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关键词： 金属纳米多层复合材料   分子动力学模拟   高熵合金   层厚   调制比   循环塑性  

摘要： 金属纳米多层材料作为一种周期性多层复合材料,具有高硬度、高强度和高韧性等优异的力学性能,在航空、航天、国防等领域有着良好的应用前景。该材料由于具有丰富的相界面和周期性多层结构,呈现出强烈的尺度效应以及异于传统复合材料混合律的独特力学行为。当前,大多相关研究都是针对由不同单质金属构成的多层材料(如Cu/Nb、Cu/Ni等)开展的,对其变形行为和强化机制的认识已相对完善。不同于单质金属和传统合金,高熵合金是由五种或更多元素以相等或接近相等的原子比组成的单一固溶体合金,具有高强度、高塑性和抗辐照等优异性能。目前,高熵合金纳米多层材料相关的研究才刚刚起步,其变形模式和内在物理机理有待进一步深入探究。有鉴于此,本文通过分子动力学模拟方法,系统地研究了高熵合金纳米多层复合材料Co Cr Ni/Co Cr Fe Mn Ni(FCC/FCC体系)在拉伸载荷和循环载荷下的力学响应和变形机理。本文的研究内容和结论主要包括以下三个方面:(1)基于分子动力学模拟,研究了不同温度(77 K、300 K)下中熵合金CoCrNi、高熵合金CoCrFeMnNi单质材料的拉伸力学响应,分析了其中的微观变形机理。研究表明:低温下,Co Cr Ni和Co Cr Fe Mn Ni均具有更高的屈服强度和塑性流动强度;同一温度下,与Co Cr Fe Mn Ni相比,Co Cr Ni具有更高的屈服强度以及流动强度。Co Cr Ni和Co Cr Fe Mn Ni的塑性变形机制均以位错滑移为主导,同时位错的相互作用形成了Lomer-Cottell锁,有效阻碍了塑性变形过程中位错的滑移,有利于增强应变硬化能力;随着温度的降低,两种材料的Shockley不全位错密度明显增加,低温更有利于不全位错的形核和运动。此外,在Co Cr Ni和Co Cr Fe Mn Ni的塑性变形阶段均能观察到孪晶形核及退孪晶行为的发生,是塑性变形行为的有利补充。(2)基于上述研究,进一步分析了拉伸载荷下CoCrNi/CoCrFeMnNi纳米多层复合材料的力学响应和微观塑性变形机理,并探讨了层厚(h)和调制比(R)(即Co Cr Ni层厚h 与Co Cr Fe Mn Ni层厚h 的比值)的影响。研究表明:高熵合金多层复合共格界面上生成了两相晶格失配位错网,它们既可以作为位错的形核源,也可以作为阻碍位错穿越界面运动的壁垒。在塑性变形初始阶段,Co Cr Fe Mn Ni层内位错的形核和滑移占主导地位;随着外加载荷的增大,滑移位错在界面处塞积并穿透界面在Co Cr Ni层内增殖滑移,促进了塑性变形从Co Cr Fe Mn Ni层到Co Cr Ni层的传递;塑性变形初期产生由不全位错滑移形核的层错,随着塑性变形的增加,变形孪晶逐渐形成。多层复合材料的流动强度随着层厚的减小逐渐增大,呈现出典型的Hall-Petch现象;随着层厚的减小,多层复合材料内位错密度逐渐增大,引起更强的Taylor硬化和更高的流动强度。此外,多层复合材料的流动强度随着调制比(Co Cr Ni体积分数)的增大而增大;不同层厚和调制比Co Cr Ni/Co Cr Fe Mn Ni多层复合材料的流动强度模拟结果均高于复合材料混合率模型的计算结果,部分层厚和调制比的多层复合材料流动强度甚至超过了Co Cr Ni单质材料。(3)进一步对比研究了CoCrNi、CoCrFeMnNi单质材料和CoCrNi/CoCrFeMnNi纳米多层复合材料在拉压循环载荷下的力学响应,分析了层厚对多层复合材料微观循环变形行为的影响。结果表明:在单调载荷作用下,Co Cr Ni、Co Cr Fe Mn Ni单质材料和Co Cr Ni/Co Cr Fe Mn Ni多层复合材料均出现了拉压不对称现象。随着循环次数的增加,单质材料的流动强度很快达到饱和并保持稳定,而多层复合材料则出现先循环软化后循环强化的现象,其循环塑性变形模式表现为非FCC结构的逐渐累积。与单质材料相比,高熵合金多层复合材料在循环变形过程中产生了更多的晶格无序结构,从而阻碍了位错的反向滑移,导致其包辛格效应减弱;多层复合材料的晶格无序程度随着层厚的减小逐渐增大,包辛格效应也呈现出减弱的趋势。

关键词： 增材制造   多材料融合   力学性能   高温合金   CALPHAD方法  

摘要： 航空发动机被认为是航空飞机的“心脏”,其性能的提高对于现代航空航天技术的发展至关重要。涡轮盘作为航空发动机热端的关键部件之一,其盘心和盘缘需要承受不同的工作温度。然而,传统的双合金/双性能涡轮盘连接处材料性能的急剧转变使得盘和叶片在连接过程中容易产生裂纹,对其高温使用造成威胁。为解决该问题,可利用增材制造技术在异种材料间引入“梯度分布区”。通过组成材料体积分数的连续变化,实现材料之间的渐变转换。并且其与拓扑优化的结合为多材料融合的涡轮盘结构的优化设计及制备提供了可能。但为了实现对涡轮盘的拓扑优化,需要对组成材料的本征力学性能参量值及多材料融合处的材料模型进行定义。然而,目前尚未有系统完善的涡轮盘合金材料力学性能参量数据库,并且计算成分及温度变化后引起的多材料性能连续变化,对功能梯度材料宏观力学性能进行评估的研究工作也鲜有报道。为了解决这些研究问题,本文通过第一性原理计算方法、热力学相图计算方法及基于渐进均匀化的有限元计算方法建立了多材料融合力学性能预测的理论模型。系统地研究了合金单相、多相合金、多材料融合后的力学性能分布,并最终实现对多材料融合力学性能预测的理论方法框架的构建。另外,研究了合金中关键相稳定性随相成分的变化规律,以期为新型镍基高温合金的改性提供理论支撑。本文包含三个主要研究内容:合金单相相稳定性及本征力学性能的评估(第三章);多相合金力学性能评估模型的构建与验证(第四章);多材料融合界面处力学性能预测模型的构建(第五章)。利用第一性原理计算方法,根据计算的能量值讨论了各合金元素在镍基高温合金GH4169和K418B合金中合金单相(γ,γ',Y")的晶格占位,并探究了 Al、Nb、Ti、Co、W对其相稳定性的影响规律。对相组成元素对合金单相力学性能参量(Pugh比B/G、杨氏模量E、维氏硬度Hv)的影响规律进行深入探究。绘制和分析了单相本征力学性能与成分的关系云图。研究结果表明:Al和Ti对γ'相具有稳定作用,而Nb和W则更倾向于促进γ"相的生成。同一元素对不同单相力学性能参量的影响规律也呈现出多样性。基于CALPHAD方法的理论基础,通过引入相互作用参数构建了多相合金材料的力学性能评估模型,且基于准简谐德拜近似模型对GH4169和K418B合金中的合金单相(γ,γ',γ")的高温弹性常数进行计算。借助热力学相图计算方法对两种合金开展了线计算和面计算,获得合金中的相体积分数与相成分。在此基础上,利用不同Al成分下K418B合金和原始成分GH4169合金的力学性能测试数据,实现了对多相K418B合金和GH4169合金力学性能评估模型的构建,与实验值相比误差在均在8%以内。通过构建具有代表性的GH4169和K418B融合后的细观结构(RVE,Representative Volume Element),借助渐进均匀化理论处理具有快速振荡系数的微分方程,从而实现对梯度材料的离散化处理。并通过有限元方法实现了材料宏观特性与微观特性的连接,预测了多材料融合后界面处的宏观特性。绘制了力学性能参量(泊松比v、杨氏模量E、剪切模量G、维氏硬度Hv)与温度和体积分数的分布云图,成功构建了材料融合界面处的性能预测模型。将构建的多相合金力学性能评估模型作为输入,实现了一体化多材料融合力学性能预测模型的构建。

关键词： 编织复合材料   均匀化   失效准则   渐进损伤   等效模量  

摘要： 不同于传统的层合复合材料,三维编织复合材料是一种新型功能结构材料,它不仅具备抗分层和抗冲击等优势,而且还拥有结构整体性和性能可设计性等优点,在航空、交通等领域极富应用前景。然而,由于编织复合材料细观结构的非均匀性和复杂性,其性能不仅与制备工艺和材料组分紧密相联,还与编织参数、纤维/基体界面性能等密切相关,这使得编织复合材料整体结构的力学性能和强度预测变得非常复杂和困难。因此,定量表征编织复合材料的宏、细观力学性能及其关联成为编织复合材料结构强度设计和寿命评估的关键。基于已有复合材料力学及细观力学理论,本文改进了适用于三维编织复合材料的多尺度均匀化方法和渐进损伤分析方法,研究了编织结构的失效模式和损伤演化机理,为合理预测编织复合材料的等效模量及结构强度提供参考和借鉴。 本文的主要研究内容和取得的主要成果如下: (1)基于三维编织复合材料的结构特点,提出了适用于典型编织复合材料刚度预测和损伤分析的细观建模方法,明确了分析宏细观力学响应及细观损伤演化的数值计算方法。首先,通过分析四步法编织工艺流程和纱线轨迹,建立了三维四向复合材料编织件的参数化模型,提取了表征细观结构特征的代表性体胞模型(RVE);然后,比较了不同的复合材料等效性能分析方法和损伤失效准则的差异,以及它们对后续宏、细观力学分析的影响,在此基础上,建议了适用于等效模量计算及细观损伤演化分析的均匀化方法和失效准则。 (2)基于渐近展开均匀化理论,结合新型有限元实现算法与多相有限元法,建立了预测编织复合材料等效弹性模量及开展宏细观力学分析的算法框架;在此基础上,对三维四向编织复合材料等效弹性性能及三点弯曲试样的力学行为进行了计算模拟分析。首先,根据细观结构的内胞和面胞模型,计算了三维四向编织复合材料的宏观等效弹性常数,并与试验结果进行了对比验证,证实了其可行性;然后,讨论了不同编织参数对编织复合材料有效弹性常数的影响;最后,针对宏观试样的三点弯曲试验,通过宏细观多尺度模拟,计算并分析了试件不同区域的细观力学响应,并进一步确定了面胞模型对计算结果的重要性。 (3)基于考虑复合材料细观失效模式的LaRC05失效准则,利用ABAQUS的用户材料子程序,建立了三维编织复合材料细观损伤分析的算法;在此基础上,研究了外部加载条件和内部编织参数对三维编织复合材料的细观损伤演化及失效模式的影响。首先,对拉伸和压缩载荷下三维四向编织复合材料细观损伤演化过程进行了数值模拟,通过与试验测得的压缩强度进行对比,验证了本算法的合理性;随后,详细讨论了压缩载荷下编织角对三维四向、三维五向编织复合材料细观损伤演化过程及失效模式的影响。

关键词： 纤维预制体   聚脲   负泊松比   力学损伤行为   力学损伤机理  

摘要： 在现代海战中,舰船和潜艇会遭受爆炸和冲击破坏。为了减小其在遭遇爆炸和冲击时的损伤范围,提高其存活能力,需要一种具有良好的力学性能和能量吸收能力的防护材料。而先前此类研究大多基于理论计算和数值模拟,材料级别的基础性研究工作十分有限,本文将负泊松比纤维和聚脲的优异性能进行复合,得到组合性能的复合材料,开展材料级别的基础性试验研究。本课题对纤维预制体(HAYs)进行了设计,研究了不同参数对预制体力学性能、变形行为和区域泊松比的影响;研究了不同参数和工艺的聚酯-碳纤维/聚脲复合材料在静载、动载下的拉伸、撕裂性能,探究了其弹性和塑性变形区的变形行为,通过红外(FTIR)、扫描电镜(SEM)等方法测试和分析了其力学性能机理和变形行为机理,获得了聚酯-碳纤维预制体结构参数和制备工艺参数与复合材料拉伸性能和拉伸损伤行为、撕裂性能和撕裂损伤行为、温域动态机械性能之间的关联规律和机理,研究结果表明:(1)随着缠绕角减小和直径比增大,预制体的断裂能增大;缠绕角5°、直径比9:1、环氧包覆为预制体力学性能和变形情况最佳组合参数,其断裂能分别提高了1.6倍、1.4倍和1.1倍,其泊松比值最小为-11.18。理论计算所得泊松比规律与试验一致,最小泊松比值为-13.26。(2)拉伸损伤时,预制体使复合材料的抗拉强度增大1.95～3.82倍。缠绕角5°、直径比9:1、环氧包覆、双层编织的复合材料在拉伸至开裂时的位移最大,为24.93 mm,能承受的应变最大为2.513,出现最小泊松比值为-7.75,且其拉伸断裂耗能是纯聚脲的2.65倍,是最佳的拉伸性能组合参数。复合材料氢键化程度高,破坏后出现凹坑和基体粘结纤维现象,界面粘结性好;塑性变形阶段曲线类似阶梯状,拓展了塑性变形区域面积。优异的宏微观结构和拉伸变形机制增强了复合材料的抗拉强度,优化了各变形阶段的拉伸损伤行为,提高了复合材料的能量吸收能力。(3)撕裂损伤时,预制体使复合材料的撕裂强度增大3.40～8.60倍。缠绕角5°、直径比9:1、环氧包覆、双层编织的复合材料在变形至断裂时的位移最大为35mm,能承受的应变最大为1.15,其撕裂耗能是纯聚脲的2.36倍,是最佳的撕裂性能组合参数。复合材料氢键化程度高,破坏后留下凹坑且基体粘结纤维,界面粘结性好;塑性变形阶段较长,其曲线类似阶梯状,塑性变形区域面积大。优异的宏微观结构和撕裂变形机制增强了复合材料的抗撕裂强度,优化了各变形阶段的撕裂损伤行为,多级能量损耗机制增强了其能量吸收能力。(4)缠绕角5°、直径比9:1、环氧包覆、双层编织时复合材料动态力学性能最佳。复合材料在应用温度下处于高弹态,各组分之间相容性好,动载后氢键相互作用更多,结合度很高,具有良好的抵抗动载变形的能力。广域温度和频率下的动态性能与试验结果吻合,复合材料能够抵抗高温和高频等环境因素,提高防护性能。本课题探索出了聚酯-碳纤维-聚脲复合材料的力学性能、变形行为和耗能的最佳设计参数,准确地描述了复合材料静、动态力学性能变化趋势,获得了预制体结构参数和制备工艺参数与复合材料性能和损伤行为间的关联规律和机理,为增强我国舰船和潜艇的防护能力提供了材料级别的基础性研究,有望为舰船用防护材料体系的选型以及舰船抗爆抗冲击功能型防护涂层的结构设计提供参考依据。

关键词： 碳纤维复合材料   层间断裂韧性   抗冲击性能   分层监测   电性能  

摘要： 碳纤维增强树脂基复合材料具有高强度、高模量、耐腐蚀和低密度等优势,在航空航天和轨道交通等领域应用广泛。然而,碳纤维复合材料由于层间韧性较差,在受到面外力学载荷(如低速冲击)时,易发生分层损伤;其导电性较差,易遭受雷击损伤;且内部分层不易检测,对飞机安全构成严重威胁。因此,为了满足碳纤维复合材料对结构-功能一体化的要求,需要在提高其力学性能和电导率的同时,实现使役状态的在线损伤监测。综上所述,本文旨在探索通过低成本和简单的工艺制备可工业化大规模生产的功能性插层,以实现碳纤维复合材料力学性能-导电性能-分层监测灵敏度的协同提升。主要研究内容和结论如下:通过溶液铸膜法制备了聚醚砜(PES)膜,同时提升了碳纤维复合材料的层间断裂韧性和分层监测灵敏度。结果表明,对照组样品的Ⅰ型层间断裂韧性的起始值和演化值(GⅠC,ini和GⅠC,prop)及Ⅱ型层间断裂韧性(GⅡC)分别为207.60 J/m2、221.75 J/m2和1823.14 J/m2。插入面密度为15 g/m2的PES膜夹层使碳纤维复合材料的GⅠC,ini、GⅠC,prop和GⅡC分别提高了 32.25%、55.00%和9.59%,其增韧机理主要是由于形成了 PES与环氧树脂的相分离结构,PES的塑性变形增加了断裂能耗散。同时,通过测量碳纤维复合材料分层过程中的电阻变化,实现了Ⅰ型分层起始和演化及Ⅱ型分层起始的原位监测,对照组样品Ⅰ型分层监测灵敏度系数(k)为0.14,Ⅱ型分层起始的相对电阻变化(△R/R0)为4.30%。PES膜夹层使碳纤维复合材料Ⅰ型分层的k值增加为4.55。然而,插入绝缘的PES膜后,层合板的电导率由0.24 S/m降低为0.07 S/m。为了在不降低复合材料电导率的前提下,提高其力学性能和分层监测灵敏度,基于以上研究,在PES膜中引入高电导率的多壁碳纳米管(MWCNT),制备了PES/CNT功能膜,实现了碳纤维复合材料层间断裂韧性、抗冲击性能、电导率和分层监测灵敏度的同时提升。结果表明,CNT含量为5 wt%的PES/CNT(P@5CNT)功能膜使碳纤维复合材料的GⅠC,ini和GⅠC,prop分别达到了27.10%和9.79%的最大增幅,使复合材料在20 J冲击能量下的损伤面积减小了 14.90%;CNT含量为10 wt%的PES/CNT(P@10CNT)功能膜使复合材料的GⅡC最大提升了 98.00%。其增韧机理主要是由于相分离结构中PES的塑性变形、CNT的拔出、断裂和桥接提高了裂纹演化的阻力。同时,CNT含量为2.5wt%的PES/CNT功能膜夹层使Ⅰ型分层的k值提高到1.71,使Ⅱ型分层起始的△R/R0增加为20.91%。CNT含量的增加提高了功能膜的电导率,P@10CNT膜的电导率增加到107.96 S/m,其制备的层合板的电导率提高了 62.50%,但也使Ⅰ型分层的k值降低到0.89,使Ⅱ型分层起始的△R/R0降低为6.20%(仍高于对照组)。这也证实了可以通过调整功能膜中CNT含量定制具有不同增韧效果、电导率和分层监测灵敏度的功能膜。针对MWCNT存在易团聚、成本相对较高的问题,在PES中引入低成本、易分散均匀的炭黑(CB),制备了 PES/CB功能膜夹层,实现了碳纤维复合材料的层间断裂韧性、抗冲击性能和分层监测灵敏度的同时提升。结果表明,CB含量为7.5 wt%的PES/CB功能膜使碳纤维复合材料的GⅠC,ini、GⅠC,prop和GⅡC分别提高了 75.50%、78.92%和74.04%;使复合材料在20 J冲击能量下的损伤面积减小了 27.17%。其增韧机制主要是由于PES的塑性变形、CB的拔出消耗了更多的断裂能。导电CB提高了功能膜的电导率,CB含量为10 wt%的PES/CB功能膜的电导率提高到2.39 S/m,其也使层合板的电导率提高了 12.50%。同时,PES/CB功能膜显著提高了碳纤维复合材料的分层监测灵敏度,CB含量为2.5 wt%的PES/CB功能膜使复合材料Ⅰ型分层的k值及Ⅱ型分层起始的△R/R0分别提高到3.26和20.10%。此外,推导了相对分层增量(△a/c)关于△R/R0和电导率(σ)的数学模型,证实了对于具有特定σ的夹层,基于监测的△R/R0值可以预测分层特征尺寸。镀镍碳毡作为金属和非金属杂化材料,具有优异的力学性能和电性能,其作为夹层提高了碳纤维复合材料的层间断裂韧性、抗冲击性能、电导率和Ⅰ型分层过程中的电稳定性。结果显示,低面密度(17g/m2,N17)的镀镍碳毡使层合板的GⅠC,in和GⅠC,prop分别提高74.75%和54.46%。而高面密度(34g/m2,N34)的镀镍碳毡使层合板的GⅡC提高了 36.22%。其增韧机理主要归因于镀镍碳纤维的拔出、脱粘和断裂,以及镍镀层的剥离和断裂。采用实验

关键词： 焊后热处理   ENiCrFe-7   力学性能   腐蚀行为  

摘要： 当今,核电在我国扮演越来越重要的角色,压力容器、稳压器和蒸汽发生器为核电站三大主设备,它们之间通过主管道用焊接方法相互连接在一起,连接点是由不同材料组成的异种金属焊接接头。当焊接接头焊接完毕后,为了消除焊接接头的残余应力和优化接头各材料综合性能,通常要进行焊后热处理。由于ENiCrFe-7堆焊材料在核电苛刻服役环境下的性能对核电站长期运行至关重要,而力学性能和耐腐蚀性能是评价ENiCrFe-7堆焊材料性能优劣的主要依据。结合焊接接头各材料性能实际情况,本论文对焊态和焊后热处理(615℃/16h和615℃/48h)ENiCrFe-7堆焊材料的室高温力学性能、室温腐蚀(晶间腐蚀和耐腐蚀性能)和高温高压水腐蚀行为进行对比研究。研究结果如下:(1)焊后热处理可使ENiCrFe-7堆焊材料析出物、残余应力和枝晶内富(Cr,C)析出相周围Cr含量发生改变。焊后热处理不仅能促使晶界析出物(Nb5Si3和富(Cr,C))的形成,而且促进枝晶间区域内NbC析出物形核和长大。当热处理时间为16h时,枝晶内富(Cr,C)析出相周围的Cr含量和残余应力都降低,晶格畸变降低导致残余应力降低。当热处理时间增加到48h时,不仅枝晶内富(Cr,C)析出相周围的Cr含量明显增加,而且由于析出物的增加,残余应力略有增加,不同热处理ENiCrFe-7试样中的残余应力均为压缩残余应力。(2)焊后热处理可使ENiCrFe-7堆焊材料的强度和延伸率发生变化,强度主要由残余应力与析出物决定,延伸率依赖于枝晶间晶格畸变大小。与焊态相比,当热处理时间为16h,残余应力下降,枝晶间与晶界析出物增加,室温强度有所下降;枝晶间内NbC的析出使枝晶间区域晶格畸变降低,使其与枝晶的形变协调趋于一致,延伸率增加。但当热处理时间延长到48h,残余应力基本不变,枝晶间与晶界析出物进一步增加,室温强度明显增加;枝晶间区域晶格畸变进一步降低,其延伸率进一步增大。随着热处理时间的增加,断裂模式从脆性逐渐转变为韧性。焊态、热处理16h和48h试样的高温强度都比相应的室温强度低,高温延伸率都比相应的室温延伸率高。室温下小冲孔试验与拉伸试验结果相一致,两者力学性能呈现线性关系。(3)不同热处理ENiCrFe-7堆焊材料的晶间腐蚀性能与介质的氧化性强弱有关,在弱氧化性介质中各堆焊材料均具有良好的抗晶间腐蚀性能。但在强氧化性介质中,焊后热处理促使析出物持续析出,导致晶间腐蚀性能发生恶化。当热处理时间为16h,由于晶界富(Cr,C)和枝晶间NbC析出物的析出,ENiCrFe-7堆焊材料的晶界和枝晶间区域腐蚀加重。当热处理延长到48h,由于晶界和枝晶间析出物的进一步析出,晶界和枝晶间区域腐蚀进一步加重。(4)焊后热处理使ENiCrFe-7堆焊材料的表面腐蚀电位和点蚀坑分布发生变化。焊态试样枝晶腐蚀电位高于枝晶间区域的腐蚀电位,枝晶容易被腐蚀;另一方面,焊态试样具有大量分布均匀组织缺陷(成分偏析),极化后点蚀坑均匀分布在试样表面。热处理16h后试样枝晶有严重的贫Cr区,大量点蚀坑聚集。而热处理48h后试样枝晶与枝晶间腐蚀电位较接近,两者腐蚀速率相近,但枝晶间基体内的NbC析出物腐蚀电位远高于基体腐蚀电位,其附近基体优先被腐蚀。(5)焊后热处理对ENiCrFe-7堆焊材料在高温高压水中的腐蚀速率及腐蚀机理影响不明显。当热处理时间为16h,堆焊材料高温高压水腐蚀速率基本不变,但被溶解NbC数量增加。当热处理时间延长到48h时,被溶解NbC数量进一步增加,但对堆焊材料的腐蚀速率影响也不明显。另一方面,ENiCrFe-7焊态及热处理状态试样在高温水中腐蚀增重速率开始较快,随着腐蚀时间增加到2250h时,腐蚀增重速率开始下降,主要原因在于形成了致密氧化膜。氧化膜由双层膜构成,外层主要为Fe3O4和FeCr2O4,而内层为Cr2O3,Ni在腐蚀过程中没有被氧化。

关键词： 粉煤灰   硅灰   轻质陶粒混凝土墙板   力学性能   均匀性  

摘要： 本文从陶粒混凝土轻质墙板本身性能的分布情况以及材料的不均匀性出发,将不均匀性量化作为本文的主要创新点,包括对陶粒混凝土墙板的不均匀性量化分析和陶粒掺量及矿物掺合料对混凝土不均匀性量化分析。使用图像识别分析软件,结合密度分层、超声波速度以及强度等测试方法,从陶粒混凝土轻质墙板整板出发,量化分析整板的骨料,密度,超声波速度以及强度的分布,试验数据可以为墙板在工程实际的运输、施工等提供参考,减少墙板在过程中的损坏等。分析了骨料的最大粒径及掺量对混凝土性能的影响,进而在这个基础上分析粉煤灰和硅灰掺量对混凝土力学性能的影响;量化了封膜养护对墙板的作用大小,为墙板在养护方式选择上提供了依据,可以根据墙板的不同使用情况选择不同的养护方式;量化了骨料掺量以及矿物掺合料对混凝土不均匀性的影响,为墙板在原材料的优化提供参考,进而节约成本,提升墙板的整体性能。通过试验主要得到以下结论:(1)随着骨料粒径的增大,新拌混凝土的扩展度逐渐变大,试样的抗压强度以及劈裂强度降低;试样的干密度、超声波速、抗压强度以及劈裂抗拉强度与骨料掺量呈反比。(2)适量的粉煤灰以及硅灰的单独掺入均可以提升试样的抗压强度以及劈裂抗拉强度;适量的复合掺入粉煤灰以及硅灰对试样强度提升效果优于分别单独掺入。粉煤灰和硅灰可以有效优化其内部结构,使其界面过渡区更加致密,减少试样内部的孔隙及裂缝。(3)建议制作试样时选择较小粒径的陶粒,此时试样的均匀性较好、强度大;当拌合物流动性较强,且选择大粒径陶粒时,应考虑不均匀性的影响;建议拌合物陶粒的掺量应控制在40%左右,此时试样均匀性较好。(4)商用陶粒混凝土轻质墙板存在因陶粒分布不均而产生的性能差异:骨料颗粒面积占比与试样所在的高度呈正比,试样密度、超声波速度以及抗压强度与试样距离地面的高度呈反比;封膜养护可以明显优化墙板的性能分布,使墙板各个参数分布更加均匀,墙板强度可以提升约35%。(5)矿物掺合料可以提高试样的均匀性:从密度以及超声波速角度进行分析,粉煤灰和硅灰可以优化混凝土的均匀性;当水灰比为0.3,使用矿物掺合料时,粉煤灰掺量宜低于20%,硅灰掺量不宜大于5%,当使用两者同时掺入,总掺量宜低于18%。

关键词： 铝   石墨烯   金属基复合材料   力学性能   导电性   微观力学测试  

摘要： 铝芯输电线路因其较低的电阻率和低密度的特性,常用于长距离超高电压的电力输送,是构建国家电网的关键核心材料。因此,对其导电性能和力学性能的优化有助于节能减排和绿色可持续发展,具有极大的经济和社会效益。本博士论文对还原氧化石墨烯增强铝基(reduced graphene oxide,RGO)复合材料作为新型导线材料的应用前景展开了详细讨论,首次深入研究了不同粉末冶金工艺下氧化铝含量、尺寸和形貌,并讨论了氧化铝对铝基复合材料力学性能的影响规律。此外,对冷拔工艺后的RGO-Al复合材料在室温和高温使役条件下的力学性能,以及电学性能进行了详细研究。本研究首先通过在手套箱中的粉末冶金工艺制备纯铝基体材料,实现了对制备气氛的精细控制,有效降低了材料中氧化铝的含量。相较无气氛保护工艺下制备的样品,在保护气氛下制备的材料中氧化铝的含量降低约33%。研究发现,热处理气氛显著地影响了铝基复合材料的微观结构,以及氧化铝增强体的尺寸和形貌,进而影响复合材料的力学行为。在高长径比的氧化铝/铝复合材料中,主要强化机制来源于氧化铝剪切-粘滞的承载效应;而较小氧化铝长径比的纯铝基体材料中,存在Orowan位错机制和承载效应的协同增强。对热轧态的RGO-Al复合材料(氧化铝含量约0.7 wt%,RGO含量约0.6 wt%)进行冷拔后,其强度和导电性分别提高约8.6%和6.5%,突破了传统材料强度-导电性的倒置关系。RGO-Al复合材料丝材表现出良好的强度-导电性的综合性能,约353 MPa的抗拉强度和54%的国际退火铜标准,其可与经过复杂热机械处理的传统铝合金导线相媲美,甚至优于传统铝合金导线。这种性能协同的效果主要来源于铝晶粒变形加工和热处理过程中产生的细长晶粒弱化了单位横截面积晶界的含量。与此同时,RGO和非晶氧化铝在复合材料中的均匀分散,在最小程度牺牲导电性的前提下,实现了基于Orowan强化机制的显著增强效果。最后,采用高温微柱力学测试、热稳定性测试和微观结构分析,对较低氧含量的RGO-Al复合材料丝材进行微观组织-性能关系分析。与传统的高温铝基导体材料相比,复合材料表现出高强、高硬、良好的热稳定性以及制备工艺简洁等优势。

关键词： 石墨烯/镁基复合材料   力学性能   变形机制   分子动力学模拟  

摘要： 镁及镁合金作为最轻的工程结构金属材料,具有许多优异的性能,在航空航天、汽车和医疗等领域具有广阔的应用前景,被誉为21世纪的绿色结构材料。然而,镁及镁合金由于其密排六方的晶体结构,很大程度上影响了其位错运动的滑移系数量,导致其存在塑性变形能力差、高温强度低等缺点,这严重限制了镁及镁合金在各个领域中的广泛应用。研究表明,金属基复合材料能够有效改善金属合金的强塑性。近年来,利用碳纳米管、石墨烯等纳米相增强金属基复合材料取得了丰硕的成果。然而,目前人们对石墨烯增强金属基复合材料力学性能的研究主要集中在面心立方结构的金属材料,而对于具有密排六方结构的镁及镁合金的研究仍然不足。因此,深入理解石墨烯增强镁合金的强化机制,设计和开发高强度高塑性的石墨烯镁基(Graphene/magnesium matrix,GR/Mg)复合材料是目前亟待研究的重要课题。本文采用分子动力学模拟方法,深入研究了石墨烯对金属镁在拉伸载荷下的变形行为和力学性能的影响,阐明了石墨烯嵌入位置对GR/Mg复合材料力学性能的影响规律。本文的主要研究内容和结论如下: (1)研究了GR/Mg复合材料在(11(?)0)方向的拉伸载荷下的力学行为,分析了石墨烯嵌入位置对GR/Mg复合材料力学性能和塑性变形行为的影响。研究发现,石墨烯的嵌入显著提升了金属镁的力学性能,这主要是因为石墨烯的具有很高的杨氏模量和峰值应力。石墨烯嵌入位置对GR/Mg复合材料的杨氏模量和峰值应力的影响较小,但会明显影响GR/Mg复合材料第二峰值应力之后的塑性变形行为。GR/Mg复合材料塑性变形后期的平均流动应力首先随着石墨烯嵌入高度的增加而增加,当嵌入高度达到0.4L时,平均流动应力达到最高,随后又出现了下降趋势。当石墨烯嵌入高度较小时,GR/Mg复合材料的下部分镁基体塑性变形能力较强,而当石墨烯嵌入高度较大时,GR/Mg复合材料上下两部分镁基体的塑性变形能力相当,上下两部分镁基体趋向于发生较为同步的塑性变形行为。 (2)研究了拉伸方向对GR/Mg复合材料力学性能的影响。研究指出,垂直于镁基体基面进行拉伸使得镁基体体内更加难以进行位错的成核与开动,促使复合材料呈现更好的力学性能,且石墨烯的嵌入位置对NGR/Mg复合材料力学性能影响不大。无论石墨烯嵌入高度如何,石墨烯层均对新晶粒的长大起到了阻碍作用。研究表明,新晶粒的不断成核及生长主导了NGR/Mg复合材料的塑性变形阶段。随着新晶粒的形核及生长,原始的石墨烯单晶镁复合材料逐渐演变成多晶复合模型,研究也指出,在本文的载荷条件下,镁基体在塑性变形过程中均发生了从密排六方结构到体心立方结构再到密排六方结构的相变,且该变形行为不依赖于石墨烯的嵌入位置。新晶粒的基面与原始镁基体的基面之间形成了约121.5°的夹角,与拉伸方向形成了58.5°的夹角,这一变化使其施密特因子增大,从而有利于位错的成核与滑移。