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。     

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 ?）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。     

Ag-Ni复合材料界面的第一性原理研究

采用第一性原理方法分析了Ag(110)、(211)与Ni(110)、(211)的界面结合情况。通过对界面结合能、电荷布居以及界面处的电子结构等研究分析发现,在Ag与Ni界面的结合形式中,以Ag(110)/Ni(211)的界面结合能最高,界面处的电子杂化最为剧烈,其界面结合也是最稳定的     

氧化铝基复合陶瓷-金属钎焊界面的热应力

用Ag-Cu-Ti钎料钎焊SiCw／Al2O3复合陶瓷和金属时，陶瓷与钎料发生化学反应，在陶瓷表面形成由TiO、TiC等物相组成的反应层。采用有限元法，对SiCw／Al2O3复合陶瓷／反应层界面的热应力进行了计算。结果表明，复合陶瓷／反应层界面的残余应力变化急剧，最大拉应力位于晶须、基体和反应层交界处；晶须内部及其表面存在较高的双向压应力，Al2O3基体主要承受垂直于界面的拉应力；SiC晶须／反应层界面及其附近的反应产物TiC内具有较高的平行于界面的拉应力，当连接界面承受剪力作用时，SiC晶须／反应层界面和TiC处极易破坏。借助TEM和SEM观察了复合陶瓷／反应层界面区的精细结构和剪切断口形貌，并利用计算结果对观察到的现象进行了分析。     

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.     

Mg-Ti-H体系电子结构与光学性质的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,对不同Ti含量的MgxTi(1-x)H2(x=0.25,0.5,0.75,0.875)体系的电子结构进行研究,并预测其光学性质。电子态密度计算结果表明:在MgH2中加入Ti原子,使MgxTi(1-x)H2体系呈现金属特性,这源于Ti诱导费米能级处电子密度增加和费米能级附近能隙消失。电荷密度分析进一步得到了Ti-H原子间形成比Mg–H原子间更强的共价键的成键本质。光学性质预测结果表明,MgxTi(1-x)H2体系中Ti含量对其可见光能量附近的光学性质存在重要影响,较低Ti含量(如Mg0.875Ti0.125H2)不利于提高其可见光的吸收能力,而较高Ti含量(如Mg0.25Ti0.75H2)则对可见光的反射较高。计算结果为制备具有优良的太阳光吸收能力和光电转化效率的Mg-Ti-H光电材料提供了理论依据。     

Fe对NiAl力学性能影响的第一原理计算

采用第一原理赝势平面波方法,基于虚拟晶体势函数近似(VCA),计算Fe合金化(浓度x<3.0%,原子分数,下同)时完整与缺陷B2-NiAl晶体的弹性性质,并采用弹性常数C44、Cauchy压力参数(C12-C44)、杨氏模量E、剪切模量G及其与体模量B0的比值G/B0等,表征和评判Fe合金化浓度x对NiAl金属间化合物延性与硬度的影响。结果表明:无论是无缺陷的理想NiAl晶体,还是含Ni空位或Ni反位的NiAl缺陷晶体,x<0.6%的Fe合金化均可使其硬度大幅提高。Fe合金化浓度低于0.5%时,虽然完整NiAl晶体的延性变差,但含Ni空位的缺陷NiAl晶体的延性却可明显改善,并以x=0.2%～0.4%时韧化效果最好。Ni空位或Ni反位降低B2-NiAl晶体的本征延性。实验中0.20%～0.25%的Fe合金化对NiAl晶体延性的改善很可能源于Fe原子与NiAl晶体中Ni空位间的关联与协同作用。     

Effect of Cr Doping on the Surface Characteristics of Ni Metal Studied with First-Principles Calculation

The influence of Cr doping on the surface characteristics of Ni metal, including the surface energy, work function,adsorption and dissociation, has been investigated by means of first-principles calculation based on density functional theory. The results reveal that with the increase in Cr doping amount, the surface energies for all(111),(110) and(100)surfaces increase, whereas the work functions of(111) and(100) surfaces decrease followed by an increase and that of(110) surface has been decreasing. On the typical Ni(111) and Ni-Cr(111) surfaces, the adsorption energies follow the sequence O OH H H_2O, and the doping of Cr increases the chemical activity of surfaces leading to the improvement of adsorption energies. The H_2O dissociating to OH and H is easier than the subsequent OH dissociating to O and H. The addition of Cr into Ni surface decreases the energy barriers and significantly increases the reaction rate constants.     

Nb、Al共掺杂MoSi2弹性性质的第一性原理计算

通过第一性原理计算研究了Nb、Al共掺杂MoSi2晶体的电子结构、弹性常数和Mullikan布居数。结果表明,Nb、Al共掺杂可大幅提高MoSi2的韧性和导电性,当Nb和Al共掺杂量达到x=0.25时,MoSi2的弹性模量从408.86GPa降低到261.30GPa。MoSi2的电子态密度和Mullikan布居数分析表明,Nb和Al掺入后MoSi2电子态密度发生蓝移,费米能级处的电荷密度增加,体系的导电性能提高。掺杂后Mo-Al、Nb-Si键布居数减小,键长增大,原子间的共价性减弱,而Al-Si键间的共价性增强。晶体中各方向键长和键能的分布趋于对称化,MoSi2晶体韧性增强。     

低稀土含量的纳米复相α-Fe/Nd2Fe14B淬态合金微结构与微波电磁特性研究

对低稀土含量的Nd6Fe91B3合金进行熔体快淬处理,制备了由a-Fe相和少量的Nd2Fe14B相组成的纳米复相材料,并对其进行球磨处理25 h.研究了快淬速度对淬态合金的相组成、微观结构、微波电磁性能的影响规律.研究结果表明,随着淬度的提高,淬态合金中高磁晶各向异性的Nd2Fe14B相逐渐减少,材料的自然共振频率向低频移动,但样品微波磁导率随淬速的提高而升高.淬速为40 m/s的样品微波磁导率虚部在4.17 GHz获得最大值μrmax=4.66,其实部在1.55 GHz获得最大值μmax =7.88.同时,低稀土含量的纳米复相α-Fe/Nd2Fe14B材料具有良好的微波电特性,其复介电常数在2 GHz附近出现共振.由于磁损耗和电损耗共同作用,有利于该材料在GHz频段电磁波吸收材料中的应用.     

Mg-Al-Ca合金系金属间化合物的力学性质与热力学性能第一原理计算

采用基于密度泛函理论Castep和Dmol程序软件包,计算了Mg-Al-Ca合金系金属间化合物的力学性质与热力学性能。结果显示:DI3型结构Al4Ca为延性相,C15型结构Al2Ca与C14型结构Mg2Ca为脆性相,C15型结构Al2Ca塑性最差;采用弹性常数计算结果预测的Al2Ca熔点与实验值很接近,误差仅为4.06%;而不同温度下热力学性能的计算结果表明,在298.15~425K温度范围内,Al2Ca的Gibbs自由能最小,对应其相结构的热稳定性最好;而Al4Ca次之,Mg2Ca最差;随着温度的升高,Mg2Ca的Gibbs自由能下降最快,对应结构的热稳定性增强也最快;在525K以上时,Mg2Ca的结构热稳定性最好,其次是Al2Ca,而Al4Ca最差。