钒微合金钢中α-Fe/V4C3界面结构与稳定性的第一性原理计算

为了探讨α-Fe/V₄C₃的界面稳定性,利用第一性原理平面波赝势方法优化(100)_α-Fe/(100)_V4C3三种不同原子堆积序列(Fe-on-C,Fe-on-V和Bridge)的界面构型。通过界面分离功分析α-Fe/V₄C₃界面的结构稳定性,计算三种构型的界面分离功分别为4.29,1.43,2.70 eV,分离功越大表明界面稳定性越强,在α-Fe中析出的V₄C₃主要以Fe-on-C构型存在,其界面稳定性最强。通过态密度,差分电荷密度和电子局域化函数研究α-Fe/V₄C₃的电子结构性质。结果表明：在Fe-on-C构型中,界面处Fe原子存在电荷贫化区,丢失的电荷转移到界面处,由于C原子具有强电负性,在界面处形成较强的混合离子/共价键,并且Fe和C原子的键合作用明显强于Fe和V原子。通过总态密度和分波态密度发现,Fe-d轨道与C-p轨道在－4.5~－2.5 eV的区域内发生电子轨道杂化,形成Fe—C共价键。     

基体合金元素对SiC/Al界面结合影响的第一性原理及实验研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理及实验相结合的方法, 探讨了Al基体中分别掺杂Mg、Si、Cu合金元素对SiC/Al界面结合的影响, 重点考察了合金元素在界面偏聚时的电子结构和成键情况。研究表明: 在未掺杂Al/SiC体系界面结构优化时, 以Si原子为终止面的Brigde结构是最稳定的结合方式; 当合金元素分别替换界面处的Al原子后, 界面处原子的分波态密度、Muliken电荷及成键原子集居数等电子结构参数均有不同程度的变化, 这不仅增加了界面处 Si与Al原子结合, 同时也增强了界面处和亚界面处的Al基体和SiC增强相原子之间的相互作用, 使体系更加稳定, 界面黏着功均有不同提升; 其中掺Mg提升效果最明显, 其次为掺Cu和掺Si; 利用第一性原理计算的掺杂Al/SiC体系黏着功和实验值较为接近且变化规律相同。     

铝合金熔体氧化制备Al2O3 / SiC/ Ni/ Al-Si多相模糊界面陶瓷基复合材料

针对Al₂O₃ / Al 复合材料中金属相Al 对其高温性能的不利影响, 本试验在高温下将铝合金熔体氧化渗透到注浆成型的SiC/ Ni 多孔预制体中, 制备了Al₂O₃ / SiC/ Ni/ Al-Si 多相陶瓷基复合材料。借助光学显微镜、电子显微镜(SEM) 、X 射线衍射仪(XRD) 、波谱仪( EDS) 等手段分析了预制体和复合材料的相组成、微观结构及界面特征。结果表明, 复合材料的主晶相为Al₂O₃ 与SiC , 相间存在Al (Si) 复合氧化物、NiAl₂O₄ 及Ni 与Al-Si 合金相, 各相界面处成分呈连续过渡变化趋势, 构筑了具有模糊界面特征的多相复合材料。      

金刚石/Al(或AlSi合金)复合材料性能衰退及抑制

采用气体压力浸渗法制备了金刚石/Al、金刚石/AlSi7和金刚石/AlSi9复合材料,对比研究了其暴露在空气中的性能衰退行为。研究表明,界面反应产物Al₄C₃会潮解生成Al（OH）₃,增大界面热阻,导致金刚石/Al复合材料性能衰退。Al基体中添加Si元素可以显著降低其性能衰退速率,其机制为:金刚石中C元素在Al液中溶解度的降低和Si在金刚石颗粒表面的优先析出,抑制了Al₄C₃的生成量;此外,金刚石/AlSi复合材料致密度的提高,对Al₄C₃与水汽的接触起到阻碍作用。讨论了抑制金刚石/Al复合材料性能衰退的几种可行方法,有望进一步提高其在潮湿环境中的使用寿命。      

燃烧合成ZrB2 / Al2O3 复合粉体及其界面分析

采用燃烧还原合成技术, 以还原体系(B₂O₃ + ZrO2 + Al) 为反应体系制备了ZrB₂ / Al₂O₃ 复合粉体。利用X射线衍射(XRD) 、X 射线光电子能谱(XPS) 和透射电镜( TEM、HRTEM) 对复合粉体的物相组成、化学组成及界面结构进行了表征分析。结果表明, 复合粉体中存在Zr 、B、Al 和O 元素且它们分别以ZrB₂ 和Al₂O₃ 为主要存在形式, ZrB₂ 和Al₂O₃ 为复合粉体的主晶相。复合粉体中有少量ZrO2 的存在, 分析认为是合成反应过程中未参加反应的ZrO2 。ZrB₂ 和Al₂O₃ 颗粒间形成了结合良好的界面, 这主要与ZrB₂ 的结晶过程有关。      

界面反应产物对B4C/Al复合材料颗粒润湿性及界面强度的影响机制

采用搅拌铸造法制备了B₄C/Al复合材料,利用实验分析结合第一性原理计算的方法,探讨了界面反应产物Al₃BC和TiB₂对B₄C/Al复合材料颗粒润湿性及界面结合强度的影响机制。结果表明,界面反应产物为Al₃BC时,B₄C颗粒润湿性没有得到实质性改善,存在明显的颗粒团聚现象,界面结合强度较低且过度的界面反应使B₄C颗粒分解损耗严重,导致B₄C颗粒增强效果不明显;而通过添加Ti元素使界面反应产物为TiB₂时,颗粒润湿性明显改善,B₄C颗粒团聚现象显著减少,界面结合强度较高,力学性能得到显著提高。这主要是由于不同终端的Al（111）/TiB₂（0001）界面黏附功均大于Al（111）/B₄C（0001）的界面黏附功,表明界面反应产物TiB₂可以提高B₄C颗粒的润湿性,而界面反应产物Al     

多孔Al2O3f/Al2O3复合材料研究进展

作为20世纪90年代兴起的一类连续陶瓷纤维增强陶瓷基复合材料,连续氧化铝纤维增韧氧化铝(Al₂O_3f/Al₂O₃)复合材料已经发展为与C_f/SiC、SiC_f/SiC等非氧化物复合材料并列的陶瓷基复合材料。以多孔基体实现基体裂纹偏转成为Al₂O_3f/Al₂O₃复合材料主要的增韧设计方法,形成的多孔Al₂O_3f/Al₂O₃复合材料具有优异的抗氧化性能和高温力学性能,可在高温富氧、富含水汽的中等载荷工况中长时服役,是未来重要的热结构材料。经过近30年的发展,多孔Al₂O_3f/Al₂O₃复合材料已被应用于航空发动机、燃气轮机等热端部件。本文综述了多孔Al₂O_3f...     

Al-Ti合金钎焊SiC陶瓷接头界面微观结构与力学性能

SiC陶瓷具有优异的综合性能, 通过钎焊获得高强度接头是其获得广泛应用的重要前提。研究采用Al-(10, 20, 30, 40)Ti(Ti的名义原子含量10%、20%、30%、40%)系列合金, 在1550 ℃条件下, 对SiC陶瓷进行钎焊30 min。当中间层厚度为~50 μm时, SiC钎焊接头的平均剪切强度处于100~260 MPa范围内。当采用Al-20Ti合金作为钎料时, 随着中间层厚度从~100 μm减小至25 μm, 钎焊接头的平均强度逐渐提高, 且最大强度~315 MPa。同时, 钎焊中间层中(Al)相逐渐减少直至消失, 只留下Al₄C₃、TiC和(Al,Si)₃Ti相。SiC/Al-20Ti/SiC钎焊接头的断裂主要发生在靠近中间层/陶瓷界面位置的陶瓷基体内。     

石墨表面化学镀Cu对天然鳞片石墨/Al复合材料热物理性能的影响

对天然鳞片石墨（GF）进行化学镀Cu的表面处理,对化学镀Cu石墨（Cu-GF）和Al粉采用真空热压的工艺制备出镀Cu石墨/Al（Cu-GF/Al）复合材料。研究了Cu-GF/Al复合材料的微观结构和微观界面,同时也研究了Cu-GF对Cu-GF/Al复合材料热导率和抗弯性能的影响。结果表明,GF上的Cu层能抑制界面脆弱相Al₄C₃的产生,使Cu-GF/Al复合材料的抗弯性能有了显著提升。当Cu-GF体积分数从50%增加到70%时,Cu-GF/Al复合材料的抗弯强度也从104 MPa降低到74 MPa。当GF体积分数为70%时,Cu-GF/Al复合材料的热导率达到最高值为522 W/（m·K）。     

SiCP/ZL 109 复合材料中SiC 的界面行为

以常规TEM 为工具, 研究了SiCP/ ZL 109 复合材料中数十个SiC 颗粒及其界面,Si 优先在SiC 表面上形核、长大, 形成界面Si, 并形成大量SiC/S i 界面。靠近SiC 界面的Al 基体中, 普遍存在一层厚度小于1Lm 的“亚晶铝带”, 其内有大量位错。SiC 与Al、SiC 与Si 之间虽然没有固定的晶体学位向关系, 但是存在下列优先关系: (1103) _SiC//(111)_Al, [1120]_SiC//[110]_Al; (1101) _SiC//(111) _Si; [1120]_SiC//[112]_Si。      

Study of the densification of a nanostructured composite powder: Part 1: Effect of compaction pressure and reinforcement addition

Al/Al₂O₃ composite coating was prepared by plasma spraying and characterized by XRD and SEM. Some thermal–mechanical properties of the composite coating including thermal diffusivity, microhardness, fracture toughness and sliding wear rate were measured. The results showed that the Al/Al₂O₃ composite coating, compared with Al₂O₃ coating, exhibits denser structure and developed splat interface. The coexistence of Al metal phase and Al₂O₃ ceramic phase effectively increased the fracture toughness and thermal diffusivity of composite coating, in spite of the slight decrease in microhardness. Furthermore, the wear resistance of Al/Al₂O₃ composite coating is superior to that of Al₂O₃ coating.     

Formation of MgAl2O4 in Al2O3-(Al-4wt.%Mg) composites

The Al₂O₃ particles are introduced into the Al-4wt.%Mg melt by the “vortex” method. After being cast, Al₂O₃-(Al-4wt.%Mg) composites are remelted at 700, 750, 800 and 850°C for different residence times to investigate the formation of MgAl₂O₄ (spinel).

The results show that MgAl₂O₄ is the unique interface of the Al₂O₃-(Al---Mg) composites held at 700–850°C. Fine MgAl₂O₄ crystals grow on the surface of the Al₂O₃ particle but, as the holding temperature and the residence time increase, some spinels will form themselves into pyramidal shape. The MgAl₂O₄ grows not only at the matrix-particle interface but also on the surface of the composite specimens. The formation reactions of interfacial MgAl₂O₄ are as follows: Mg(1) + 2Al(1) + 2O₂(g) = MgAl₂O₄(s)3Mg(1) + 4Al₂O₃(s) = 3MgAl₂O₄(s) + 2Al(1) Both of them are equally important.     

ZrO_2增韧Al_2O_3陶瓷的力学性能和增韧机制

对通过热压烧结法制备的3种陶瓷99.5vol%Al2O3(AD995)、ZrO2(15vol%)/Al2O3和ZrO2(25vol%)/Al2O3的力学性能和增韧机制进行了实验和理论研究。基于复合材料细观力学理论并考虑ZrO2的相变特性,建立了描述ZrO2/Al2O3陶瓷力学性能的本构模型。结果表明:ZrO2的加入细化了基体Al2O3晶粒,ZrO2/Al2O3陶瓷的致密性得到提高;3种陶瓷试件的破坏呈现小变形到脆性破坏的特点,压缩加载下试件应力-应变曲线近似为线性关系;AD995陶瓷的断裂韧性为5.65 MPa·m1/2,ZrO2(25vol%)/Al2O3陶瓷的断裂韧性为8.42 MPa·m1/2,提高了近50%;随ZrO2增韧相含量的增加,ZrO2/Al2O3陶瓷的弹性模量降低而断裂韧性增加,这一变化趋势与实验结果有良好的一致性。     

Al2O3/BaZrO3双陶瓷界面微观组织演化及机理

以Al₂O₃为背层(硅溶胶为粘结剂), 电熔BaZrO₃作为面层材料(钇溶胶为粘结剂), 1550℃烧结后制成50 mm×25 mm×5 mm的Al₂O₃/BaZrO₃双陶瓷试样。通过光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)和EDS等手段观察了BaZrO₃层和Al₂O₃/BaZrO₃界面的显微结构, 研究了BaZrO₃与Al₂O₃的界面反应。结果表明, 面层由BaZrO₃基体和分布其上的大小10 μm左右的Y稳定的ZrO₂晶粒组成; Al₂O₃/BaZrO₃界面发生反应形成厚约300 μm的过渡层, 界面反应生成物有BaOAl₂O₃、ZrO₂和BaO·Al₂O₃·2SiO₂。界面从单纯的BaZrO₃/Al₂O₃双陶瓷结构演变为BaZrO₃、ZrO₂、BaO·Al₂O₃、BaO·Al₂O₃·2SiO₂和Al₂O₃等多种物相组成的复杂结构。反应过程中Al元素基本不迁移扩散, BaZrO₃中Ba元素向Al₂O₃所在的位置扩散形成BaO·Al₂O₃, 残留物形成一层条状ZrO₂, 而BaO·Al₂O₃·2SiO₂围绕着EC95(Al₂O₃+5%SiO₂)粉体颗粒周围生成。     

Characterization and microstructural evolution of SiC(OAl) fibers to SiC(Al) fibers derived from aluminum-containing polycarbosilane

The SiC(OAl) fibers and the SiC(Al) fibers were fabricated by the use of aluminum-containing polycarbosilane (Al–PCS) precursor. The two types of fibers have been characterized. Chemical element analysis, AES, SEM, XRD, RMS and NMR have been employed. The chemical formula of SiC(OAl) fibers is SiC_1.31O_0.25Al_0.018 with C and O rich on the surface. The microstructure of SiC(OAl) fibers is a mixture of β-SiC nanocrystals, free carbon, and an amorphous silicon oxycarbide (Si–C–O phase), which have been confirmed by an amount of SiC₂O₂, SiCO₃, SiO₄ and SiC₃O units in the ²⁹Si MAS NMR spectrum. A small quantity of aluminum is embedded uniformly in the Si–C–O amorphous continuous phase. For SiC(Al) fibers, nearly stoichiometric composition was confirmed as chemical composition of SiC_1.03O_0.013Al_0.024. The fiber is composed of a large number of β-SiC crystallites, a small amount of -SiC crystalline and SiC amorphous phase. The aluminum in the SiC(Al) fibers mainly exists in two manners: Al–C bonds connected with the surfaces of the β-SiC grains and Al–O bonds, or Al₂O₃, to the amorphous phase.     

Transmission electron microscopy of annealed a-Si1−xCx:H/Al films with different Al grain sizes

The crystallization behavior of a-Si_1−xC_x:H/Al films after annealing has been investigated by transmission electron microscopy and Raman scattering. It is found that the crystallization process is complex and non-uniform, and that both equiaxial and branching Si grains with many twins and stacking faults arise at annealing temperatures as low as 250 °C. Both fine polycrystalline β-SiC grains and fractal-like -SiC aggregates are first observed in a few regions in a-Si_1−xC_x:H/Al films annealed at 350 °C. The increase of the Al grain size can cause a decrease in the crystallization temperature and a rise in the grain growth rate of Si. At higher annealing temperatures, the reaction process SiC+Al→Al₄C₃+Si is predominant.     

SiC_P/Al基复合材料在等径角挤扭变形中的界面原子扩散行为

为了研究金属基复合材料在剧烈塑性变形(SPD)过程中增强颗粒与金属基体的界面连接机制,通过等径角挤扭(ECAP-T)工艺在较低温度下制备块状10wt%SiCP/Al基复合材料,并对经过1、2和4道次ECAP-T变形的SiC颗粒与纯Al之间的界面反应以及元素扩散进行了研究。通过TEM和XPS研究了界面和元素扩散,结果表明:即使在较低的外界制备温度下,Al和SiC颗粒表面的SiO2层也能够发生反应,形成主要由Al2O3组成的界面层。相比理论计算值,ECAP-T变形可以将Al的扩散系数提高约1016倍,增强扩散的原因主要是ECAP-T变形促使界面温度升高,且在铝基体内产生空位、位错和晶界等高密度晶格缺陷。     

Microstructures, densification and mechanical properties of TiC–Al2O3–Al composite by field-activated combustion synthesis

Dense TiC–Al₂O₃–Al composite was prepared with Al, C and TiO₂ powders by means of electric field-activated combustion synthesis and infiltration of the molten metal (here Al) into the synthesized TiC–Al₂O₃ ceramic. An external electric field can effectively improve the adiabatic combustion temperature of the reactive system and overcome the thermodynamic limitation of reaction with x < 10 mol. Thereby, it can induce a self-sustaining combustion synthesis process. During the formation of Al₂O₃–TiC–Al composite, Al is molten first, and reacted with TiO₂ to form Al₂O₃, followed by the formation of TiC through the reaction between the displaced Ti and C. Highly dense TiC–Al₂O₃–Al with relative density of up to 92.5% was directly fabricated with the application of a 14 mol excess Al content and a 25 V cm⁻¹ field strength, in which TiC and Al₂O₃ particles possess fine-structured sizes of 0.2–1.0 μm, with uniform distribution in metal Al. The hardness, bending strength and fracture toughness of the synthesized TiC–Al₂O₃–Al composite are 56.5 GPa, 531 MPa and 10.96 MPa m^1/2, respectively.