用Ti/Ag粉坯连接的SiC陶瓷界面

以Ti、Ag金属粉末压坯做焊料,采用热压反应烧结连接工艺连接再结晶SiC陶瓷.当焊接温度为1030℃,接头抗弯强度最高达116.8 MPa,为母材强度的73.4%.显微分析表明:在焊料产物层与SiC陶瓷母材之间形成一个反应层,焊接温度的变化对反应层的厚度有明显影响;反应层主要由TiC、Ti5Si3和Ti3SiC2组成,且Ti3SiC2紧邻母材SiC,而TiC则靠近焊料产物层一侧.SEM分析表明:焊料产物层为黑白相间的复相区,白色相主要是AgTi,黑色相主要由Ti和AgTi3组成.     

钢/铝异种金属激光焊接Fe/Al界面微合金化的第一性原理研究

实现Fe/Al界面结合是保证钢/铝异种金属激光焊接质量的关键。采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,通过构造Fe/Al界面模型,计算了体系的能量与电子结构,讨论了Co、V、Zn、Sn等元素微合金化在Fe/Al界面处的作用。结果表明:Co、V优先置换界面处的Fe原子,而Zn、Sn优先置换的却是Al原子,Fe/Al界面结合主要是Fe-sd与Al-sp轨道之间杂化以及Fe-Al发生的离子键作用。微合金化使Fe/Al界面的断裂功增加,其增强由大到小的顺序为:Co、V、Zn、Sn。电子态密度、电子占据数以及电子密度的计算结果表明:利于Fe/Al界面结合的主要原因是微合金化导致跨界面Fe-Al之间的成键作用增强。对Co而言,主要是Fe-sd、Al-sp、Co-sd之间存在较强共价键和离子键的复合作用;对V而言,主要是V-dp、Fe-d和Al-p之间的轨道杂化作用;而对Zn和Sn而言,则主要是Fe-Al之间发生的离子键作用。     

石墨烯增强SiC/Al界面结合的第一性原理研究

为改善SiC/Al界面结合强度,在其界面处引入石墨烯中间层作为增强相。采用第一性原理计算方法,建立了18种Al/单层石墨烯/SiC（0001）-Si和Al/双层石墨烯/SiC（0001）-Si界面模型,分别研究单层石墨烯和双层石墨烯增强SiC/Al的界面结合情况。结果表明：石墨烯增强后的SiC/Al界面具有强界面特征,界面处Si原子和Al原子与石墨烯层C原子均以共价键与离子键的混合形式成键。其中,双层石墨烯增强SiC/Al界面分离功最大值为6.23 J/m²,界面间距为2.15?;而单层石墨烯增强SiC/Al界面最大值仅为4.41 J/m²,界面间距为2.15?。这表明双层石墨烯比单层石墨烯更能有效改善SiC/Al界面润湿性,显著增强SiC/Al界面结合强度。     

金刚石/铜（银、碳化钛）界面性质的第一性原理计算

采用第一性原理计算的方法研究金刚石/铜、金刚石/银、金刚石/碳化钛3种界面的结构、电子结构和传热。结果表明：金刚石/碳化钛的界面结构最为稳定,界面间距（1.990 Å）最小,界面黏附功（5.578 J/m²）最大,结合强度最高。电子态密度、马利肯布居分析、差分电荷密度、径向分布函数的结果表明金刚石/碳化钛存在较多的电荷转移和较强键合作用。 声子态密度的计算结果表明金刚石/碳化钛的界面热阻较低。     

Ir/SiC界面结合力、稳定性和电子结构的第一性原理研究

基于密度泛函理论（DFT）第一性原理研究了Ir(111)/SiC(111)界面。在考虑不同堆垛位置和表面封端的基础上,共研究了6种不同的界面构型。结果表明：具有9层原子层的Ir(111)表面构型表现体相材料的特征,而12层原子层的SiC(111)表面构型能体现体相SiC的性能。粘附功和界面能结果表明,C封端顶位堆垛（C-TS）和Si封端中心位堆垛（Si-CS）界面构型具有最大的粘附功,分别为6.35和6.23 J/m²,是最稳定的构型;弛豫后的界面能分别为0.07和0.10 J/m²。电子结构分析表明：C-TS界面处具有离子特性,而Si-CS界面处具有共价键特性。C-TS和Si-CS界面的结合强度和稳定性归因于Ir-d与C-p,Si-p轨道之间的杂化。与C-TS界面相比,Si-CS界面第2层原子与界面Ir原子的相互作用更大。     

装甲防护陶瓷-金属叠层复合材料界面研究进展

将陶瓷与金属以一定顺序逐层叠加,可制成叠层结构的复合材料,兼具陶瓷高强度、高硬度、低密度及金属强延展性的特点,从而应用于防弹装甲材料.但叠层材料存在界面结合弱、受冲击时裂纹易在界面处产生,且裂纹尖端应力集中导致界面处材料易脱黏等问题.本文针对陶瓷-金属叠层复合材料的界面结构及结合强度的问题,从界面结构的制备和观察、界面断裂的相场模拟、界面抗冲击性的有限元模拟和界面强度的第一原理计算等方面进行了综述,并对未来发展方向提出建议.     

陶瓷/金属连接界面残余应力缓解策略研究

随着服役环境恶劣化和加工制造复杂难度增加,对陶瓷/金属异质结构综合性能提出了更高的要求。目前钎焊技术被广泛应用于陶瓷与金属异质材料连接,而二者焊接接头残余应力缓解难题非常棘手。残余应力对陶瓷/金属连接性能有极大影响,其大小受多种因素影响,因此系统概述陶瓷与金属焊接残余应力状态与分布规律,从工艺参数优化、施加中间层、复合钎料和表面结构设计4种缓解途径进行系统评述,最后展望了未来陶瓷/金属异质结构残余应力研究面临的机遇和挑战。     

液态金属与陶瓷界面润湿性的研究进展

综述了陶瓷表面粗糙度、晶体取向以及合金元素等对金属/陶瓷体系润湿性的影响,系统收集了多种金属/陶瓷体系中润湿性的研究结果,讨论了目前研究中存在的若干问题。     

第一性原理研究合金元素对3C-SiC/Mg界面的影响

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究掺杂单个Al、Zn、Cu、Ni、Li、Zr原子对3C-SiC/Mg体系界面结合的影响,选取代表性的Zn原子和Zr原子进行Mulliken电荷、重叠布居数和态密度计算分析。结果表明,3C-SiC/Mg界面模型最稳定的堆垛结构是将5层的Mg（0001）堆垛在10层的 3C-SiC（111）面上,C封端的中心型模型在6种3C-SiC/Mg模型结构中分离功最大,界面间距最小,界面的润湿性最好;掺杂Zn原子后,3C-SiC/Mg-Zn体系的分离功减小,掺杂的Zn原子与Mg原子成反键,态密度中赝能隙变小使得3C-SiC/Mg-Zn体系的共价键性减弱,不利于3C-SiC/Mg-Zn界面结合; 掺杂Al、Cu、Ni、Li、Zr原子后,体系的分离功增大,Zr原子对界面润湿性的改善效果最好。掺杂Zr原子后,界面层Mg原子与Si原子的反键消失,与C原子在界面处形成Zr-C强共价键,态密度离域性增强,成键能力增强,导致3C-SiC/Mg-Zr体系的分离功增大最多。     

金属Mg晶格稳定性的第一原理电子结构计算

采用最小二乘法对SGTE纯单质数据库中金属Mg的Gibbs能表达式进行了重新评估,得到了比SGTE数据库更精确的结果;同时,将SGTE数据库的晶格稳定参数外推至0K,与第一原理总能赝势平面波方法的结果进行了对比,发现第一原理的晶格稳定参数结果为△Gbcc-hcp>△Gfcc-hcp>0,与SGTE外推结果一致。同时,研究还发现:第一原理总能平面波赝势方法计算的hcp-、fcc-和bcc-Mg的晶格常数和原子体积比实验值以及投影缀加波方法得到的结果偏大,结合能出现了完全相反的结果,并且3种结构的部分s态电子转化为p态电子形成了更强的化学键。     

First-Principles Calculation of Nb2AlC/Nb Interfaces

We have performed a first-principles density functional theory method and molecular dynamics simulation on the Nb₂AlC(001)/Nb(001), Nb₂AlC(001)/Nb(110), and Nb₂AlC(001)/Nb(111) interfaces. The results show that the Nb₂AlC(001)/Nb(111) interface structure is the most stable structure of the three. The Al-Nb bonds at the Nb₂AlC(001)/Nb(111) interfaces show covalence bonding character, while the Nb-Nb interface bonds are mainly metallic. The Nb-C bonds in Nb₂AlC layers are very stable at up to 1500 K temperature and in an oxygen environment. The stable Nb₂AlC(001)/Nb(111) structure may have very good oxidation resistance for applications in high-temperature turbines.     

Calculation of Particle Parameters for Cold Spraying of Metal-Ceramic Mixtures

Formation of metal-ceramic composite coatings by cold spray is one of the major directions in the development and application of the technology. As experiments showed, addition of a hard ceramic component into the mixture can shift the transition from substrate erosion to particles adhesion closer to adhesion. This effect may be induced by ceramic particles which not only erode, but also activate the target surface. Velocity and temperature of particles at their high-velocity impact onto the substrate are governing parameters in particles/substrate interaction. These parameters influence both the process of metal particles deposition and the process of erosion/activation of the substrate surface by ceramic particles. Metallic and ceramic particles collide with each other in the gas stream. These collisions can produce preactivation effect on metal particles by cleaning their surface. The level of activation depends on a typical velocity of collision which is the difference between velocities of metal and ceramic particles. Parameters of metallic and ceramic particles in the gas stream are estimated. Calculations show that components of mixtures with fine abrasive particles have greatly different velocities that influences preactivation of metal particles. At the same time, the substrate surface is activated by fine abrasive particles characterized by a high-impact velocity.     

Ag表面性质的第一原理计算

采用第一原理赝势平面波方法,计算了Fcc-Ag晶体及其Ag(111)、Ag(110)与Ag(100)自由表面的能量、几何与电子结构.根据表面能的计算,预测了Ag表面的结构稳定性,结果表明密排Ag(111)面结构稳定性最好,低指数奇异面Ag(100)面次之,Ag(110)面的结构稳定性最差.通过对不同表面几何与电子结构的比较,初步分析了其结构稳定性差异的产生原因.表面原子驰豫不仅引起表面几何结构的变化,而且使表面层的电子结构与键合特性发生改变.驰豫后表面层原子的部分价电子跑到了表面层以上的真空区,使表面层原子的电子态密度峰形发生变化,还新形成了表面态,这是表面能产生的主要原因,而Ag(110)表面相对于Ag(111)与Ag(110)表面具有高表面活性的主要原因则源于其表面层原子显著的结构驰豫.     

TBa2Cu3O7能隙及低温物性的第一原理计算

采用密度泛函理论(DFT)中的BLYP和ROBLYP交换.相关泛函,基于YBa2Cu3O7单晶胞即39个原子组成的团簇模型,计算了其能隙、磁化系数、电子比热及比热系数随温度的变化关系,并分析了在不同温度下其最高占据态的分子轨道图.结果表明,YBa2Cu3O7存在3个特征温度Tc、T*和T0,在正常态存在赝能隙,并且其超导能隙和赝能隙均具有d波对称性.     

YBa_2Cu_3O_7能隙及低温物性的第一原理计算

采用密度泛函理论（DFT）中的BLYP和ROBLYP交换．相关泛函,基于YBa2Cu3O7单晶胞即39个原子组成的团簇模型,计算了其能隙、磁化系数、电子比热及比热系数随温度的变化关系,并分析了在不同温度下其最高占据态的分子轨道图。结果表明,YBa2Cu3O7存在3个特征温度Tc、T^＊和T^0,在正常态存在赝能隙,并且其超导能隙和赝能隙均具有d波对称性。     

陶瓷粉末尺寸对电弧喷涂金属-陶瓷复合涂层形成及性能的影响

利用高速电弧喷涂和含有微米TiB2和纳米Al2O3陶瓷粉末的粉芯丝材在碳钢基体上制备了六组陶瓷颗粒弥散增强的Fe-TiB2复合涂层,研究微纳米陶瓷粉末对电弧喷涂Fe-TiB2复合涂层的形成和性能的影响.采用光学显微镜、WYKONT1100三维表面形貌仪对比分析了扁平粒子形貌和厚度;用SEM,EDAX及XRD分析涂层的形貌和相组成,测试了涂层的显微硬度和耐磨粒磨损性能,并用激光共聚焦显微镜观察磨损后的涂层形貌.结果表明,随着粉芯丝材中微纳米陶瓷粉末含量的增加,扁平粒子的形貌从飞溅严重的散点状逐渐转变成少量飞溅的盘状,涂层的孔隙率随之下降.对比6种涂层的组织及性能,发现当粉芯丝材中的TiB2粉末尺寸＜2 μm时,Fe-TiB2复合涂层中的陶瓷硬质相分布最为细小、弥散,涂层的耐磨性能最好.     

改性金属模具材料的研究

以微米TiC、Ti N为主要原料,微米Y-Zr O2作为添加剂,微米Mo粉作为烧结助剂,采用热压烧结工艺制备了金属陶瓷模具材料。测试和分析了烧结样品的抗折强度、硬度以及断裂韧度等性能,采用SEM对最佳烧结样品的显微结构进行了分析。结果表明,最佳烧结温度为1 500℃,当添加50%Ti C、20%Ti N、10%Y-Zr O2以及20%Mo粉时,所制备金属陶瓷模具材料性能最佳,抗折强度为656 MPa,硬度为10.79 GPa,断裂韧度为11.16 MPa·m1/2。显微结构分析显示Y-Zr O2颗粒在基体材料晶界处起微裂纹增韧作用。     

Effect of Ceramic Particle Velocity on Cold Spray Deposition of Metal-Ceramic Coatings

In this paper, metal-ceramic coatings are cold sprayed taking into account the spray parameters of both metal and ceramic particles. The effect of the ceramic particle velocity on the process of metal-ceramic coating formation and the coating properties is analyzed. Copper and aluminum powders are used as metal components. Two fractions of aluminum oxide and silicon carbide are sprayed in the tests. The ceramic particle velocity is varied by the particle injection into different zones of the gas flow: the subsonic and supersonic parts of the nozzle and the free jet after the nozzle exit. The experiments demonstrated the importance of the ceramic particle velocity for the stability of the process: Ceramic particles accelerated to a high enough velocity penetrate into the coating, while low-velocity ceramic particles rebound from its surface.     

Methods for First-Principles Alloy Thermodynamics

Traditional first-principles calculations excel at providing formation energies at absolute zero, but obtaining thermodynamic information at nonzero temperatures requires suitable sampling of all the excited states visited in thermodynamic equilibrium, which would be computationally prohibitive via brute-force quantum mechanical calculations alone. In the context of solid-state alloys, this issue can be addressed via the coarse-graining concept and the cluster expansion formalism. This process generates simple, effective Hamiltonians that accurately reproduce quantum mechanical calculation results and that can be used to efficiently sample configurational, vibrational, and electronic excitations and enable the prediction of thermodynamic properties at nonzero temperatures. Vibrational and electronic degrees of freedom are formally eliminated from the problem by writing the system’s partition function in a nested form in which the inner sums can be readily evaluated to yield an effective Hamiltonian. The remaining outermost sum corresponds to atomic configurations and can be handled via Monte Carlo sampling driven by the resulting effective Hamiltonian, thereby delivering thermodynamic properties at nonzero temperatures. This article describes these techniques and their implementation in the alloy theoretic automated toolkit, an open-source software package. The methods are illustrated by applications to various alloy systems.     

Calculation of the Surface Energy of Metals: Agreement of the Thermodynamic Vacancy Model with the First-Principles Theory

Protection of Metals and Physical Chemistry of Surfaces - The thermodynamic vacancy model (TVM) of surface energy (SE) leads to the formula of the linear dependence of the minimum SE value of the...