铜铝层状复合材料界面特性及深加工研究进展

铜铝层状复合材料因其良好的综合性能而应用于众多领域,其深加工变形性能关系到复合材料的推广与发展。本文介绍了铜铝层状复合材料深加工性能研究现状,总结了深加工过程中复合材料宏观质量缺陷的成因与解决对策;综述了铜铝层状复合材料的界面特征、形成机理、界面层对铜铝复合板材变形性能的影响;从宏观和微观角度汇总了复合材料界面断裂失效机理;概括了复合材料深加工变形过程中界面结构演变规律;基于复合材料协同变形,提出了复合材料界面结构调控机制。文章还对铜铝层状复合材料深加工发展方向进行了展望。     

三维机织陶瓷基复合材料的面内剪切性能及损伤研究

采用IOSIPESCU纯剪切试件, 考虑纤维的编织结构和失效机理, 研究了三维机织碳/碳化硅(C/SiC)复合材料在面内剪切载荷作用下的力学性能和损伤过程. 材料具有明显的非线性应力-应变行为和残余变形等特性. 材料主要的损伤机制为基体微裂纹开裂, 界面脱粘和纤维断裂, 其中界面裂纹是材料应力-应变等力学行为的主要影响因素. 基于连续介质损伤力学分析方法, 提出了简单的损伤演化模型并对损伤演化过程进行了描述.     

水润滑轴承用聚合物复合材料的摩擦学研究进展

聚合物复合材料因其优异的自润滑、高化学稳定性和减振降噪等特性而备受关注。以水作为工作介质的水润滑轴承具有环境友好、维护成本低及结构设计简单等特点,已被广泛应用于船舶、水电和化工等领域。首先总结了水润滑轴承用聚合物复合材料特性,归纳了聚合物复合材料在水润滑条件下的摩擦学性能及磨损机制,介绍了提高聚合物复合材料摩擦学性能的常规方法,并进一步探讨了材料内部结构、摩擦界面微观结构与材料宏观摩擦学特性的内在关联。指出促进水润滑聚合物-金属配副摩擦界面原位生长固体润滑特性转移膜,可弥补水膜润滑能力不足、显著提高配副的摩擦学性能,深入研究水润滑状态下复合材料的微观摩擦磨损机制,对于理解水润滑配副的摩擦学机理有重要的意义。     

Cu-Be/Cu-Zn层状金属基复合材料的冷轧变形行为及界面过渡层演变

高铍含量的铍铜(Cu-Be)合金时效后抗拉强度可达1400 MPa以上,伸长率却不到5％,呈现显著的强度-塑性倒置关系,严重影响了合金服役的安全可靠性.高强Cu-Be合金塑性变形时产生的局部应变集中现象是导致其低塑性的根本原因,将层状非均质构型设计的思想运用于Cu-Be合金,构建Cu-Be/Cu-Zn层状金属基复合材料,可以有效减少该现象的产生,有望获得高强塑性的层状金属基复合材料.运用塑性变形法制备层状金属基复合材料简单易行,受到广泛关注.前人对层状金属基复合材料轧制变形规律的研究主要集中在复合材料金属组元方面,对界面过渡层变形规律研究较少.本工作利用真空热压复合及后续冷轧变形的方式制备了Cu-Be/Cu-Zn层状金属基复合材料,利用光学显微镜(OM)、场发射扫描电镜(FE-SEM)结合能谱仪(EDS)、显微维氏硬度计对Cu-Be/Cu-Zn层状金属基复合材料冷轧变形行为及界面过渡层的演变进行了研究.研究结果表明,Cu-Be/Cu-Zn层状金属基复合材料冷轧前金属层间界面基本呈平直状,界面结合良好且无裂纹、孔洞等缺陷.当冷轧压下率不超过50％时,Cu-Be/Cu-Zn层状金属基复合材料发生不均匀的宏观变形,Cu-Zn层在板材厚度方向的变形量明显大于Cu-Be层和界面过渡层,当冷轧压下率为35％时,界面过渡层的厚度仅减小8.3％,不均匀的塑性变形导致Cu-Be/Cu-Zn界面由平直状态变为波浪状态;当冷轧压下率超过65％时,层状金属基复合材料内部发生均匀、协调的变形,各层厚度基本按照总冷轧压下率变化.不同冷轧压下率下,显微硬度最高的均为过渡层,其次是Cu-Be层,而Cu-Zn层的显微硬度最低.这是因为在层状金属基复合材料冷轧变形过程中,界面过渡层主要起到协调变形的作用,处于显著剪切应力状态,会产生额外的背应力强化.本工作探讨了界面过渡层在Cu-Be/Cu-Zn层状金属基复合材料冷轧过程中的宏观变形以及强化机理,有助于进一步阐明层状金属基复合材料塑性加工变形规律并合理制定其塑性加工工艺.     

钢筋混凝土柱偏心受压力学性能的细观数值研究

钢筋混凝土构件的宏观力学性能由其组分-钢筋和混凝土两部分的力学性能决定。结合混凝土细观结构形式,认为混凝土是由骨料颗粒、砂浆基质及界面过渡区组成的复合材料,假定钢筋与混凝土之间完好粘结,基于钢筋混凝土柱偏心受压试验,建立了钢筋混凝土柱偏心受压加载下力学特性及破坏行为研究的细观尺度力学分析模型。通过对混凝土方形和矩形试件进行受压力学特性模拟,采用反演法确定了界面的力学参数,进而模拟了钢筋混凝土柱偏心受压加载下的宏观力学性能。结果表明,相比于宏观尺度模型,细观数值分析模型能够充分体现材料的非均质性,能够较好的模拟试件的宏观力学性能,并且能够细致的描述裂缝发展及试件破坏过程,与试验结果吻合良好。该文建立的细观尺度分析模型与方法,为钢筋混凝土构件层次宏观力学非线性及其尺寸效应研究提供了理论支持。     

TiB2-Cu复合材料燃烧合成与二次致密化行为

采用燃烧合成技术制备了相对密度为90%左右的TiB₂-40Cu金属-陶瓷复合材料,为了进一步提高复合材料的力学性能,研究了TiB₂-40Cu金属-陶瓷高温压缩弹塑性变形行为,证明了高陶瓷体积分数下金属陶瓷在高温环境下具有一定的塑性行为。分别在1050℃、1090℃、1150℃对复合材料进行二次热压烧结,详细研究了工艺参数对TiB₂-40Cu复合材料二次热压变形、组织特征及力学性能的影响。结果表明:经过二次热压后,材料的相对密度和弯曲强度有了较大幅度的提高,在1090℃时,材料的相对密度达到了96%,弯曲强度达到605.5MPa。并从宏观和微观上分析了致密化机理,认为致密化过程是多种机制共同作用的结果。      

金属材料的石墨烯强韧化

石墨烯材料以其优异的本征力学性能,被认为是新一代金属基复合材料中理想的增强体。特别是,由于调控石墨烯内禀缺陷的种类和含量可以较为简便地实现对其本征力学性能的精确"剪裁",使得石墨烯增强金属基复合材料具有广阔的发展空间。综述了近年来石墨烯增强金属基复合材料制备工艺与结构-性能关系的研究进展,并聚焦于石墨烯/金属之间界面的结构与性能。这不仅是因为在复合材料使役时,外加载荷是通过复合界面传递到石墨烯增强体的(即"承载效应"),也因为随着石墨烯的加入,在复合材料变形过程中石墨烯和金属基体内的位错发生复杂的相互作用,改变或影响了基体的变形机制,导致了额外的强韧化效果。最后,展望了石墨烯增强金属基复合材料的发展趋势,指出需要发展可放大的制备工艺,并深入研究实际使役条件下复合材料的力学行为和性能响应机制。     

Ti-Cu层状复合材料静态载荷下变形与失效机制

利用水下爆炸焊接法制备了Ti-Cu层状复合材料。为研究Ti-Cu层状复合材料静态荷载下变形和失效机制，对Ti-Cu层状复合材料进行了室温条件下单轴拉伸实验和预制裂纹的三点弯曲实验，并与Ti单层板和Cu单层板进行对比分析，采用SEM观察断口形貌。通过拉伸和三点弯曲实验后的微观分析表明:在拉伸实验中，Ti-Cu层状复合材料的破坏是由于多方向应力耦合作用，加工硬化和界面效应使其拉伸强度远高于Ti单层板和Cu单层板；在预制裂纹的三点弯曲实验中，Ti-Cu层状复合材料的断裂是多重损伤失效相互作用的结果。Cu层形成大量的滑移带和变形带，Ti层产生大量的微裂纹，Ti-Cu层状复合材料由于多种损伤累积，形成一种特有的沿基体和界面交替传播的裂纹形态；相对于均质金属，Ti-Cu层状复合材料复杂的变形和失效行为是其力学性能提高的重要原因。      

金属纳米叠层材料的力学性能与辐照损伤容限

金属纳米叠层材料由于不仅可以调整其组元几何尺寸和微观结构尺度?而且可以引入具有不同本征性能的组元材料和不同结构的层间异质界面?在获得高强韧与高辐照损伤容限金属结构材料方面具有潜在的能力?结合当前国内外有关金属叠层材料力学性能与辐照特性尺寸效应研究的最新进展?分别阐述了晶体/晶体Cu/Mo与晶体/非晶Cu/Cu￣Zr金属叠层材料He+辐照前后的结构演变与力学特性?揭示了上述两类金属叠层材料的强化与损伤机制的异同?并对高辐照损伤容限纳米叠层材料研究的发展趋势进行了展望?     

钛/钢爆炸复合界面的微观组织结构和力学行为

首次在TEM下直接观察和研究了钛(TA2)/钢(A3)界面结合层内的微观组织结构,从而在更微观的尺度上确立了界面结合层内的组织结构模型。揭示了爆炸复合界面通过局部熔化和扩散的物理冶金过程实现其“冶金结合”的机制。所建立的温度场模型可用以预测和分析界面结合层内的微观组织结构。 第一次利用TEM直接观察并研究了界面结合层内TA2例所产生的绝热剪切带(ASB)内的微观组织结构,结合ASB内的形变热力学条件首次利用动态再结晶理论和起塑变形理论阐明了ASB内细小(<0.1μm)等轴晶粒组织的产生机制及ASB内大剪切应变机制。首次基于材料热粘塑性本构失稳理论对材料本身的物理-力学-热学性能及其晶体结构相耦合进行综合分析,阐明了界面结合层内仅在TA2侧产生、ASB而在A3侧从未产生ASB的机制。 通过对界面微观断裂过程的动态观察和分析,揭示了其不同波形状态界面的微观断裂机制。 深入系统地研究了界面扩散反应区内的微观组织结构和反应相的形成、生长规律。所得结论可指导TA2/A3复合材的工业生产和应用。 本研究中有关金属在冲击载荷下的塑性变形机制和力学行为(孪生、绝热剪切等)的研究结果对研究金属在高应变率冲击载荷下的力学冶金行为具有指导意义。     

微结构对碳/碳复合材料界面性能的影响

通过理论模型和界面顶出实验分析了微观结构对碳/碳复合材料界面性能的影响机制。使用高分辨Micro-CT系统获得C/C复合材料界面的微观结构特征,并对界面的微观结构特征进行统计分析,得到界面微观结构尺度分布的概率密度函数。对C/C复合材料的界面层建立力学分析模型,计算获得C/C复合材料界面力学性能,在计算过程中引入界面微观结构的随机性统计分布,获得C/C复合材料界面力学性能的分布规律。设计纤维束顶出实验,测试分析C/C复合材料的界面力学性能。将力学分析模型的计算结果与界面顶出实验获得的实验结果进行对比分析,表明通过模型计算获得的界面性能的均值和离散度与实验获得的结果具有较好的一致性。      

纳米压痕技术应用于水泥基材料的研究进展

水泥基复合材料作为一种重要的土木工程材料,在国民经济建设中起着举足轻重的作用。目前人们对于其力学性能的研究主要集中于抗压、抗折等宏观力学性能,相比之下,对其微观力学性能的研究较少。鉴于材料的宏观力学性能很大程度上依赖于其微观结构及微观力学性能,因此,从微观层面去探究水泥基材料的性能机理已成为目前研究的热点之一。随着材料微观测试技术的发展,目前纳米压痕技术已成为最先进的定量表征水泥基材料微观力学性能的测试手段。然而水泥基材料是一种非均质材料,其水化产物含有多种成分,导致人们在物相划分和定量分析时常常受到经验性的束缚,因此水泥基材料的性能远未达到人们预期的要求。通过极大似然或最小二乘法对压痕数据进行解卷积处理,可实现实验结果定量化,大大地改变了之前人为划分物相引起的不准确性的状况,使得研究问题的方法提升到一个新的高度。纳米压痕技术不仅可以测试水泥熟料成分(硅酸三钙(C_3S)、硅酸二钙(C_2S)、铝酸三钙(C_3A)等)的弹性模量和硬度,还可测试水泥基材料水化产物(不同密度的水化硅酸钙凝胶(C-S-H)、氢氧化钙(CH)等)的微观力学性能及水化产物未填充的孔隙。通过改变实验加载制度,尤其是持荷的停留时间,能够在很短的时间内测得微观蠕变模量并且可以定量预测水泥基材料的宏观徐变性能;将其与其他微观测试手段(SEM、EDS等)联用来揭示水泥基材料紧密混合相的微观力学性质,能够区分出具有强烈重叠微观力学性质的化学相,这使得纳米压痕技术成为更精确的物相分析方法;通过观测界面过渡区微观结构的变化情况,可以为界面过渡区强度理论提供一定的理论补充和技术支持。本文主要介绍了纳米压痕技术的基本原理和样品制备,并从纳米压痕技术研究水泥基材料水化产物分相及微观力学特性、蠕变性能以及界面特性三个方面阐述了其在水泥基材料中的研究现状和相关成果,对目前研究中存在的问题进行了分析,并展望了其在水泥基材料研究中的发展趋势,以期为它更广泛深入地检测和研究水泥基材料微观性能提供参考。     

金属/高熵合金纳米多层膜的制备、微观结构及力学性能研究进展

通过表面防护涂层技术制备综合力学性能与摩擦性能优异的涂层材料,对降低构件因碰撞摩擦磨损所引起的损伤失效问题十分重要。相较于单层膜结构防护涂层,金属纳米多层膜涂层材料由于其微观组织结构的独特性与可控性,表现出优异的服役特性,且其综合性能可通过结合新组元或界面调控得到进一步提高,因此该类材料受到了广泛关注。新颖的成分设计理念使得高熵合金具有独特的四大效应,即高熵效应、晶格畸变效应、迟滞扩散效应和性能鸡尾酒效应,进而呈现出良好的综合性能。因此,在传统的双金属纳米多层膜结构材料中引入高熵合金组元,形成金属/高熵合金纳米多层膜,有望突破传统金属纳米多层膜的性能局限,极大地提高多层膜结构材料的力学性能。从功能基元序构的视角,围绕近几年金属/高熵合金纳米多层膜的相关研究,首先介绍了其制备方法和工艺原理,针对功能基元微观结构特征,从晶粒形貌、界面结构、组元成分等方面进行了阐释,在此基础上论述了其力学行为以及相应的内在机制,并提出了调控金属/高熵合金纳米多层膜力学性能的优化策略,最后对金属/高熵合金纳米多层膜的未来研究方向和面临的挑战进行展望。     

石墨烯增强金属基复合材料界面研究进展

金属基复合材料是由高强度增强相与金属基体组成,因具备优良的综合性能,在各领域内展现出广阔的应用潜力。与常规增强相不同,石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角呈蜂巢状晶格的二维碳纳米材料,因其独特的结构而具有优异的电学、力学、热学和光学等特性。石墨烯增强金属基复合材料已经成为先进复合材料领域的研究热点,而对于金属基复合材料,其综合性能与界面的结构和性质关联密切。从近年来石墨烯增强金属基复合材料界面微观组织及理论研究出发,对常见石墨烯增强金属基复合材料体系的界面结构及力学性能进行总结,同时总结计算机模拟手段在分析界面结构、界面结合强度以及界面微观断裂机制等方面的进展,为设计和优化金属基复合材料界面提供理论依据。     

玻璃纤维增强铅网/橡胶阻尼复合材料研究

为了改善橡胶的力学性能和阻尼性能,以橡胶、纤维和铅为原料设计了玻璃纤维增强铅网/橡胶阻尼复合材料,研究了不同玻璃纤维增强铅网铺层数量的横向玻璃纤维增强铅网/橡胶复合材料力学性能和阻尼性能,分析了其阻尼机制.结果表明,复合材料具有比橡胶更高的力学性能和阻尼特性,其刚度随铅网铺层数量的增加而提高,而阻尼损耗因子与铺层数呈非线性关系.复合材料中存在材料变形耗能、界面耗能、摩擦耗能等多种阻尼损耗机制.     

微纳叠层金属复合材料的断裂性能研究

叠层金属复合材料作为材料构型复合化的典型代表,在利用材料组元本征性能的基础上,能充分发挥复合材料中不同组元间的协同、耦合及多功能响应机制。微纳尺度下的叠层金属复合材料由于其多界面结构及特殊的尺寸效应,能充分调控材料内部裂纹的萌生与扩展机制,同时发挥微纳尺度材料优异的本征力学性能,以此来协调材料的强度和韧性的矛盾。目前,叠层金属复合材料在航天、石油、机械、电子等领域均得到了广泛的应用。围绕微纳叠层金属材料的断裂性能研究,综述了其制备工艺和应用现状,总结了其断裂过程中的微观机制和影响因素。同时,探讨了这类材料中特殊的构型化增韧途径,指出可采用先进的微纳米尺度的材料加工与测试技术,结合原位显微结构表征的方法,系统地研究微纳叠层金属材料的断裂机理,以指导对该材料的进一步优化设计与制备。     

形状因子对微观定向结构Cu-W复合材料触头的力学和电学性能的影响

设计了三种微观定向结构的Cu-W复合电触头材料,用差异显著的形状因子对其表征,研究了形状因子对其导电性能和力学性能的影响。基于有效介质方程(GEM)和导电通道理论并结合仿真计算,得到不同骨架结构复合材料的电流密度分布及其与形状因子的关系。结果表明,形状因子F越接近1导电通道越容易形成团簇,导电性能越好;基于Mises屈服准则计算力学性能,仿真分析了不同结构复合材料的形变特性,提出其力学性能与形状因子的关系,即随着形状因子圆形度的增大力传导微元的稳定性随之提高;形状因子的圆形度越大,力传导微元越不易发生变形,机械性能越好。根据Cu-W复合电触头材料的导电性能和力学特性,可进一步优化其综合性能。     

钨基复合材料的微观本构研究

钨基复合材料微观特性与宏观性能的差别一直大家研究的焦点,本文为了弄清钨基复合材料微宏观的关系,通过纳米压痕实验测出材料的微观硬度与模量,再根据宏观实验的结果推算出材料的微观本构,以此本构代入计算模拟纳米压痕实验,以验证本构的正确性。通过计算与实验的比较,证明了微观本构的正确。为今后找寻宏观力学行为与微观结构的关系奠定了基础。     

石墨烯/金属复合材料力学性能的研究进展

综述了石墨烯/金属复合材料在力学性能研究方面的现状、进展及发展趋势,讨论了线弹性非均质材料的微观力学模型在阐明石墨烯强化机制中的作用,着重阐述了石墨烯的结构完整性以及分散方法的选择等对于提高石墨烯/金属复合材料力学性能的重要性,归纳了当前石墨烯强化金属基复合材料研究存在的问题,并从原料研制、理论探索、工艺开发和协同增强等方面指出了石墨烯/金属复合材料力学性能的研究趋势。     

异构金属材料优异力学性能及其机理的研究进展

异构金属的微观异质结构同时提高了金属结构材料的强度和塑性。近年来，强韧性匹配优异的新型异构金属得到了广泛关注和快速发展，在汽车、交通等诸多领域拥有广阔应用前景，是轻量化交通载具优质用材。异构金属的设计理念是通过优化微观结构设计来提高力学性能，典型结构有梯度结构、双峰结构、层状结构等，导构金属材料的共同点是内部含有强度差异较大的微观结构单元。此种特殊设计的微观结构单元可通过调控合金成分、晶粒尺寸、晶体结构的差异来形成，由于其造成了强度在空间上的差异，材料在变形过程中软、硬单元变形不一致而产生了背应力。异构金属就得益于背应力的强化/硬化效应而兼具高强度和高塑性，从而实现了强韧性的完美匹配。本文归纳了强韧性相匹配的异构金属材料的研究进展，分别对异构金属材料的力学性能特点、微观结构和变形机理进行了阐析，并对异构金属材料力学性能提升方面存在的问题和发展趋势进行了展望，旨在为力学性能优异的异构合金的设计、开发和应用提供参考。