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近α型高温钛合金起燃机理

物理学报 2024年第8期73卷 244-260页

作者：吴明宇弭光宝李培杰清华大学新材料国际研发中心北京100084 中国航发北京航空材料研究院先进钛合金重点实验室北京100095

采用激光氧浓度实验方法,研究激光功率和氧浓度对近α型高温钛合金(TA19合金)燃烧状态的影响,发现合金的起燃温度随激光功率和氧浓度的增加而降低,在200—325 W的激光功率以及21%—60%的氧体积浓度条件下,TA19合金的起燃温度为W27—1595... 详细信息

采用激光氧浓度实验方法,研究激光功率和氧浓度对近α型高温钛合金(TA19合金)燃烧状态的影响,发现合金的起燃温度随激光功率和氧浓度的增加而降低,在200—325 W的激光功率以及21%—60%的氧体积浓度条件下,TA19合金的起燃温度为W27—1595℃,低于合金熔点.通过组织表征揭示保护性氧化层的失效形式,并结合氧化层应力失效模型分析起燃机理:1520℃以上TiO的高蒸气压特性导致表层TiO_(2)下方形成孔隙缺陷,加速TiO_(2)层的热应力失效;且起燃时需要同时满足临界温度条件和瞬时温度变化率条件.在此基础上,将保护性氧化层失效机理与能量方程结合以构建起燃模型;根据实验数据拟合计算得到TA19合金在起燃阶段的反应激活能约为280 kJ/mol,并得出起燃温度随激光功率和氧浓度变化的函数关系为1.2×10^(10)exp(-280000/RT_(ig))c^(1/2)+0.52R_(L)-315=0.该结果对航空发动机复杂气流条件下的阻燃性能研究及其他类型钛合金的起燃温度预测提供理论参考.

关键词：近α型高温钛合金保护性氧化层起燃温度起燃机理

大电流密度过渡金属硫族化合物析氢催化剂界面工程展望（英文）

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Chinese Journal of Catalysis 2024年第01期56卷 9-24页

作者：康馨余强敏张天昊胡书萁刘鹤鸣张致远刘碧录清华大学深圳国际研究生院清华-伯克利深圳学院&材料研究院深圳盖姆石墨烯中心

氢能是未来可持续社会中理想的能量载体,利用可再生能源电解水制取绿氢的技术受到研究人员的广泛关注.电解水制绿氢技术由实验室向工业应用跨越的前提是发展大电流密度下性能优异且稳定的电催化剂.析氢反应(HER)是一种非均相反应,涉及... 详细信息

氢能是未来可持续社会中理想的能量载体,利用可再生能源电解水制取绿氢的技术受到研究人员的广泛关注.电解水制绿氢技术由实验室向工业应用跨越的前提是发展大电流密度下性能优异且稳定的电催化剂.析氢反应(HER)是一种非均相反应,涉及催化剂-基底、催化剂-电解液、催化剂-气体三个界面.界面性质会影响电化学传质行为、电荷传输行为和催化剂的力学性质,从而影响大电流密度下制氢性能.因此,优化界面结构和性质是提升大电流密度下电解水催化剂性能并解决电解水技术工业应用挑战的关键.二维过渡金属硫族化合物(TMDCs)具有电子结构可调、活性位点丰富、合成方法多样等优势,自1976年首次应用于光电催化水分解反应、加氢脱硫反应以来,已有大量工作报道了TMDCs催化剂应用于HER.本文以TMDCs催化剂为例研究界面工程对大电流密度下HER的提升作用及机制.探讨了电化学反应中上述三个界面上发生的物理化学过程,系统分析了大电流密度下质量传输、电荷传输速率受限和力学强度不足三方面挑战,并总结了适用于大电流密度的催化剂性能描述符.分别归纳了针对以上三个界面的界面工程策略及相应作用,简要概括为:(1)催化剂-基底界面结合力增强、界面电阻降低、界面电子结构调控等策略;(2)催化剂-电解液界面形貌调控、表面化学、电解液环境调控等策略;(3)催化剂-气体界面疏气性调控、外场作用等策略.从反应机理研究、膜电极界面设计及电解槽界面性质调控三个角度对电解水反应界面工程未来的发展与应用提出了建议及展望.在反应机理方面,大电流条件下的界面性质如界面电阻、传质行为等仍需更深入的认识.在膜电极中,催化剂、离子交换膜、离子型聚合物、气体扩散层所形成的多元界面,尤其是催化剂-膜界面、催化剂-气体扩散层界面的结构仍需进一步优化以提升膜电极的活性及稳定性.在电解槽界面性质调控方面,催化剂-基底界面结合力等参数与催化剂寿命间的关系,电解过程中界面处的温度场及流场分布,适配于实际生产系统的电流密度等仍需深入研究.综上,本文从基本物理化学过程、策略及作用、挑战与展望等多个方面介绍了界面工程.本文有助于研究人员理解非均相电化学反应过程中界面的重要作用,提出催化剂、膜电极、电解槽界面设计新策略,并开发新型表征方法以深入对界面性质的认识,推动高效电解水技术的开发及应用.

关键词：界面工程电化学制氢反应大电流过渡金属硫族化合物膜电极

砷在氮化-碳化法制备超细碳化钨粉过程中的细化机理

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Transactions of Nonferrous Metals Society of China 2024年第3期34卷 966-976页

作者：易志强谭敦强南昌大学物理与材料学院南昌330031 南昌大学国际材料创新研究院南昌330031

为了简化工艺制备超细WC粉末,在伸钨酸铵前驱体中添加一定量的As元素,采用氮化-碳化法系统研究As在超细WC粉制备过程中的作用机理。结果表明,当碳化温度均为1400℃,氮化温度从500℃升高到600℃,As含量从0增加到0.3%(质量分数)时,所制备... 详细信息

为了简化工艺制备超细WC粉末,在伸钨酸铵前驱体中添加一定量的As元素,采用氮化-碳化法系统研究As在超细WC粉制备过程中的作用机理。结果表明,当碳化温度均为1400℃,氮化温度从500℃升高到600℃,As含量从0增加到0.3%(质量分数)时,所制备的WC粉平均粒径从2.23μm减小到0.22μm,颗粒均匀性显著提高。As元素在氮化产物中以W_(2)O_(3)(AsO_(4))_(2)的形式存在,且容易在氮化产物(NH_(4))_(0.42)WC_(3)和WN表面富集或分布于两相之间,阻碍碳化过程中WC晶粒的长大,从而制备超细WC粉。

关键词：砷超细WC粉均匀性细化机理氮化碳化

石墨烯的分散方法及在水性环氧富锌涂料中的应用进展

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材料导报 2024年第3期38卷 72-79页

作者：桂晓露程瑄李芃飞高古辉孙丽娅易汉平北京交通大学机械与电子控制工程学院材料中心北京100044 鄂尔多斯市紫荆创新研究院内蒙古鄂尔多斯017000

石墨烯具有高的比表面积、高的机械强度、优异的导热和导电性、低的化学反应活性、良好的物理阻隔性能等特性,在提升涂料/涂层防腐性能方面具有很大的潜力,因而受到了广泛关注,石墨烯水性环氧富锌涂料是其中的研究热点。但是,石墨烯较... 详细信息

石墨烯具有高的比表面积、高的机械强度、优异的导热和导电性、低的化学反应活性、良好的物理阻隔性能等特性,在提升涂料/涂层防腐性能方面具有很大的潜力,因而受到了广泛关注,石墨烯水性环氧富锌涂料是其中的研究热点。但是,石墨烯较大的比表面积及层间范德华力的相互作用导致其在水性溶剂或聚合物基体中极易发生团聚,直接影响了其在水性涂料/涂层中性能的发挥。因此,如何改善石墨烯在水性溶剂或聚合物基体中的分散性是待解决的首要问题。本文综述了石墨烯在水性环氧富锌涂料中的研究进展,对比讨论了单一或多种分散方法对石墨烯在水性涂料特别是水性环氧涂料中分散效果的影响规律及适用范围,对现有文献中石墨烯环氧富锌涂料的防腐性能进行了汇总,分析了石墨烯类型、含量及其与锌粉的相对比例对涂料/涂层性能的影响规律及选择原则。最后,本文介绍了石墨烯在提高涂层屏蔽性能及阴极保护方面的作用机理,并对石墨烯水性环氧富锌涂料在工业化制备和应用方面面临的挑战和未来研究方向进行了简要讨论。

关键词：石墨烯腐蚀水性环氧富锌涂料防腐机理

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钛铝金属间化合物激光点火燃烧行为及机理

材料工程 2024年第5期52卷 1-16页

作者：吴明宇弭光宝李培杰隋楠董富礼中国航发北京航空材料研究院先进钛合金航空科技重点实验室北京100095 清华大学新材料国际研发中心北京100084

采用激光氧浓度实验方法结合超高温红外测温仪和高速摄像机原位观察、扫描电子显微分析和X射线衍射分析等方法,对钛铝金属间化合物(TiAl合金)的点火燃烧行为进行研究,揭示燃烧过程熔体的形成与运动规律、氧化物类型和结构特征,进而探讨... 详细信息

采用激光氧浓度实验方法结合超高温红外测温仪和高速摄像机原位观察、扫描电子显微分析和X射线衍射分析等方法,对钛铝金属间化合物(TiAl合金)的点火燃烧行为进行研究,揭示燃烧过程熔体的形成与运动规律、氧化物类型和结构特征,进而探讨燃烧机理。结果表明:TiAl合金发生起燃及持续燃烧的激光功率和氧浓度临界条件分别遵循抛物线规律和抛物线+直线规律,且显著高于近α型高温钛合金,即具有更好的阻燃性能;TiAl合金的起燃温度高于基体相熔点,起燃时基体部分熔化,导致Al元素由内氧化机制转变为外氧化机制;扩展燃烧阶段形成的氧化物由内侧到燃烧表面依次为Al_(2)O_(3),Al_(2)Ti_7O_(15),Al_(2)TiO_(5)和Al_(6)Ti_(2)O_(13)相,其中熔凝区内形成的连续网状Al_(2)O_(3)层能够阻碍熔体运动,燃烧区内形成的Ti-Al-O三元相通过降低内层Al_(2)O_(3)的分解压提升Al_(2)O_(3)保护层的稳定性,使TiAl合金具有良好的阻燃性能。

关键词： TiAl合金激光点火氧化燃烧产物燃烧机理起燃温度

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气流速度对Ti_(3)Al基合金摩擦起燃行为的影响

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材料工程 2024年第5期52卷 17-25页

作者：邱越海弭光宝李培杰隋楠曹京霞中国航发北京航空材料研究院先进钛合金航空科技重点实验室北京100095 清华大学新材料国际研发中心北京100084

采用高温、高速摩擦点燃法研究Ti_(3)Al基合金在220~380 m/s气流环境中的起燃行为,结合理论计算分析气流速度对表面氧浓度、氧化控制步骤的影响,探讨气流速度对起燃行为的影响机理。结果表明:当气流速度达到240 m/s时,Ti_(3)Al基合金开... 详细信息

采用高温、高速摩擦点燃法研究Ti_(3)Al基合金在220~380 m/s气流环境中的起燃行为,结合理论计算分析气流速度对表面氧浓度、氧化控制步骤的影响,探讨气流速度对起燃行为的影响机理。结果表明:当气流速度达到240 m/s时,Ti_(3)Al基合金开始发生起燃;当气流速度达到360 m/s时,Ti_(3)Al基合金不再发生起燃。低气流速度下,高温下的表面氧浓度低于临界值,氧化反应控制步骤由低温下的化学动力学过程转变为高温下的氧向合金表面的扩散过程。随着气流速度的加快,虽然对流散热速率增大,但表面氧浓度增大引起的氧化产热速率的增大速率比对流散热速率的大,使得升温速率增大,促进Ti_(3)Al基合金发生起燃。高气流速度下,高温下的表面氧浓度仍然高于临界值,氧化反应控制步骤始终是化学动力学过程。随着气流速度的增大,高温下的氧化产热速率增大速率比对流散热速率的小,使得升温速率减小,不利于Ti_(3)Al基合金发生起燃。

关键词： Ti_(3)Al基合金气流速度摩擦起燃机理钛火

3D打印制造约束下的多孔结构与路径协同优化方法

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机械工程学报 2024年

作者：夏令伟谢亿民马国伟河北工业大学智慧基础设施研究院皇家墨尔本理工大学创新结构与材料中心

多孔结构具有优异的综合性能，得到广泛工程应用。相较于等材制造和减材制造，3D打印增材制造在多孔结构的制备上更加灵活、效率更高。然而，其复杂的拓扑形态导致打印路径的不连续和不均匀填充，降低成型质量和力学性能。针对上述问题... 详细信息

多孔结构具有优异的综合性能，得到广泛工程应用。相较于等材制造和减材制造，3D打印增材制造在多孔结构的制备上更加灵活、效率更高。然而，其复杂的拓扑形态导致打印路径的不连续和不均匀填充，降低成型质量和力学性能。针对上述问题，提出了基于Voronoi骨架的多孔结构与路径协同优化方法。在结构优化的基础上，通过施加制造约束考虑路径优化问题，生成适合3D打印的多孔结构。结构的材料分布可根据受力状态进行调整，以周期和梯度两种形态构造Voronoi多孔单元。结合深度优先检索算法，优化结构采用Voronoi骨架偏置而成的全局连续路径填充。计算结果显示协同优化方法解决了路径的整数倍和自交问题，实现了多孔结构的均匀打印；消除了路径断点和喷头空驶产生的打印缺陷。通过挤出成型增材制造技术验证了可行性。力学实验证明由于协同优化方法实现了多孔结构的高质量打印，打印构件的力学性能明显优于传统方法。本研究为实现3D打印多孔结构的高性能化、推动材料-结构-性能一体化设计具有重要作用。

关键词：增材制造结构优化路径优化设计制造一体化

选区激光熔化Ti-6Al-4V合金在模拟乏燃料后处理环境中的腐蚀行为

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Transactions of Nonferrous Metals Society of China 2024年第7期34卷 2167-2180页

作者：刘政张连民任德春马爱利吉海宾郑玉贵中国科学院金属研究所中科院核用材料与安全评价重点实验室沈阳110016 中国科学技术大学材料科学与工程学院沈阳110016 中国科学院金属研究所师昌绪先进材料创新中心沈阳110016

研究选区激光熔化(SLM)制备的Ti-6Al-4V合金在乏燃料后处理环境中的腐蚀行为。借助光学显微镜、X射线衍射、扫描电子显微镜、电子背散射衍射以及电化学测试等手段研究SLMTi-6Al-4V合金的显微组织及耐蚀性。结果表明,相较于铸造合金,SLM ... 详细信息

研究选区激光熔化(SLM)制备的Ti-6Al-4V合金在乏燃料后处理环境中的腐蚀行为。借助光学显微镜、X射线衍射、扫描电子显微镜、电子背散射衍射以及电化学测试等手段研究SLMTi-6Al-4V合金的显微组织及耐蚀性。结果表明,相较于铸造合金,SLM Ti-6Al-4V合金在含氧化性离子的6 mol/L热硝酸溶液中的耐腐蚀性更好。进一步分析表明,SLMTi-6Al-4V合金具有α'+β的微观结构,β-Ti相含量较高且分布均匀,同时其晶粒尺寸较小、晶界密度较高,这种微观结构可提高其在含氧化性离子的硝酸中的钝化能力以及耐腐蚀性。SLM Ti-6Al-4V合金有望在乏燃料后处理过程中得到广泛应用。

关键词：乏燃料后处理选区激光熔化 Ti-6Al-4V合金腐蚀行为钝化性能

固体核磁共振技术解析固态电池离子输运机制研究进展

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储能科学与技术 2024年第1期13卷 178-192页

作者：李宇航韩卓安旭飞张丹丰郑国瑞柳明贺艳兵清华大学深圳国际研究生院材料研究院广东深圳518055

固态电池具有高能量密度和高安全性的特点,是下一代高比能电池的重要发展方向。固态电解质的离子电导率和固态电池多尺度界面性质共同决定固态电池的电化学性能。相比之下,离子在固态电池界面的迁移相对缓慢,这也是提高电化学性能的关... 详细信息

固态电池具有高能量密度和高安全性的特点,是下一代高比能电池的重要发展方向。固态电解质的离子电导率和固态电池多尺度界面性质共同决定固态电池的电化学性能。相比之下,离子在固态电池界面的迁移相对缓慢,这也是提高电化学性能的关键所在。然而传统表征方法有其局限性,无法有效解析固态电池纳米尺度界面对离子传输的影响。固体核磁共振技术可以原位无损地分析局域结构,并对离子传输动力学进行定量分析。本文基于作者所在团队以及国内外先进研究成果,立足于固态电池的离子传输关键科学问题,从固态电解质的离子电导率以及电极电解质界面出发,介绍分析了固体核磁共振技术在研究离子传输方面取得的研究成果。本文首先对固态电池面临的问题进行总结,其次介绍电池研究中常见的固体核磁共振方法,重点介绍了如何通过固体核磁技术解析固态电解质的晶界、离子迁移路径、复合电解质两相界面对传输机制的影响,以及电极电解质界面接触、(电)化学反应和空间电荷层对界面离子传输机制的影响。最后展望了固体核磁共振技术在未来研究固态电池科学问题方面的重要作用。

关键词：固态电池界面离子迁移固体核磁共振