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关键词： 石墨烯   制备方法   电化学   储能   超级电容器   二次电池  

摘要： 综述了石墨烯材料制备方法及其在电化学领域应用的研究进展,对不同制备工艺所用原料、产品的形貌结构和尺寸等进行了对比,并展望了石墨烯材料在超级电容器、二次电池等方面的应用前景。指出如何利用廉价原料,简单工艺实现高品质石墨烯产品生产,并针对不同的电化学储能器件,充分发挥石墨烯特有的结构优势是今后的研究热点。

关键词： 锂离子电池   电池材料   昆明理工大学   材料制备技术   应用电化学   工程技术开发   重点实验室   有色金属冶金  

摘要： “锂离子电池及材料制备技术国家地方联合工程研究中心”是依托昆明理工大学建设的国家级工程技术开发及推广应用平台,实验室主任为张英杰教授。张英杰教授团队自1980年起一直从事应用电化学方面的研究,面向我国能源环保领域重大战略需求,长期服务于地区经济及中国有色金属冶金行业绿色可持续发展,把电化学科学与技术和能源、材料、环保等领域交叉融合,形成了电化学能源、电化学防护和电化学环保三个特色研究方向。致力于推动减污降碳协同增效,实现从基础研究到工程化应用全链条融通发展。已先后获批锂离子电池及材料制备技术国家地方联合工程研究中心、云南省先进电池材料重点实验室、云南省高校应用电化学重点实验室和昆明理工大学-克劳斯塔尔工业大学中德电池创新平台等国家、国际及省部级平台11个。

关键词： 石墨烯   铝基复合材料   制备方法   微观组织   强化机制  

摘要： 具有二维平面结构和优异综合性能的石墨烯已成为铝基复合材料制备的理想增强体之一。本文主要介绍了液态成形法、粉末成形法和复合加工工艺等三大类石墨烯增强铝基复合材料制备技术。通过对不同类型制备技术的原理分析,结合石墨烯增强铝基复合材料的四种强化机制,总结出石墨烯增强铝基复合材料的发展方向应以复合材料的基础理论研究、制备技术的突破和大规模的工业化应用为主。

摘要： 日前，包头稀土研究院杭州分院成功攻克耐磨涂层过渡层用稀土材料制备技术，所合成的稀土改性涂层结合强度好，耐磨性能比单一氧化铝涂层提高2～10倍，在冶金、发电及船舶等行业中的管道、风机叶轮、皮带轮等部件具有广阔应用前景。包头稀土研究院杭州分院从解决包钢金属设备、材料在实际使用过程中摩擦磨损严重等实际问题入手，利用氧化物及合金耐磨陶瓷涂层具有耐磨性能好、涂层与基体材料结合强度高、

关键词： 钛基复合材料   粉末冶金   原位自生   真空烧结   力学性能  

摘要： 钛基复合材料可通过引入增强相有效改善基体的耐磨性和综合力学性能,特别是TiB增强相具有与钛接近的密度和热膨胀系数,可减小热加工过程中的残余应力,避免因温度变化产生裂纹。因此,TiB增强钛基复合材料在钛领域受到广泛关注。粉末冶金制备技术在钛基复合材料成分设计、近终成形、组织调控方面有独特优势,然而钛对氧敏感,临界固溶氧含量低,导致粉末冶金钛制品低氧控制较难,不易实现低温全致密。此外,增强相的引入也会影响复合材料的室温塑性,导致使役性能不理想。虽然目前已采用放电等离子烧结、热等静压等技术提升性能,但会造成生产成本大幅增加,与粉末冶金低成本初衷相背离。为此,本研究采用可工业化生产的技术路线,采用真空无压烧结结合热变形调控,实现了高性能原位自生TiB增强钛基复合材料的低成本制备,系统研究了不同增强相前驱物(ZrB2、CaB6)的引入对钛基复合材料组织物相、室温力学性能和耐磨性的影响规律。依托于本团队的微细低氧钛粉末制备技术,选择低氧高活性HDHTC4细粉为基体原料,以硼粉作为增强相前驱物,在1150℃真空烧结获得原位自生TiB增强钛基复合材料,轧制后样品的氧含量在2200ppm左右,低于ASTM B988-13标准中对粉末冶金TC4合金的规定,轧制态TC4-0.1B抗拉强度为1021.2MPa,延伸率可达10.3%,但当进一步增加硼粉含量以提高强度时,在断口内观察到硼的硬质颗粒。因此,需要寻找提升基体强度的方法及合适的硼源。控制氧含量一直是粉末冶金钛制品的研究热点,然而有研究通过添加TiO2制备出延伸率大于20%的高强纯钛材料,这为提高钛基复合材料的基体强度提供了新思路。考虑到锆、钛元素性质接近,存在连续互溶区,基于此本论文制备了 Ti-xZrO2系列样品,在1100℃烧结120 min后样品的致密度超过99%,Zr、O固溶到钛基体中,而Zr元素可降低钛的相变温度,在一定程度上可以促进钛粉末的烧结致密化。轧制产生的细小再结晶晶粒提高了材料整体变形的能力,大幅度提高材料延展性。Ti-0.5ZrO2的等效氧含量约为0.54%,其延伸率为28%,抗拉强度为736.8 MPa,显示出优异的综合性能。Ti-1.5ZrO2(等效氧含量为0.7654wt.%)的延伸率达到9%,其室温力学性能与ASTMB988中TC4性能相当。对应用最广泛的TC4基体也进行了类似研究,轧制态TC4-0.75ZrO2的抗拉强度达到1180.2 MPa,延伸率7.3%,此时等效氧含量0.5895 wt.%。上述结果为高性能纯钛基、钛合金基复合材料的研究奠定基础,也降低了粉末冶金钛制品对氧的控制难度。针对增强相阻碍钛粉接触,低温烧结致密度低的问题,利用Zr元素可促进烧结致密化的作用,向钛粉中添加前驱物ZrB2,烧结时ZrB2与基体反应原位合成TiB短纤维限制晶粒长大,锆原子取代晶格中钛原子的位置形成固溶体,并促进烧结。轧制后Ti-xZrB2复合材料的平均晶粒尺寸基本在20μm以下,Ti-2.0ZrB2与纯钛相比晶粒尺寸减少了 65.5%,15 μm以下的晶粒约占52%。高细晶比例显著改善了复合材料的室温延展性,Ti-2.0ZrB2延伸率高达21.4%。与已报道的其他硼源相比,添加少量ZrB2即可得到更高强度的钛基复合材料,展现出更好的综合力学性能。计算发现,轧制产生的位错亚结构强化在强度增量中占主导位置。进一步地,探索了添加ZrB2制备强塑性匹配TC4基复合材料的可行性,轧制态TC4-2.0ZrB2的抗拉强度为1153.6 MPa,但延伸率仅4.3%,无法进一步提高增强相含量,改善其耐磨性和硬度,需减少固溶原子含量,特别是间隙固溶氧原子,以提升材料室温延展性。为此,选择CaB6作为增强相前驱物进行TC4基复合材料的制备,既可以避免引入外来固溶原子,钙元素还可与钛基体发生固氧反应,从而原位生成微米级三元钙氧化物和TiB增强相,少量钙元素的引入所带来的固氧作用可显著改善复合材料的室温延展性,且强度也有所提升,轧制态TC4-0.1CaB6、TC4-0.2CaB6样品的延伸率均超过10%,抗拉强度在1150 MPa左右,TC4-0.5CaB6样品仍显示出1227.2 MPa的强度及8.5%的延伸率,综合性能较优,这为3500 ppm以上高氧HDHTC4粉的低值化应用问题提供了解决办法。同时研究了高TiB含量的TC4基复合材料的硬度和室温耐磨性,TC4-12 wt.%TiB的抗拉强度可达1327.6MPa,延伸率2.8%,硬度42.5 HRC,磨损率5.07 × 10-13 m3/(N·m),与传统铸锭冶金TC4相比降低了 33.6%,具有优异的耐磨性。

关键词： 海底电缆   铜铝复合材料   显微组织   有限元   力学性能  

摘要： 铜铝双金属复合材料兼具了铜的优良导电性、导热性和铝的低成本和重量轻的优点，广泛应用在通讯、新能源、电子等领域。铜铝双金属梯度材料是采用一定的复合工艺将纯铜和纯铝两种不同性能的金属实现梯度结合的一种新型复合材料，可应用于焊接用海底电缆过渡接头，具有重要的实际应用价值。本文采用粉末挤压法和固液浇注法分别制备了两种不同规格的海缆焊接用铜铝复合材料，着重研究材料的组织和力学性能。其中，粉末挤压法成功制备了较大直径且具有梯度的铜铝双金属过渡接头材料，并系统地研究了铜含量和热处理工艺对铜铝双金属复合材料组织和性能的影响，归纳了组织与性能之间的关系。另外，采用固液浇注法制备了海缆焊接用铜铝过渡接头材料，系统地研究了液固体积比和镀层厚度对铜铝双金属复合材料组织和性能的影响。主要结论如下：　　粉末挤压法制备铜铝双金属复合材料的研究表明：对于采用铜铝体积比为1∶2、1∶1和2∶1制备的铜铝双金属复合材料中，铜含量对铜铝复合材料的微观组织和力学性能影响较大，随着铜粉末含量的增加，复合材料中铜颗粒的平均聚集尺寸增加，材料的抗拉强度、延展率和显微硬度成呈现上升的趋势。室温环境下，复合材料的最大抗拉强度约为164.9MPa，断裂发生在铜、铝两相的结合处。相比较于固溶时效的热处理工艺，500℃退火2h的热处理工艺可以减少材料变形和裂纹倾向、细化晶粒，最后采用水冷的方式可以保持铜铝双金属复合材料具有较高的抗拉强度和硬度。复合材料拉伸断裂发生在铜、铝与过渡层结合处以及铜铝金属化合物之间。　　基于Abaqus有限元仿真软件对铜铝粉末挤压过程进行仿真受力分析，结果发现：当铜铝体积比为1∶2时，较大应力集中于铜颗粒之间以及粉末颗粒与模壁结合处。随着铜含增加，模型中铜颗粒的最大应力也呈现上升趋势，变形量逐渐增加。　　固液浇注制备铜铝双金属复合材料的研究表明：分别采用两种不同液固体积比和三种镀层厚度在720℃下进行铝液浇注制备铜铝双金属复合材料。当液固体积比分别为8.86和50时，材料均实现有效结合，形成一定厚度的过渡区，过渡区主要有Al2Cu、AlCu和Al4Cu9三种化合物，过渡区厚度呈现增加趋势，材料的性能有所提升。对于不同电镀时间下的铜基体，表面的镀层厚度分别为1.5μm、3.8μm、5.9μm。当镀层厚度为1.5μm时，镀层较薄且不均匀，对铜基体的保护作用较低，导致过渡区较窄;当镀层厚度为3.8μm时，材料结合较好，厚度层均匀，材料的性能最好;当镀层厚度为5.9μm时，镀层较厚且表面较粗糙，过渡区厚度有所减少，材料的性能有所降低。固液浇注制备铜铝双金属复合材料的最佳工艺参数为液固体积比50+电镀25min，在720℃下浇注，此时的镀层厚度为3.8μm，剪切强度为30.3MPa，剪切断裂主要发生在金属间化合物之间。

关键词： 矾土基陶瓷材料   二级矾土矿   长石   铁矿粉   高强度   冷却速率  

摘要： 我国的矾土资源储量位于世界前列,但也面临着供应不足、质量下降、分布不均等问题。矾土基陶瓷材料在工业中有着重要的应用,如石油压裂支撑剂等。通过改变微观结构提升矾土基陶瓷材料的物理化学性能,并提高其被实际应用的可能,拓宽材料的使用范围,使矾土基陶瓷材料能在其应用领域发挥作用,提高生产效率。同时力学性能的提高也可以减少相关原材料资源的使用,有利于自然环境的保护。因此研究矾土基陶瓷材料微观结构对抗弯强度的影响,从而制备出高抗弯强度的陶瓷材料具有重大意义。(1)通过物相分析和综合热分析,研究了本实验所使用的二级矾土矿煅烧过程中的物理化学变化,在此基础上以“锰矿石粉-长石”两种助烧结剂组合为添加剂,制备了抗弯强度最高有147.58 MPa的矾土基陶瓷材料。研究了二元添加剂体系中长石添加量对矾土基陶瓷材料烧结的影响。以“长石-白云石-铁矿石粉-锰矿石粉”四种组合助烧结剂为辅助原料,通过控制烧成温度等工艺参数,研究了四元添加剂体系中长石添加量对矾土基陶瓷材料微观结构以及性能的影响。在1360℃保温烧结30min的条件下,能够制得高抗弯强度的矾土基陶瓷材料,抗弯强度最高可达到183.83 MPa。长石:白云石:铁矿石粉:锰矿石粉=3:1:1:3时,制备出的陶粒支撑剂能够在1390℃完全烧结,闭合压力69 MPa下破碎率达到最低8.2%,酸溶解度7.6%,达到使用要求。(2)通过控制铁矿石粉的添加量,研究了铁矿石粉含量对矾土基陶瓷的微观结构和性能的影响。铁矿石粉的加入成功促进了二次莫来石反应过程,使绝大部分气孔可以在烧结过程中排出。通过控制莫来石晶须的形态和数量,成功地制备了一种高强度的矾土基陶瓷材料,最高抗弯强度为195.87 MPa。当铁矿粉:锰矿石粉=3:6时,在1390℃下,陶粒可完成二次莫来石化反应,达到烧结。闭合压力69 MPa下破碎率最低为5.5%,酸溶解度达到5.2%。配方极低的碱性成分含量有利于降低陶粒的破碎率和酸溶解度。(3)在以二级矾土矿为主要原料,以锰矿石粉和铁矿粉为添加剂制备出高强度陶瓷材料的基础上,研究了冷却速度对矾土基陶瓷材料的相组成、显微结构和性能的影响。通过XRD和SEM分析,冷却速度的降低导致了固溶在莫来石晶格中的Fe3+含量的降低,Fe3+进入液相中与其它碱性氧化物和石英形成的低共熔物,导致莫来石相含量的降低。冷却速率最快时莫来石晶粒为针状,冷却速率最慢时晶粒过度长大为棒状。降温过程中较快的冷却速率可以保持莫来石晶须在试样中增韧的作用,同时使闭合的气孔持续闭合,保持较高的抗弯强度,降温速率越快,材料性能越好。

关键词： 氧化硅   氧化铝   气凝胶   耐高温   纤维复合材料  

摘要： SiO_(2)-Al_(2)O_(3)复合气凝胶(SAA)耐高温性能明显优于纯SiO_(2)、Al_(2)O_(3)气凝胶,可用于1000℃以上高温环境,对高温窑炉、设备隔热保温具有重要意义。本文综述了SAA及纤维增强复合材料的制备技术研究进展,在阐明硅铝复合溶胶水解、聚合机理的基础上,讨论了前驱体种类、干燥方式、水、添加剂等对溶胶胶凝过程及气凝胶微观结构与物化性能的影响,简要介绍了SAA微观结构、高温烧结行为特点及硅铝物质的量比对孔结构及耐高温性能的影响,介绍了基于粉煤灰、煤矸石、高岭土等廉价原料的SAA制备方法,以及基于纳米颗粒组装、冰模板、壳聚糖模板的制备新方法。在纤维增强复合材料方面,介绍了以纤维为分散相、纤维预制体为主体骨架两类复合材料的制备方法及纤维种类(石英、莫来石、碳纤维、纳米SiO_(2)、碳纳米管、氧化锆等)对复合材料力学及耐高温性能的影响。最后梳理了目前复合气凝胶研究中存在的问题,展望了其发展趋势。

关键词： 功能梯度材料   微观组织   梯度界面   金属/金属   金属/陶瓷  

摘要： 航空航天、能源动力等领域高端装备对零部件在多元苛刻环境下的服役性能提出了极高要求,而功能梯度材料作为一种以功能、性能驱动为基础的先进材料,打破了原本耦合在一起的材料性能,允许其中一个或多个性能单独改善,并且使得关键零部件在不同部位具有不同功能与性能成为可能,目前已经展示出了极强的发展潜力。首先介绍了功能梯度材料的梯度特性以及优势,并概述了功能梯度材料的发展情况。其次探讨了目前常用的几种梯度制备技术,主要包括气相沉积、热喷涂、激光增材制造、粉末冶金以及离心铸造等,并针对目前研究热度较高的金属/金属、金属/陶瓷类梯度材料的研究进展进行了总结。最后指出了目前功能梯度材料制备中尚存的关键问题,并对功能梯度材料研究进行了展望。

关键词： 镁基复合材料   液相制备技术   固相制备技术   性能  

摘要： 镁合金具有低密度、高比刚度和高比强度的优点,但其延展性不足及较差的耐腐蚀性严重阻碍了其大规模应用。研究者采用各种技术开发了多种镁基复合材料,开发出的镁基复合材料具有低密度、高强度及良好的耐腐蚀性能。综述了制备镁基复合材料的主流技术及制备的复合材料性能,分析了各种制备技术的优缺点。制备技术包括搅拌铸造、挤压铸造、超声波辅助铸造、等离子喷涂等液相制备技术,以及冷喷涂、粉末冶金、高压扭转和搅拌摩擦加工等固相制备技术。