Non-transition metal doping, especially for Mg, has been gradually employed to optimize the electrochemical performance of Li-rich cathode material Li2MnO3. However, the effects of Mg doping on the electrochemical behavior of Li2MnO3 have not been studied extensively. In this work, we investigate the effect of Mg doping at both the 2b (in the Li/Mn mixed layer) and 4h (in the Li layer) Li sites on the electrochemical properties of Li2MnO3 through first-principles calculations and ab initio molecular dynamics simulations. The local lattice structure, electronic density of states, Bader charge, delithiation voltage, lattice oxygen stability and Li diffusion kinetics are examined. Electronic structure analysis shows that Mg can activate the electrochemical activity of surrounding Mn by charge transfer, making Mn participate in charge compensation at the initial delithiation stage. Mg doping can also cause an increase in the average oxygen vacancy formation energy and hence depress the oxygen release during the delithiation process. Molecular dynamics simulations show that the diffusion kinetics of Li ions in Mg2b-Li2MnO3 is enhanced with respect to the undoped one, whereas Mg doped at the 4h site cannot improve the diffusion kinetics of Li ions. Further studies found that Mg doped at the 2b site results in a decrease in the energy barrier for the intra-layer diffusion and an increase in the energy barrier for the inter-layer diffusion of the nearby Li vacancies.
通过爆炸焊接工艺制备 Ni/Cu 层状复合板,通过光学显微镜、扫描电镜、电子探针和能谱仪以及拉伸、剪切和硬度实验,研究退火温度对 Ni/Cu 复合板显微组织和力学性能的影响规律.结果表明:随退火温度升高,复合板界面两侧Ni、Cu基体晶粒尺寸增大,界面元素扩散层厚度增加,退火温度为 600℃时,元素扩散层厚度达到 5.82 μm.200℃退火后复合板的硬度分布相比于爆炸态变化不大,退火温度为 400℃和 600℃时,界面硬度(HV1)分别为 65.1 和 66.1,明显低于爆炸态(160.2);爆炸态及 200、400 和 600℃退火后复合板的抗拉强度分别为 351.6、305.9、281.7 和 284.8 MPa,伸长率分别为 2.6%、7.8%、39.1%和 39.4%;退火温度为 400℃时,复合板的剪切强度达到最大值,为 191.3 MPa,比爆炸态提高了 17.5 MPa.
分别采用包套热挤压和热压烧结法制备FeCrNi中熵合金,研究制备工艺对合金组织结构及耐蚀性能的影响.结果表明:采用热挤压工艺制备的FeCrNi中熵合金平均晶粒尺寸为 13 μm,且存在粗大的退火孪晶,而热压烧结工艺制备的 FeCrNi 中熵合金晶粒组织更细小,平均晶粒尺寸为 6 μm.在 0.5 mol/L H2SO4+2×10-6 mol/L HF溶液中,热压烧结FeCrNi中熵合金表现出更好的耐蚀性,即更高的击穿电位(0.979 V)、更低的腐蚀电流密度(7.68×10-6 A/cm2)以及更宽的钝化区ΔE(1.011 V).热挤压FeCrNi中熵合金钝化膜中Cr元素主要以Cr(OH)3 形式存在,而热压烧结FeCrNi中熵合金钝化膜中Cr元素主要以Cr2O3形式存在.这是因为热压烧结FeCrNi中熵合金的细晶组织具有高密度晶界,能够为Cr提供更多扩散通道,从而促进钝化膜中Cr2O3的形成,提高钝化膜的稳定性和耐腐蚀性.
通过热等静压制备 2%Nb颗粒增韧Ti-45Al-5Nb-0.3W(摩尔分数)合金(Nbp/TiAl合金),并于 1280℃热处理 24 h使元素扩散充分,富Nb区转变为层片组织与γ晶粒.在 800、850 和 900℃空气中进行恒温氧化,利用光学显微镜、X 射线衍射、扫描电镜、能谱仪和电子探针显微分析,研究合金氧化前后的物相组成和氧化膜的结构,揭示Nbp/TiAl合金的氧化机理.结果表明:Nbp/TiAl合金在 800、850 与 900℃恒温氧化时的氧化动力学曲线均为抛物线型,在 100 h氧化后单位面积的质量增量分别为 3.32、7.36 和 17.27 g/m2;合金表面均形成了具有保护性的氧化膜,氧化膜为 TiO2/Al2O3/(Al2O3+TiO2+NbO)/(TiN+Ti2AlN+AlNb2)的多层结构,能有效抑制O元素在合金中的扩散,提高合金的抗氧化性能.
以Cr、Co、Fe、Ni单质块体和Cr3C2为原料,采用气雾化法制备预合金粉,通过热等静压法制备CoCrFeNiC0.05 高熵合金,对合金进行热轧和退火处理,结合X射线衍射、金相显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、电子背散射衍射、硬度测试和拉伸性能测试等手段,研究退火处理对粉末冶金CoCrFeNiC0.05 高熵合金热轧板显微组织和力学性能的影响.结果表明:热轧变形后,合金晶粒形态由热等静压的等轴状转变为条带状,织构组态以F织构为主,晶内存在孪晶和亚微米级Cr23C6碳化物.经 800℃退火处理后,合金发生完全再结晶.热轧结合中温退火(500℃)是获得具有良好综合力学性能CoCrFeNiC0.05高熵合金的有效途径,合金的屈服强度为 961 MPa,抗拉强度为 1023 MPa,伸长率为 13.6%.
针对传统 γ-TiAl 合金室温塑性低、难以满足工程化应用的难题,本文提出 Nb 相增塑核壳结构TiAl/Nb复合材料,系统研究了复合材料的制备工艺和力学性能.结果表明:在 200 r/min转速下球磨 120 h可实现细小Nb颗粒对大尺寸 γ-TiAl雾化粉的完全包裹,随后在 40 MPa下,1200℃真空热压 1 h可获得增塑相可控的致密核壳结构组织.制备的 TiAl/Nb 复合材料在室温下的屈服强度为 971.5 MPa,抗压强度为2337.7 MPa,断裂应变为 31.7%,表现出高强度和良好的塑性.这种强度和塑性的协同提高归因于延性β-Nb相促进了基体相之间的协调变形,提高了材料的整体持续变形能力.
采用扫描电镜、X射线衍射、透射电镜和硬度测试等方法,研究热暴露对不同时效态 2A97 铝锂合金微观组织与性能的影响.结果表明:T6 和 T8 态合金经热暴露后物相的种类及形貌变化规律相似,随热暴露温度升高,合金中的θ'相(Al2Cu)粗化且数量减少,T1相(Al2CuLi)向平衡相转变,合金热稳定性变差.与T8 态不同的是,T6 态合金中的强化相除T1相和θ'相外,还有立方相,但该相的强化效果远低于T1相和θ'相.立方相经 200℃热暴露后,数量增多,经 300℃热暴露后,回溶进入基体.故在低温热暴露后T6 态合金的热稳定性优于 T8 态,但在高温热暴露后两种时效态合金的热稳定性基本相当.T8 态合金的硬度显著高于T6 态,经低温热暴露后,T8 态合金的硬度下降幅度大于T6 态,但两种合金高温热暴露后的硬度下降幅度基本一致.
分别以Fe(NO3)3·9H2O和Na2S·9H2O作为Fe源和S源,用镍网(nickle mesh,NM)作为Ni源与支撑基底,采用两步水热法合成Ni3Fe/Ni3S2析氧催化剂,通过X射线衍射、X射线光电子能谱、扫描电镜和透射电镜分析催化剂的显微组织与形貌,用电化学工作站进行电化学性能测试.结果表明:两步水热法合成的Ni3Fe/Ni3S2 催化剂为丰富立体的纳米花形貌,这种形貌可提升催化剂的空间利用率.Ni3S2暴露出高折射率的{210}晶面,与Ni3Fe的(111)晶面产生协同效应,从而提升了催化活性.在 1 mol/L的KOH溶液(25℃)中,10 mA/cm2电流密度下Ni3Fe/Ni3S2/NM的析氧过电位为 229 mV,在 5.35 mol/L的KOH溶液(80℃)中,600 mA/cm2电流密度下的过电位为 335 mV,且经 6000 圈循环伏安法循环后,过电位衰减率仅为 2.39%,说明该催化剂具有良好的析氧性能和稳定性.
以α-Al2O3和氧化钇稳定氧化锆粉体为原料,无压烧结制备致密Al2O3-ZrO2复相陶瓷,在临界电场下进行热处理后,对Al2O3-ZrO2复相陶瓷的微观结构和力学性能进行研究.结果表明:在 900 V/cm的电场下,烧结致密Al2O3-ZrO2复相陶瓷的闪烧起始炉温为 308℃.在炉温为 1200℃、电场为 700 V/cm的条件下,闪烧致密Al2O3-ZrO2复相陶瓷原位合成Al2O3-ZrO2共晶结构.闪烧陶瓷主要分为复相区、过渡区和共晶区 3 个区域.复相区的微观结构与烧结陶瓷相似,形状不规则的Al2O3和ZrO2相均匀分布;过渡区晶粒异常长大,粗大的Al2O3和ZrO2相均匀分布;共晶区则呈现典型的Al2O3-ZrO2共晶结构.共晶区的维氏硬度和韧性分别为 17.94 GPa和 3.51 MPa·m1/2,与采用定向凝固技术制备的Al2O3-ZrO2共晶陶瓷的力学性能相当.
采用简单固相法制备K掺杂O3 型Na0.9-xKxCu0.22Fe0.30Mn0.48O2(x=0、0.05、0.1)正极材料,通过X射线衍射仪、扫描电镜、透射电镜及电化学实验,分析和研究材料的结构稳定性和电化学性能.结果表明:K掺杂可增强材料的结构稳定性,同时Na+的扩散速率和材料的电化学可逆性显著提升.K掺杂使O3→P3相变发生得更早更快,有利于提升O3 型正极材料的能量效率.O3 型Na0.85K0.05Cu0.22Fe0.30Mn0.48O2正极材料具有优异的循环稳定性,在 0.5 C倍率下循环 150 次后容量保持率为 88.6%.K掺杂成本低廉、操作简单,有助于推动稳定的高性能钠离子电池的产业化发展.
选用TiO2、MgO、CaCO3作为矿化剂,在空气气氛下采用常压烧结工艺制备多孔氧化铝陶瓷.研究MgO、CaCO3含量以及保温时间对氧化铝陶瓷室温抗弯强度、烧结收缩率、显气孔率、密度和溶解效率的影响.结果表明:添加MgO、CaCO3矿化剂均能降低陶瓷的收缩率、室温抗弯强度和密度,提高显气孔率和溶解效率.含有MgO的样品在 1320℃/3 h烧结后的收缩率从 1.75%降至 0.21%,显气孔率由 33.49%升至 36.86%;在 1320℃/6 h烧结后的收缩率从 1.88%降至 0.38%,显气孔率从 32.94%升至 35.46%.含有CaCO3的样品在 1320℃/3 h烧结后的收缩率从 0.55%降至-0.50%,显气孔率由 35.47%升至 41.26%;在1320℃/6 h烧结后的收缩率从 1.16%降至-0.21%,显气孔率从 35.96%升至 42.44%.终烧保温时间由 3 h延长至 6 h,含有MgO、CaCO3矿化剂的样品收缩率提高,室温抗弯强度变化不明显,含有MgO的样品显气孔率降低,含有CaCO3的样品显气孔率提高.MgO、CaCO3 能明显提高陶瓷样品的溶解效率,仅含有TiO2矿化剂的样品碱煮(加助溶剂LiF)72 h后质量几乎未变;含有MgO矿化剂的样品碱煮(未加助溶剂)24 h均能完全溶解;含有CaCO3矿化剂的样品碱煮(加助溶剂)72 h后完全溶解.
以MoB粉、Al粉、Y粉和Si粉为原料,利用干磨和真空热压方法,制备掺杂微量Y和Si的MoAlB陶瓷块体,通过X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)及能谱仪(EDS)等对其物相组成和显微组织进行表征,进而测试陶瓷的硬度、断裂韧性、抗弯强度及抗压强度,研究不同掺杂元素对MoAlB陶瓷显微组织和综合力学性能的影响.结果表明:MoAlB 陶瓷主要由 MoAlB、Al8Mo3 和 Al2O3 相组成,掺杂微量 Si和Y元素后,均有新相产生.掺杂Si元素可有效细化MoAlB晶粒,而掺杂Y元素后MoAlB晶粒尺寸略微增大.MoAlB陶瓷具有良好的抗损伤容限,掺杂Si元素有利于提高MoAlB陶瓷的硬度,而掺杂Y则会导致其硬度略微降低.掺杂Si元素有利于提高MoAlB陶瓷的断裂韧性和抗弯强度,而掺杂Y元素会略微降低陶瓷的抗弯强度和断裂韧性;掺杂Y和Si均对提高MoAlB陶瓷的抗压强度发挥积极作用,掺杂Si元素强化效果更好.
推广再生铝合金能减少能源消耗和碳污染,但Fe杂质的超标不利于合金的高效回收.本文通过熔炼铸造法制备不同Y含量(质量分数分别为 0、0.15%、0.30%和 0.60%)的再生 6061 铝合金,采用金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)分析合金的显微组织和物相组成,并测试合金的拉伸和耐腐蚀性能.结果表明,含Y再生铝合金中形成了三元Al2Si2Y相,且α-Al枝晶和α-Al15(Fe,Mn)3Si2(α-Fe)相显著细化,其中w(Y)为 0.30%的合金细化效果最佳.Y的添加可显著提升合金的力学性能,w(Y)为 0.30%的合金抗拉强度(199.2 MPa)最高,w(Y)为 0.60%的合金伸长率(14.5%)最大.除此之外,添加Y还能提高 6061铝合金的腐蚀电位,降低腐蚀电流密度,提高合金的耐腐蚀性.在晶间腐蚀实验中,腐蚀时间相同时,w(Y)为 0.60%的合金腐蚀深度最小.总的来说,w(Y)为 0.60%的再生铝合金兼具良好的力学和耐腐蚀性能,实现了高Fe含量 6061 铝合金的有效回收.
用金属间化合物作为黏结剂的金刚石砂轮在磨削蓝宝石、碳化硅等领域应用广泛.黏结剂与金刚石之间的结合状态直接影响金刚石砂轮的力学和磨削性能.为了研究黏结剂和金刚石的界面结合情况,采用热压法制备Ti-Al金属间化合物黏结剂金刚石磨块,通过多种材料表征方法和摩擦磨损实验研究黏结剂与金刚石之间的界面结合状态和磨块的磨削性能.结果表明:经热压后黏结剂中生成了Ti-Al金属间化合物,且Al在金刚石表面富集从而提高黏结剂对金刚石颗粒的把持力.当烧结温度为 900℃时,黏结剂对金刚石颗粒的把持力最高,磨块的力学性能和磨削性能最优,强度和硬度(HRB)最大,分别为 160.48 MPa和 114.4,磨削蓝宝石的磨耗比为 22.3,蓝宝石表面粗糙度为 1.37 μm.但随着温度的进一步升高,黏结剂的过度氧化会降低磨块的磨削性能.
采用传统固相合成法制备MgF2 掺杂 0.95MgTiO3-0.05CaTiO3(95MCT)微波陶瓷,结合X射线衍射谱、拉曼光谱、X射线光电子能谱、扫描电镜及矢量网络分析等表征技术,系统研究MgF2 掺杂对 95MCT陶瓷烧结温度、晶体结构、微观形貌与微波性能的影响.结果表明:少量MgF2 掺杂能够促进陶瓷晶粒均匀生长,抑制Ti4+离子向Ti3+离子转变,增强[TiO6]八面体中Ti—O键的结合强度,从而使 95MCT陶瓷的品质因子由 30335 GHz提高至 89470 GHz.1225℃烧结的MgF2 质量分数为 1%的 95MCT陶瓷具有优异的综合微波性能:相对介电常数εr 约为 19.74,品质因子Q×f 值约为 89470 GHz,谐振频率温度系数τf约为-10.2×10-6℃-1.
以平均粒径为 55～112 μm的电解树枝状铜粉为原料、用尿素作为造孔剂,添加有机成分黏结剂、溶剂等有机物制备成浆料,采用印刷工艺制备毛细芯生坯,然后脱脂烧结制备厚度为(0.2±0.02)mm的毛细芯,研究铜粉粒径、尿素的加入和浆料有机成分对毛细芯孔隙结构和毛细性能的影响.结果表明,造孔剂尿素的加入可提高毛细芯结构的孔隙率、平均孔径和渗透率,降低毛细力和分形维数.随铜粉粒径从 112 μm减小到 55 μm,毛细芯的孔隙率、平均孔径、孔隙的平均面积和平均周长、分形维数等孔结构参数、以及毛细芯的渗透率和毛细特性参数均下降,分形维数由 1.39 下降至 1.20,但毛细力上升.分形维数与渗透率相关,随渗透率下降,分形维数逐渐减小;毛细特性参数与渗透率成正比,与毛细力成反比.用 112 μm铜粉制备的毛细芯性能最优,其渗透率(K)为 2.02×10-10 m2,毛细力(ΔPc)为 1.29 kPa,毛细特性参数(ΔPc·K)达到2.61×10-7 N.
为了同步改善合金的高温抗氧化性能及物理与力学性能,设计WC-6Co-6Ni、WC-6Co-6Ni-1Cr3C2、WC-6Co-6Ni-1CeO2和WC-12Co-1CeO2等 4 组WC基硬质合金,分别对应 1#～4#合金,对比研究合金的微观结构、物理与力学性能和 700℃连续 16 h的氧化行为.结果表明,CeO2弥散相的存在不会导致WC基硬质合金强度降低,合金硬度遵循复合材料硬度及晶粒度和各相体积分数的耦合作用规律.4 组合金中,4#合金的硬度最高,其次为 2#合金,Co、Ni黏结金属对硬质合金硬度的影响显著.Cr3C2和CeO2添加剂均可显著改善 700℃下合金的抗氧化性能,但Cr3C2的改善效果明显优于CeO2.在WC基硬质合金中添加适量的Cr3C2和CeO2,并用Ni部分替代Co,可实现对合金高温抗氧化性能及物理与力学性能同步改善.
通过第一性原理计算,研究过渡金属(transition metal,TM)元素掺杂氮化钽(Ta7TMN8,TM=Ti、V、Cr、Y、Zr和Hf)的结构稳定性、力学性能和电子结构.根据对结构和稳定性的计算结果可知,所有的掺杂化合物均能量稳定,Ta7TiN8 在能量上比其他掺杂化合物更有利;Y、Zr和Hf的掺入使得TaN晶格和体积膨胀,而Ti、V和Cr则相反.通过对力学性能的计算可知,Ti和V的掺入对TaN的剪切模量、弹性模量和理论硬度有较明显的提升,掺 Cr 对 TaN 的体积模量有一定的提升,但是会大幅降低理论硬度.基于Ta7TMN8 总态密度和分态密度计算结果,费米能级附近存在态密度,表明所有化合物都具有金属性质,由于Ti-3d、V-3d和Cr-3d轨道在费米能级上的贡献比其他TM原子大得多,使得Ta7TiN8、Ta7VN8 和Ta7CrN8具有更高的金属性.
为推动核工业乏燃料回收再利用,满足熔炼核金属用坩埚的多轮次有效服役的要求,本文采用料浆烧结工艺在Nb-5W-2Mo-1Zr(Nb521)合金表面制备一系列双层复合Y2O3涂层,添加微量Si、Mo作增强剂,表面均为纯Y2O3涂层.借助有限元模拟、X射线衍射仪、扫描电镜、能谱仪等手段分析涂层的组织及抗热震性能.结果表明:Nb/Y2O3涂层呈典型的层状结构,由不规则的粉末颗粒相互堆叠而成,基体区、扩散区、过渡层、纯Y2O3层结构分明;有限元模拟计算及实验结果均证明双层梯度涂层可改变应力分布并有效减缓热冲击时材料内部应力的产生,其中,70%Y2O3+22%Nb+6%Si+2%Mo(7022)涂层的最大主应力为163.2 MPa,相较单层Y2O3涂层(313.4 MPa)下降 47.93%.60 次热循环后,7022-Y2O3涂层显微组织致密,无明显缺陷产生,形貌受损最少.
主要研究Ti-55511 钛合金在变形温度为 700～850℃、应变速率为 0.01～10 s-1、真应变为 0.6 条件下的热压缩变形行为.结果表明,Ti-55511 钛合金的流变应力受变形温度和应变速率的影响显著,峰值应力随变形温度降低和应变速率升高而升高.为消除热压缩过程中的温升效应,提高模型的准确性,本文采用新的温度修正方法,即通过Arrhenius方程推导,并利用数学外推法,对实验流变应力曲线进行温度修正,修正结果表明,变形温度越低、应变速率越高,温升和流变应力增量越大.在温度修正的基础上,建立基于应变补偿的 Arrhenius 本构方程,用该本构方程预测的流变应力与实测流变应力之间的相关系数(R2)和平均绝对相对误差(average absolute relative error,AARE)分别为 0.991 和 6.65%,表明用本构方程能够精确地预测不同热变形条件下的流变应力.
