仿生取向结构表界面及其摩擦各向异性研究进展

在长期的进化和生存竞争中,自然界生物表界面形成了优异的取向结构来执行传播、攀爬、移动与粘附等诸多行为,而基于形态结构的摩擦各向异性在其中扮演了重要角色。研究自然界取向结构表界面,从而揭示其摩擦各向异性行为和规律,并从中获得灵感,采用物理、化学手段进行仿生构筑和研究,对现代许多科技领域发展新型仿生功能性表界面材料具有重要意义。以露珠草和猪殃殃的倒刺结构、蛇腹部鳞片微结构、壁虎脚掌刚毛微结构为例,详细阐述了具有代表性的自然生物表界面的取向微结构形态及其功能,并对生物表界面产生摩擦各向异性行为的两种机理做了解释。在此基础上,简介了模板法、增材制造等几种仿生取向结构的制备方法,以及基于仿生取向结构的表界面摩擦各向异性研究成果。最后,列举了以蛇的蠕动行进、壁虎的高粘附为仿生对象,构筑具有摩擦各向异性的取向结构表界面,及其在仿生驱动、攀爬和定向输运等方面的应用实例,并展望了仿生摩擦各向异性领域未来的研究重点和发展方向。     

晶体取向对DD8镍基高温合金定向凝固的界面稳定性的影响

研究了晶体取向对ＤＤ８镍基高温合金定向凝固的界面稳定性的影响,同时考察了抽拉方式对该晶体取向效应的作用。结果表明,〈１００〉偏离热流方向的晶粒在平界面区比〈１００〉与热流方向一致的晶粒的界面稳定性大,而在胞枝转变区则相反;以平界面速度、胞晶速度和枝晶速度连续抽拉及逆过程的速度递减抽拉对以上结果的影响一致。研究表明,晶体取向对凝固界面稳定性的影响是由于液相原子在不同晶面的结晶面上沉积时形成的原子键不同,影响了系统自由能的降低,影响了液相原子迁移至固相界面上的有效跳动频率和固相原子迁移至液相中的有效跳动频率,影响了液固相界面前沿的溶质分布和成分过冷所致。     

激光立体成形GH4169合金再结晶过程中的界面和晶体取向演化

利用电子背散射衍射技术,对激光立体成形GH4169镍基高温合金沉积态试样以及1100℃保温5和30 min水淬后试样的显微组织、晶界特点和晶体取向等进行了分析.结果表明,再结晶过程中随晶粒尺寸得到细化的同时,各晶粒的晶体取向逐渐变得随机,消除了沉积态材料中原本存在的各向异性,合金的界面特点也发生变化,大角度晶界数量逐渐增多,且再结晶后期11160°孪晶界大量出现,占总界面体积分数的44%,孪晶的形成对激光立体成形GH4169合金的晶粒细化起了很重要的作用;再结晶形核机制在再结晶初期以原始晶界的亚晶形核和晶界弓出机制为主,孪晶相关的晶粒细化机制是再结晶后期晶粒细化的重要机制.     

DD8镍基高温合金定向凝固界面形态的晶体取向及抽拉方式效应

研究了ＤＤ８镍基高温合金定向凝大界面形态的晶体取向及抽拉速度的影响。结果表明，由于界面进入胞晶界面的初始胞晶扰动波长不一致，而由胞晶界面进入平界面时，扰动波长基本不变，只是胞壁变薄而逐渐消失，此类扰动波长的一致或不一致性是由于液相中的随机成分起伏及原子扩散距离的影响所致。在胞－枝转变及其逆过程中，择优取向与热流一致的胞晶和枝晶形态变具有可逆性，择优取向偏离热流方向的晶粒在胞－枝转变时胞晶会发生偏转     

不同择优生长取向角枝晶生长的数值模拟

通过耦合溶质扩散方程,并考虑成分过冷和曲率过冷对界面平衡溶质成分的影响,建立改进的元胞自动机模型来模拟溶质扩散控制的立方晶系合金的枝晶生长过程。模型在计算固液界面生长速率时考虑立方晶系枝晶择优生长取向100的影响,同时采用斜中心差分格式对界面生长速率方程进行离散,从而能够模拟择优生长取向与坐标轴成不同夹角的枝晶生长形貌演变。为验证模型的可靠性,模拟NH4Cl-H2O系透明合金单个等轴枝晶以及不同择优生长取向角的多个等轴枝晶和柱状枝晶的形貌演化,模拟结果与实验结果吻合较好。     

激光直接沉积界面超声反射与力学性能关系研究

通过对激光直接沉积制备的FGH96粉末高温合金与K441高温合金界面超声回波的研究,分析界面回波高度变化的原因,在不同回波高度位置取样进行室温拉伸性能测试,断口观察并利用EBSD测量K441高温合金的晶粒取向。结果发现,不同回波高度位置取出的试样拉伸性能差异不大,回波高度与拉伸性能无明显相关性,试样回波高度的变化主要是由于K441高温合金粗晶粒取向不同造成的,FGH96粉末高温合金/K441高温合金界面可能产生φ1.2 mm平底孔当量的伪缺陷显示。     

冷轧退火后铁素体不锈钢的晶界面分布

采用EBSD技术测定了冷轧退火铁素体不锈钢样品单一截面(轧面)的取向成像显微图(OIM),采用直线拟合法重构出晶界迹线,利用五参数法对晶界面{hkl}的分布进行了统计分析.结果表明,经85%冷轧变形的样品再经780℃退火后,合金虽然不存在明显的晶粒取向织构,也不存在以特定轴角对为特征的晶界择优分布,但其晶界面{hkl}的分布却具有一定的择优特性,而且在不同退火阶段,随着平均晶粒尺寸由小变大,择优分布的晶界面随之改变.当平均晶粒尺寸为9μm时,择优分布的晶界面为{100}晶面,其分布密度超过平均值12%左右;随着晶粒的长大,当平均晶粒尺寸达到15μm时,择优分布的晶界面以{111}为主,其次为{100}和{112}晶面,其最高分布密度超过平均值10%左右.对于特定取向差晶界,这种晶界面的择优分布特性明显增强.分析认为,退火过程中某些低能晶界由于迁移速率低而被保留下来是晶界面分布存在择优性的重要原因.     

<110>取向银单晶宏/微观裂化及界面失配角分布

以低层错能110取向单晶银为研究对象,采用EBSD和TEM等技术,系统分析了冷拔变形过程中的宏观裂化、微观裂化和界面失配角分布的变化规律与内在机制。研究结果表明,随应变量的增加,冷拔银单晶的宏观裂化不断加剧,变形带数量增加,宽度和间距减小。当应变量大于0.94时,形成了与冷拔方向平行的纤维状组织。与层错能相近的合金相比,纯金属单晶银的交滑移和攀移的被抑制程度降低,除了变形孪晶,在低层错能的单晶银中还出现大量随机捕捉位错界面和几何必须位错界面。界面失配角分析结果表明,低应变下,变形以位错滑移为主;中等应变下,滑移和孪生相互竞争;高应变下,孪生为主要变形机制。     

Cu-71.8%Ag共晶体中两相的台阶界面及晶体取向

采用熔铸法制备了Cu-71.8%Ag(质量分数)合金,研究了共晶体中两相的位向关系和界面结构.约50%的相界面两侧Cu和Ag两相位向对称于(111)晶面.出现对称位向的相界面形态为台阶状,台阶平面与(111)平行,高度为(111)Cu和(111)Ag晶面间距的平均值,宽度为3-4个(11-1)Cu晶面间距.在此界面上,每隔3-4个(11-1)Cu晶面间距出现一个点阵重合位置.     

结晶器铜板涂层界面结合强度的测定

目的准确测定结晶器铜板涂层的界面结合强度。方法考虑到结晶器铜板的涂层属于厚韧性涂层/韧性基体材料体系,宜采用标准的剪切法定量测量其界面结合强度。推荐井玉安等设计的涂层宽度为1 mm的剪切试样及专用模具,并通过该方法测试铜合金基材、电镀层/铜合金、喷涂层/铜合金的界面结合强度。结果测得的铜合金基材的剪切强度离散系数最小;各类涂层的结合强度值离散性与GB/T 13222—1991方法测出的数据相比,相对较小。结论推荐的测试方法较GB/T 13222—1991方法准确度高,适合于结晶器铜板涂层的结合强度测试,且测试时宜先测铜合金基材的剪切强度,以有效减小试验的系统误差。     

PREFERRED ORIENTATION OF DEPOSITED TiC COATING ON STEEL BY CVD

Investigation was made of the deposited rate,surface morphology and crystal pre-ferred orientation of the dense TiC coating onto austenitic stainless steel in relationwith CH_4/TiCl_4 mole ratio and temperature adopted in CVD processing. When theCH_4/TiCl_4 ratio is low or high,the preferred orientation may be(220)or(200),respec-tively,which is mainly dependent on the equilibrium concentration of active C in vapourphase.     

钢表面化学气相沉积TiC晶体的择优取向

本文用化学气相沉积(CVD)法,以TiCl_4-CH_4-H_2为原料气体,在不锈钢表面获得了致密的TiC膜.研究了TiC的成膜速度、表面形貌和晶体择优取向与沉积条什的关系.结果表明,沉积温度T_(dep),碳钛比CH_4/TiCl_4强烈地影响了TiC的成膜速度、表面形貌和晶体择优取向.CH_4/TiCl_4低时,TiC晶体的择优取向为(220):而CH_4/TiCl_4高时,TiC晶体的择优取向为(200).TiC晶体的择优取向主要取决于气氛中活性碳的平衡浓度。     

择优取向对X射线应力测试的影响

本文从择优取向材料的受力边界条件出发,提出了一种计算择优取向材料Ｘ射线弹性性质的近似模型－加权Ｈｉｌｌ模型,并用这一简化模型计算了一些模型材料的Ｘ射线应力测试曲线。为验证新模型,实测了电镀及电刷镀Ｃｕ膜的应力。实验结果与用新模型计算结果符合得较好。从而解释了等离子辅助化学气相沉积（ＰＣＶＤ）ＴｉＮ膜应力测试曲线的低φ角弯曲现象,指出这种弯曲是由ＰＣＶＤ ＴｉＮ中存在的柱状晶定向排列引起,当低φ角弯     

Cu/Al_2O_3扩散焊接头界面晶体位向关系对断裂能量的影响

以单晶α－Ａｌ２Ｏ３陶瓷（蓝宝石）和单晶 Ｃｕ为母材,采用真空扩散焊接获得具有两种不同的界面晶体位向关系的Ｃｕ／Ａｌ２Ｏ３扩散焊接头以及带 Ｎｂ膜中间层的 Ｃｕ／Ｎｂ／Ａｌ２Ｏ３扩散焊接头,研究了界面晶体位向关系对接头断裂能量的影响。结果表明,陶瓷－金属界面的晶体位向关系影响界面粘合功（Ｗａｄ）和断裂过程中金属侧所消耗的塑性变形功（Ｗｐ）,从而显著影响接头的断裂能量。界面位向关系为（１００）［０１１］Ｃｕ／／（０００１）［１１２０］Ａｌ２Ｏ３的 Ｃｕ／Ａｌ２Ｏ３接头断裂能量值最低,而具有相同位向关系的带 Ｎｂ膜中间层的 Ｃｕ／Ｎｂ／Ａｌ２Ｏ３接头的断裂能量值则最高。     

定向凝固TbDyFe合金的取向,组织和磁致伸缩性能

采用ＪＳＬ－５００区域熔化真空定向凝固装置,对ＴｂＤｙＦｅ超磁致伸缩合金定向凝固轴向择优取向、组织和磁致伸缩性能的研究表明：温度梯度ＧＬ≈７００Ｋ／ｃｍ基本不变的条件下,当昌体生长速度Ｖ≤１ｍｍ／ｍｉｎ时,晶体以平面晶方式生长;１〈Ｖ≤６ｍｍ／ｍｉｎ时,以胞状昌方式生长;Ｖ＝８－１２ｍｍ／ｍｉｎ时,晶体按胞枝晶方式生长（胞状晶树枝晶转变的初始阶段）;当Ｖ〉１５ｍｍ／ｍｉｎ时,晶体按发达的树枝晶方式     

Au/NiCr/Ta多层金属膜择优取向与残余应力的关系

研究了Au/NiCr/Ta多层金属膜的择优取向、残余应力以及它们之间的关系，结果表明，在实验范围内，残余应力随沉积温度变化不大，沉积态薄膜均表现为残余拉应力，经400℃Ar气中退火60min转变为压实力，相应出现（111）与（200）衍射峰相对强度比值减小，Au(200）取向增加时，倾向为压实力，择优取向量最大时有最低的平均残余压实力，Au(111）择优取向最大时有最高的平均残余拉应力；说明Au膜的择优取向和残余应力状态存在一定的联系。     

多层膜界面粗糙度的低角X射线衍射研究

对磁控溅射方法制备的Ｗ／Ｓｉ周期多层膜在Ｘ射线衍时仪上进行了低角Ｘ射线衍射实验，并用动力学理论分析了膜层的周期结构和界面粗糙度，在对实验谱线的拟合过程中，考虑了界面的不对称性、周期的随机涨落及系统偏差等因素对衍射强度的影响，并讨论了各个参量对衍射强度影响的程度．     

THE INTERFACE OF TERNARY-BORIDE-BASED HARD CLADDING MATERIAL

The interracial microstructure of ternary-boride-based hard cladding material (YF-2) has been studied using scanning electron microanalyser (SEM),X-ray diffraction (XRD) and energy disperse spectroscopy (EDS). Results show that there are chemical reactions and elements diffusion in the interfacial zone, which make the interface bonding well and bonding strength ideal at the interface.The results gotten by studying of crack produced by Vickers indentation technique in the interfacial zone show that it is difficult to produce crack in the interface, the crack length in the cladding layer is longer than that to the interface,the crack which propagate to the interface stops at the interface rather than propagates along the interface.This suggests negligible residual stresses have developed because of thermal expansion mismatch. The bonding strength of the interface is 550MPa, which has been gotten by cutting test. The result gotten by analyzing the fracture surface shows that the fracture occurs at the side of cladding layer, which confirms that the bonding strength at the interface is higher than that in the cladding layer.     

界面在多相金属间化合物合金形变过程中的作用

综述了近年来多相金属间化合物研究进展，强调界面对多相合金的形变过程及力学行为的影响，讨论范围限于ＴｉＡｌ基和（Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｏ）Ａｌ基多相合金，界面位错源的启动可以提高脆性相的形变能力。采用适当的制备和加工工艺可以突出多相合金中界面的有益作用，得到比较好的综合性能。