层与基体结合强度不足的技术问题,用非转移等离子束流对镀铬钢件表面进行快速加热进行界面强化处理的工艺方法,介绍了等离子束流界面强化原理,进行了等离子束流强... 详细信息

针对高温化学气流冲刷烧蚀的使用状态,提出了等离子束流界面强化解决镀Cr层与基体结合强度不足的技术问题,用非转移等离子束流对镀铬钢件表面进行快速加热进行界面强化处理的工艺方法,介绍了等离子束流界面强化原理,进行了等离子束流强化工艺试验,并对试验结果进行了检测和分析研究,结果表明,镀Cr层与基体产生了冶金结合,较为显著地提高了镀层与基体的结合强度。

关键词：等离子束流镀层界面强化冶金结合