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关键词： 块体金属   纳米晶材料   制备技术   电沉积  

摘要： 评述了块体金属纳米晶材料制备技术的研究现状;介绍了电沉积法的基本原理及特点,并指出随电沉积法的发展,利用电沉积技术制备块体金属纳米晶材料将展现较强的优势。

关键词： 复层材料   连续铸造   物理外场   凝固  

摘要： 双金属复层材料是利用某种加工技术将两种物理、化学和力学性能不同的合金在界面处实现牢固结合的一种新型复合材料,该类材料通过扬长补短,可以满足不同环境下对材料的特殊要求。制备复层材料的方法主要有轧制复合法、爆炸焊法、扩散焊法、挤压法、喷射沉积法等,近年来连续铸造法制备双金属复层材料技术受到研究者的广泛关注。本文紧紧围绕双金属复层材料铸造过程中界面形成机制这一关键科学问题开展研究,分别以熔点接近的同种材料、熔点差异较大的异种材料、以及有较大界面反应的异种材料三类具有代表性的界面为研究对象,揭示双金属复层材料铸造过程中界面形成规律,并以此为基础开发出两种用于制备双金属复层圆坯的连续铸造新技术。一种是铝／铝复层圆坯的直接水冷连续铸造方法,该技术是通过在外结晶器内部安置水冷内结晶器的方法实现的,首先在与内结晶器的接触区域形成具有一定强度的半固态支撑层,然后将另一种铝熔体从内结晶器中间浇注与外层的半固态支撑层接触,进而实现铝／铝复层圆坯的连续铸造。另一种技术是铜／铝复层圆坯短流程水平连铸技术,即首先将高熔点的铜液冷却,得到具有一定温度的管坯,再使低熔点铝液与铜管内壁接触,通过熔合及元素的扩散使两种金属在界面处实现牢固的冶金结合。 为确定3003/4004铝合金复层材料连铸工艺参数,利用FLUENTTM软件,对内结晶器冷却水强度、3003浇注温度、4004浇注温度以及拉坯速度对复层铸坯连铸过程的温度场、液相率分布及流场的影响进行了数值模拟分析。模拟结果表明：3003/4004铝合金复层圆坯连续铸造过程中,内结晶器冷却水量必须合理选择,冷却水量过小,所形成的半固态支撑层强度不够,容易造成两种金属的混合,冷却水量过大,凝固的合金会将内结晶器包裹住而造成“卡锭”现象的发生,在本实验条件下,冷却水量为700L·h-I时较好;两种金属的浇注温度应该尽量低,但是当浇注温度过低时导致拉坯不顺利;拉坯速度大于70mm/min时两种金属液出现混合现象。同样模拟了铝液浇注温度以及拉坯速度对铜／铝复层铸坯连铸过程中温度场、液相率分布以及速度场的影响。结果表明：铝液的浇注温度控制在合理范围时,对铜／铝复层铸锭的温度场、流场及液相率的分布影响不大,但是铝液浇注温度越高,与铜管接触的铝液温度也就越高,容易造成铝铜之间发生反应;拉坯速度越快,铝液液穴深度越深,液态铝与铜管壁接触时间越长,另外,石墨芯末端附近的铜管壁温度也会越高,高温铝液与高温铜管坯接触,更容易导致铜铝之间的反应;在本实验条件下,拉坯速度为200mm/min时可以获得较好的效果。 在研究直接水冷连续铸造制备双金属复层铸坯的过程中,通过优化设计内结晶器、外结晶器、浇注盘、引锭装置等实验设备,成功制备3003/4004双金属复层圆坯。并对复层铸坯的宏观组织,界面微观组织及元素分布情况进行了系统的考察。实验结果表明：采用直接水冷连续铸造的方法可以制备出界面复合良好的3003/4004双金属复层圆坯;4004熔体以3003凝壳为基底而实现非均匀形核,加之两种金属中溶质间相互扩散,使得两种金属的冶金结合得以实现;两种金属扩散层的平均厚度约为40μm,界面抗拉强度大于106.8MPa。在研究铜／铝复层材料水平连铸过程中,自行设计石墨结晶器、浇注系统、引锭装置等装置,成功制备直径为88mm的铜／铝复层铸坯。并对铜／铝复层铸坯界面的组织结构、元素分布以及界面结合强度等情况进行了考察。实验结果表明：铜／铝复层材料连续铸造稳定阶段,即铜液铸造温度1150±5℃,铸造速度为200mm·min-1,铝液浇注温度为710±10℃,一冷水流量为1.7m3·h-1,二冷水为2.5m3·h-1,该条件下所制得的铜／铝复层圆坯,过渡层内在铜一侧首先为Cu9Al4相,其厚度约为1μm,然后为CuAl2相层,CuAl2+α-Al共晶层,铜铝固溶体,整个金属间化合物过渡层的平均厚度约为200μm;界面结合剪切强度约为45MPa。

关键词： 单向分布钢纤维水泥基复合材料   磁场   纤维方向   抗拉性能   断裂能  

摘要： 钢纤维的掺入使水泥基材料的各项力学性能得到了显著的改善，研究表明钢纤维方向对水泥基材料的力学性能有着很大的影响。从力学意义上讲，钢纤维对水泥基材料最有效的增强状态是纤维方向与主拉应力方向一致或接近，而普通钢纤维水泥基复合材料中钢纤维在水泥基材料中随机乱向分布。为了使钢纤维更加充分地发挥增强、增韧作用，本文研究了制备单向分布钢纤维增强水泥基复合材料的方法，并对制备的单向钢纤维增强水泥基复合材料的力学性能进行了试验研究。 对钢纤维水泥浆拌合物施加磁感应强度均匀、方向一定的磁场，其中钢纤维受磁场力作用发生转动，所有或绝大部分钢纤维的方向与磁场方向一致或接近，硬化后即制备出了单向分布钢纤维增强水泥基复合材料。分析了钢纤维在磁场中的受力及其在磁场作用下的运动状态，确定钢纤维的方向。据此计算钢纤维达到设计方向所需的磁场磁感应强度及磁场作用时间，从而确定制备单向分布钢纤维增强水泥浆的方法。实验研究显示，根据理论方法制备出的单向分布钢纤维增强水泥浆中，90%左右的钢纤维方向与设计方向一致或接近，钢纤维方向系数达到0.95或更高。 从细观力学的角度研究了单向钢纤维增强水泥基复合材料的力学性能，重点考虑了纤维方向对水泥基材料力学性能的影响。首先采用概率方法建立了钢纤维轴拉应力模型，然后根据复合力学理论建立了单向钢纤维增强水泥基复合材料轴拉强度计算模型。通过分析劈拉强度、抗折强度与轴心抗拉强度的关系，推导出劈拉、抗折强度理论表达式。依据复合力学理论将钢纤维的软化曲线与水泥基材料的软化曲线叠加，得到钢纤维增强水泥基复合材料软化曲线，对软化曲线下的面积进行计算得到单向钢纤维增强水泥基复合材料的断裂能。通过劈拉、抗折、断裂能试验，将理论计算与试验结果进行比较，对理论模型进行验证。实验表明，单向分布钢纤维增强水泥基复合材料在抗拉、断裂性能方面都比乱向分布的钢纤维增强水泥基复合材料表现出了明显的优势。

关键词： AlN/Si3N4复合陶瓷   热导率   烧结助剂   热压烧结  

摘要： 随着科技和信息飞速发展,对半导体芯片等电子设备和配套材料提出的要求也越来越高。Si3N4陶瓷具有良好的力学性能,与AlN相近的理论热导率、与Si相近的热胀系数以及电绝缘良好、无毒等特点,被认为是一种很有潜力的高速电路和大功率器件的散热和封装材料。论文将导热性能好的AlN陶瓷与Si3N4陶瓷复合,研究了一种高热导率AlN/Si3N4复合陶瓷,该复合材料具有良好的力学性能。 本文系统地研究了烧结方法、烧结温度以及烧结助剂的种类和含量对AlN/Si3N4复合陶瓷致密度、热导率、弯曲强度及介电性能的影响。采用N2保护下的无压烧结、气压烧结和热压烧结三种烧结方法,在相同烧结温度和保温时间的条件下,试样的相对密度、弯曲强度和热导率均有显著的增加,材料的介电常数的变化不大,其中采用热压烧结制备的样品,当烧结温度达到1750℃时,制备的AlN/Si3N4复合陶瓷的相对密度达到93.7%,弯曲强度为372GPa,热导率为33W.m-1-K-1,介电常数8.14。当复合材料中AlN的含量为20wt.%时,以La203作为烧结助剂,采用热压烧结的方法,在1750℃、30GPa压力下烧结制备的AlN/Si3N4复合陶瓷的相对密度达到98%,弯曲强度为387GPa,热导率为35W.m-1.K-1,综合性能最佳。 论文研究了不同组分AlN/Si3N4复合陶瓷的微观结构和性能。结果表明,随AlN含量的增加,材料的致密度先升高后下降,主要原因是添加少量AlN时,促进了复合材料的烧结致密化,但是当AIN含量进一步增加时,形成了a-sialon和β-sialon相,由于晶界相的增加导致材料的致密度下降。当AlN含量为15wt.%时,材料的相对密度达到了99.5%;随着AlN含量的增加,复合陶瓷的抗弯强度和热导率均降低,主要原因在于材料致密度的下降。当AlN含量为15wt.%时,材料的热导率为32W.m-1.K-1,弯曲强度为385MPa,而当AlN含量为30wt.%时,材料的热导率仅为29W·m-1·K-1,弯曲强度仅有345MPa。

关键词： 复层材料   铝锂合金   界面   热处理  

摘要： 金属复层材料是将两种或两种以上的金属材料通过一定的加工工艺复合在一起形成的一种新型复合材料,通过互补效应获得单一材料所不具备的性能,可以满足某些特殊环境下对材料的要求。在各种制备复层材料的方法中连续铸造复合方法由于可以提高产品生产效率,可以降低污染,同时又具有界面结合强度高和成本低等优点而越来越受到人们广泛的重视。然而,目前应用连续铸造方法制备的复层材料主要为普通商用铝合金以及铜合金等,未见用于制备超轻铝锂合金复层材料的报道。 本文利用自行设计制作的双金属复层材料静态模拟设备来模拟连续铸造过程制备3003铝锰合金/8090铝锂合金复层铸坯。为了确定复层铸坯的制备工艺,首先进行3003合金单侧拉坯实验,获得可以形成尽量薄又具有足够强度的半固态凝壳的工艺参数,随后采取正交试验的方式对各项工艺参数对复层铸坯制备制备过程中的影响进行分析,得到最佳的制备3003/8090铝合金复层铸坯的工艺参数,并以此参数成功制备出具有良好界面结合质量的尺寸为150mm×120mm×100mmm的复层铸坯。 采用金相显微镜、电子探针、显微硬度仪、拉伸试验机等设备对3003/8090复层界面的微观组织、成分分布、显微硬度分布以及界面结合强度等性能进行分析研究,研究结果表明复层界面清晰平直,没有气孔、夹杂等缺陷。8090合金液以3003合金半固态凝壳为异质形核基质进行非均匀形核并以平面生长方式在界面处形成一层厚度约为50μm的初生α-Al过渡层。界面处两种合金中的溶质元素存在相互扩散现象,扩散层的厚度约为80μm,两种合金之间以扩散结合的方式实现了良好的冶金结合,界面的结合强度大于101MPa。 通过对热处理后的复层试样进行分析发现热处理可以同时强化两侧铝合金及界面而不产生有害的影响。采用电子探针、透射电镜等设备对热处理强化的机制进行分析研究,结果表明3003合金的强化机制为固溶强化,8090合金的强化机制为固溶强化与析出强化共同作用,界面处的强化机制为固溶强化。

关键词： 超高强水泥基复合材料   优化   耐久性   正交试验   流动度   配合比  

摘要： 现代建筑工程对水泥基材料的要求日益提高，促进了超高强水泥基复合材料的问世和发展。超高强水泥基复合材料优化了内部结构的组成，改善了耐久性，减小了收缩，抗渗、抗冻、抗碳化性能提高明显，进而大大提高了建筑物的使用寿命。且各种工业废渣作为矿物掺合料的使用减少了对资源的消耗，减小对环境的污染，节省了建筑成本，符合国家可持续发展战略。超高强水泥基复合材料强度高，耐久性和可靠性更好，能有效减轻结构自重，使结构安全性和适用性得到满足，同时又具有良好的效益。因此，超高强水泥基复合材料受到越来越多地国家的重视和关注，渐渐成为了水泥基材料发展的新方向，发展前景不可估量。 本文基于正交试验，先初步研究了砂胶比、水胶比、硅灰掺量、钢纤维掺量和砂粒径范围对超高强砂浆流动度和力学性能的影响，通过极差和方差分析，确定各因素影响程度的大小，为超高强砂浆的制备提供指导。对超高强混凝土进行研究，更加详细的研究了水胶比、胶凝材料总量以及矿物掺合料掺量对超高强混凝土抗压强度、耐久性等方面的影响，运用极差和方差分析，确定各因素影响程度大小，并得出最佳配合比参数，为现代建筑工程中超高强混凝土的大规模应用奠定坚实基础。 研究表明：1）水胶比对超高强砂浆流动度影响最大，而钢纤维掺量对超高强砂浆抗折、抗压强度影响非常显著;2）综合考虑流动度及强度要求，超高强砂浆最佳配比为：砂胶比1.1、水胶比0.2、硅灰掺量10%、钢纤维掺量2%、砂粒径范围0.3-2.36mm;3）水胶比对超高强混凝土后期（28d、56d）强度影响程度最大，各龄期水胶比都是显著因素，超高强混凝土随水胶比增大，其抗压强度逐渐减小;水胶比越小，混凝土抗氯离子渗透性能力越强，抗碳化性能越好。4）矿物掺合料掺量对超高强混凝土早期（3d、7d）强度影响程度最大，在早期是特别显著或显著因素，后期变为不显著因素，矿物掺合料掺量对超高强混凝土的后期强度起着促进作用;矿物掺合料掺量由30%到50%时，混凝土抗氯离子渗透能力与抗碳化性能均先增强后减弱;5）胶凝材料总量对超高强混凝土各龄期强度的影响均是不显著因素，且在各因素中都是影响程度最小的因素;胶凝材料总量适当增加能增强混凝土抗氯离子渗透能力和抗碳化性能，但胶凝材料总量过大时又会减弱混凝土的抗氯离子渗透能力;6）综合考虑混凝土强度及耐久性要求，超高强混凝土最佳配比为：水胶比0.24，胶凝材料总量600kg/m3，矿物掺合料掺量40%。

关键词： 金属-块石复合遮弹材料   成型工艺   抗侵彻性能  

摘要： 研究了宏观组合型金属-块石复合遮弹材料的结构组成,并探讨分析了浇注成型工艺和粘结成型工艺,通过抗侵彻试验研究了金属-块石复合遮弹材料的抗侵彻性能,分析了芯材强度和弹速对抗侵彻性能的影响,并与高性能混凝土的抗侵彻性能作了对比分析,结果表明,宏观组合型金属-块石复合遮弹材料具有优异的抗侵彻性能。

关键词： 铁尾矿   激发   碱熔   硅铝活性   强度  

摘要： 随着矿山业的发展，尾矿堆积数量越来越大，尾矿带来的环境安全也越来越多，尾矿的环境安全问题已受到社会各界的广泛关注。随着经济的发展，水泥需求量也越来越大。利用铁尾矿制备充填胶结材料不但解决了铁尾矿带来的环境安全问题，也缓解了水泥带来的环境问题。本论文以河北省黑山铁尾矿为研究对象，通过不同的方式激发铁尾矿的活性，探讨应用铁尾矿制备胶结充填材料的可行性。论文采用XRF、XRD、SEM试验手段，系统的研究了铁尾矿的基本特性，通过不同的激发方式，研究铁尾矿硅铝活性的激发效果，制备出符合要求的充填胶凝材料，得出了以下结论： 通过铁尾矿基本特性研究，得到铁尾矿中硅含量为11.82%，铝含量为6.44%。铁尾矿中硅、铝含量不高，属于低硅铁尾矿;铁尾矿的主要物相为斜绿泥石、绿泥石、镍绿泥石等，硅、铝元素主要存在于斜绿泥石、绿泥石、镍绿泥石中;通过微观结构分析，得出铁尾矿原样呈不规则的片状结构，这些片状结构表面较为粗糙，孔隙率较大，质地非常疏松，胶凝性不佳，颗粒大小分布不均匀，且粒度大小不一，不利于水化反应。 通过碱溶浸出试验得到，铁尾矿原样中硅的浸出溶度为282ug/mL，铝的浸出溶度为29.4ug/mL;热力学活化的方式不能提高铁尾矿中硅、铝的活性，在不同煅烧温度、煅烧时间下，硅、铝的浸出浓度有略微变化，但活化程度非常低;碱熔提高铁尾矿硅、铝活性的方式能有效的提高铁尾矿中硅、铝的活性。 通过单因素试验研究了NaOH/铁尾矿质量比对碱熔提高铁尾矿硅、铝活性的影响，试验表明随着两者质量比不断增大，硅、铝的浸出浓度也随着增加;当质量比到达1.1时，硅、铝的浸出浓度达到最大。 通过碱熔正交试验研究表明：铁尾矿高温碱熔活化提高硅、铝活性的效果影响的主次为C（NaOH/铁尾矿质量比）＞B（煅烧时间）＞A（煅烧温度）;因素A、因素B对高温碱熔提高铁尾矿硅、铝活性的影响均不显著;因素C对高温碱熔提高铁尾矿硅、铝活性的影响显著;碱熔提高铁尾矿活性的最优组合为煅烧温度为350℃，煅烧时间为60min，NaOH/铁尾矿质量比为1.1。通过双因素方差分析试验研究了NaOH/铁尾矿质量比、NaNO3/铁尾矿质量比对提高铁尾矿硅、铝活性的影响。试验结果表明盐熔试验不能明显提高提尾矿硅、铝影响活性;NaOH/铁尾矿质量比、NaNO3/铁尾矿质量比对提高铁尾矿硅活性影响均不显著，NaOH/铁尾矿质量比对提高铁尾矿铝活性影响不显著，NaNO3/铁尾矿质量比对提高铁尾矿铝活性影响显著。 通过胶砂强度试验，铁尾矿原样和热力学活化后的铁尾矿制备的试件没有强度，盐熔活化后的铁尾矿制备的试件平均强度为0.85MPa，而碱熔活化后的铁尾矿制备的试件平均强度达到了8.13MPa。

关键词： 多孔金属   多孔材料   制备工艺  

摘要： 概述多孔金属材料几种制备工艺的原理及方法,包括熔融制备法、粉末烧结法、沉淀法、选区激光烧结等方法,简述各方法的应用范围及优缺点。同时简述了现阶段多孔金属材料制备工艺的研究重点及热点问题和应当采取的措施。

关键词： 高介电常数   栅介质   掺杂   制备技术  

摘要： 随着半导体器件特征尺寸的不断减小,传统SiO2栅介质减薄到1 nm以下时会导致栅极漏电流增大、器件可靠性下降等诸多问题,已无法满足CMOS技术长远发展要求。因此,寻求替代SiO2的新型栅介质材料,减少器件的隧穿电流,提升可靠性成为CMOS技术的发展方向。如何制备化学性质稳定、性能优异的栅介质薄膜成为高k栅介质材料亟待解决的问题。论述了理想高k栅介质材料的基本要求,重点介绍了高k栅介质材料制备技术的研究进展,并分析指出了高k栅介质材料制备技术的未来发展趋势。