纳米金属多层膜的强韧化及其尺寸效应

如何有效地协调和平衡材料强度与韧性之间的矛盾,大幅度地提高结构材料的损伤容限,是非均质金属材料微观结构敏感性设计的巨大挑战。纳米金属多层膜作为一类典型的非均质金属材料,由于不仅可以调整其组元几何和微观结构尺度,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,因此在获得高强高韧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多层膜塑性变形强韧化机制及其尺寸与界面效应研究的最新进展,分别阐述了晶体/晶体Cu/X(X=Cr,Nb,Zr)与晶体/非晶Cu/Cu-Zr金属多层膜/微柱微观结构-尺寸约束-服役性能三者之间的关联性,并对纳米金属多层膜研究的发展趋势进行了展望。     

金属Cu纳米晶体的显微硬度及微结构研究

为了研究自悬浮-模压法制备的纳米金属晶体材料的有关性能及微观结构特征,采用自悬浮定向流技术制备出纳米Cu粉,经过常温模压得到金属Cu纳米晶体材料,测试了样品的室温显微硬度,并探讨了不同的压制工艺对金属Cu纳米晶体材料显微硬度的影响;利用X射线衍射谱和正电子湮没技术分别分析了纳米Cu晶体的平均晶粒尺寸和其内部的孔隙状态.研究结果表明:金属Cu纳米晶体的平均晶粒尺寸为25 nm,显微硬度随压制工艺而变化,达1.55～1.90GPa,为粗晶Cu的3～4倍;材料内部缺陷大部分为单空位和空位簇,微孔隙的数量很少.     

纳米多层金属复合材料研究进展

向金属中加入纤维、颗粒、晶须等增强体是提高金属复合材料力学性能的重要途径。而现代工业的不断发展对材料的多功能性提出了更高的要求。为改善材料的综合性能,保证其在高温、辐照等极端条件下的使用,研究人员设计了由纳米级交替层组成的材料体系——纳米多层金属复合材料。由于其具有极高的界面密度,可以有效地阻碍位错移动从而强化材料,同时促进了辐照缺陷的吸收,有效减轻金属的辐照损伤,在快堆、聚变堆等先进核反应堆中具有重要的应用前景。近年来,纳米多层金属复合材料在国内外得到了广泛而深入的研究,在制备技术、结构表征和综合性能等研究方面取得了长足的进步。以Cu/Nb纳米多层复合材料为例,综述了其制备技术、变形行为及热稳定性、抗辐照性、导电性等综合性能的研究进展,并探讨了纳米多层金属复合材料的发展趋势及应用前景。     

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。     

难混溶材料的抗辐照性能研究

核能利用是我国未来能源领域发展的重点,核电设备结构和功能部件难以避免地受核辐照损伤影响,材料因辐照点缺陷损伤聚集作用逐渐产生性能退化进而影响核电设备安全.因此,新型抗核辐照材料开发始终是核电应用的基础方向.近年来,难混溶材料体系因其结构和热力学特殊性受到广泛关注,是当前开发新型抗辐照材料的主要方向,但辐照损伤动力学过程具有时间跨度大、空间尺度广的特点,辐照缺陷的产生及其相互作用机制仍难以厘清.本文从我国核电发展迫切需求出发,立足于辐照下材料的基本变化和相关原理,从难混溶Cu?Nb纳米多层结构的抗辐照材料设计和辐照损伤的动力学模拟两方面对核辐照材料研究进行了评述,并进一步对比分析了纳米多层膜的超硬效应与抗辐照多层膜的相似性,为抗辐照材料设计提供新的设计思路.     

核结构材料用多主元合金辐照损伤的研究进展

开发具有优异综合性能的核反应堆结构材料是核能发展的基础,并且是长期以来制约核能推广的难点之一。多主元合金（multiprincipal element alloys,MEAs）因具有良好的抗辐照性能、力学性能而被认为是先进反应堆结构材料的候选材料,为新型抗辐照材料的设计开辟了广阔空间。近年来,有关多主元合金在辐照损伤方面的研究多试图揭示多主元合金一些因素和特性对辐照过程中缺陷形成与演变的影响。例如：主元种类和数目、主元浓度、晶格畸变、化学短程序等。尽管现有的一些研究结果表明以上因素可以提高多主元合金抗辐照损伤能力,但是在不同辐照条件下,以上因素对多主元合金中缺陷形成和演变的影响机制存在较大差异,难以得出普适性的结论。本文围绕FCC和BCC系两类多主元合金的辐照肿胀、氦泡形成、辐照诱导元素偏析和相变、辐照硬化四方面内容,综述了近年来多主元合金在辐照损伤方面的研究进展,总结了多主元合金提高抗辐照性能的作用机制,并在此基础上对核电结构用多主元合金的未来研究方向做出了展望,包括短程序调控、高熵陶瓷、增材制造、高通量结合机器学习加速材料开发等。最后指出必须从合金成分设计的角度出发,基于材料服役的...     

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。     

高熵合金辐照损伤的实验研究进展

尽管人们在半个世纪前就已经在Fe-Cr-Ni体系中发现主元浓度的改变对合金的抗辐照肿胀性能有重要影响,但在很长一段时间内未能系统深入地理解其中的物理机制,也未能据此形成依托主元调控的体系化的抗辐照合金设计方法。高熵合金的出现和发展拓展了抗辐照材料的设计空间,同时也为系统研究合金主元对辐照损伤的影响机制提供了理想的平台。近年来,针对高熵合金开展了一系列载能粒子(包括电子、离子和中子)辐照实验,力图揭示辐照下主元特征(包括数目、种类和浓度等)对合金微观结构和性能演化的影响。现有结果表明,通过调控辐照下的能量耗散过程以及缺陷的形成能和迁移能,化学复杂度较高的合金中辐照缺陷演化在总体趋势上有所减缓,尤其是间隙原子型缺陷团簇尺寸下降,在高温辐照下对孔洞以及氦泡的形成也有所抑制。尽管已有实验证据表明,通过适当的主元调控可以在保持合金组织结构的情况下提升其抗辐照性能,但是必须指出,不同主元组合和结构的高熵合金在不同辐照条件(温度、剂量、粒子种类)下的稳定性、肿胀及力学性能演化有着较大的乃至定性上的差异,因此目前并不能简单地得出高熵合金在整体上是否具有更好的抗辐照性能的结论。本文回顾并整理了关于高熵合金辐照损伤方面的主要实验研究进展,总结了当前对合金辐照损伤主元效应的理解以及对高熵合金抗辐照性能的评价,讨论了现有研究的局限以及尚未理解的实验现象,并对后续高熵合金辐照损伤研究及抗辐照高熵合金设计进行了分析和展望。     

高熵合金:面向聚变堆抗辐照损伤的新型候选材料

随着核聚变技术的发展,材料的辐照损伤作为制约其发展的重要问题越来越受到人们的关注。材料在聚变堆服役时面临着高温、高密度等离子体溅射、腐蚀、中子辐照等一系列极端工况,这就要求材料具备良好的力学性能、抗中子辐照能力、抗等离子体溅射能力、耐腐蚀等诸多特性。近年来,高熵合金作为一种面向聚变堆抗辐照损伤的新型候选材料逐渐发展起来,其抗辐照损伤能力的评估以及辐照损伤机理都值得深入研究。高熵合金是一种新的合金设计理念,可通过多主元合金自身较高的熵值和原子不易扩散的特性获得热稳定性高的固溶相。高熵合金具有区别于传统合金的特性,包括高熵效应、晶格畸变效应、迟滞扩散效应以及性能上的"鸡尾酒"效应,这些特性使高熵合金具有高的强度和硬度、耐腐蚀性能、抗高温软化性能、良好的软磁性能等优势。目前高熵合金的辐照损伤研究主要通过离子辐照进行,集中在位错环演化、氦泡演化以及相稳定性的研究等方面。研究发现,离子辐照后高熵合金中的位错环、氦泡的尺寸被显著减小,这归因于高熵合金基体本身存在较大的畸变,它们作为吸附空位、氦原子等缺陷的阱缓解了辐照损伤。另外,目前针对聚变堆的高温工况,开发了以V、Hf、Ta、W等高熔点元素为主元的抗辐照难熔高熵合金体系。本文对高熵合金辐照损伤行为的研究现状与进展进行了归纳与梳理,包括高熵合金离子辐照下位错环和氦泡的演化规律、高熵合金离子辐照下基体及析出物的相稳定性、高熵合金在中子辐照下的辐照行为等,并介绍了面向聚变堆的抗辐照难熔高熵合金体系的开发与研究进展。最后对未来的研究方向进行了展望,以期为面向聚变堆的抗辐照高熵合金的开发提供参考。     

基于损伤容限设计的机体金属材料力学性能综合表征与评价

随着结构耐久性和损伤容限设计概念的引入,机体结构设计选材越来越注重材料的损伤容限特性.考虑到材料的使用应力,提出用稳定裂纹扩展阶段da/dN-3ΔK/σb曲线来表征材料的损伤容限特性.对航空常用金属材料的分析结果表明,采用这种表征方法能较为全面地反映材料的损伤容限特性.建立了材料使用应力与疲劳寿命和裂纹扩展寿命的关系图,此图可以用来综合评价材料的静强度、疲劳和损伤容限特性,提高选材的准确性,也可由结构设计要求提出材料的性能指标来指导新材料的研制.     

“高熵合金”专题序言EI北大核心CSCD

高熵合金是基于多组元成分构成且易于形成简单固溶体的一种新型合金,研究揭示该合金表现出传统金属所无法比拟的特性,如:超常的低温韧性,良好的抗热软化性/高温强度,优异的耐磨性以及良好的抗辐照损伤性等,因此也成为最具有发展潜力和应用前景的材料之一。     

纳米晶Cu室温冷轧行为研究

利用电解喾技术制备出高纯度、高致密度的块状纳米Cu.何况哟室温下冷轧，延伸率可高达5100％，且冷轧过程中无加工硬化效应产生，微观结构分析表明纳米晶体Cu的变形机制是由晶界运动来控制而非普通粗晶体材料的位错运动机制。这恶性循环骨力地证明了纳米晶体材料具有与普通多晶材料安全不同的力学行为，并为深入理解纳米材料的结构性能关系及拓展纳米材料的工业应用开辟了新路。     

纳米管状聚苯胺金属镀覆及抗电磁波性能

利用碳纳米管-纳米管状聚苯胺复合材料，进行化学无电金属镀层。经过采用Ni、Cu和Ni—Cu复合镀层工艺试验对比，形成了纳米金属镀层复合物。通过SEM观察发现纳米结构的金属颗粒在聚苯胺分子的表面形成了均匀分布和稳定的结合，利用TG、XRD等一系列实验分析表明镀层材料具有良好的金属-纳米管状聚苯胺晶体共轭结构。通过压片法，利用波导管进行抗电磁波性能分析，电磁波的屏蔽效应达到了40dB，证明该材料在电磁屏蔽及相关电子、传感器等技术应用中，将具有良好的应用前景。     

Zr基氮化物／金属Cu纳米多层膜的强韧化研究

多层结构可以提高材料的强度、弹性模量和韧性。当尺寸减小到纳米量级时,性能将产生飞跃变化。首先探讨了多层结构提高强度、弹性模量和韧性等性能的基本原理,然后阐明了纳米尺度效应及理论,重点以过渡族金属氮化物ZrN纳米多层膜为例,研究了氮化物／金属（ZrN／Cu）纳米多层膜、ZrAIN纳米复合膜以及ZrAIN／Cu纳米多层膜的强韧化性能。结果表明,ZrN／Cu纳米多层膜的断裂韧性约是二元ZrN薄膜的2倍。当纳米多层膜的Cu单层厚度为2013131时,多层膜的K1C值最高。ZrAIN复合膜的断裂韧性与Al含量密切相关,当Al原子分数为23％时,薄膜的KIc值达3．17MPa·m^1/2,其硬度〉40Gpa,Al原子分数为47％的薄膜的K1C值则降低到1．13MPa·m…。,其硬度降低至17．1GPa。与z州／cu纳米多层膜和ZrAlN复合膜相比,以ZrAIN层和cu层为调制结构制备的ZrAlN／Cu纳米多层膜具有最高的硬度和最好的韧性。     

Cu/NbMoTaW纳米叠层材料具有尺寸效应的力学性能及变形机制（英文）

高熵合金(HEA)由于其在恶劣环境中优异的力学性能引起了研究者的广泛关注.我们将高熵合金NbMoTaW引入到纳米叠层材料中,制备出等层厚的Cu/HEA纳米多层膜,综合研究了其具有尺寸效应的力学性能及变形行为.实验表明,Cu/HEA纳米多层膜的硬度随着层厚h的减小而增加,随后在h≤50 nm的区域到达一个平台,而应变速率敏感性出现了一个最大值,这是由于Cu和HEA两相对应变速率敏感性的影响从协同转变为竞争.在层厚较大时,非共格界面导致Cu/HEA多层膜在变形后出现了剪切带,并且软相Cu层主导变形.     

核/壳型碳包覆金属纳米胶囊的微波吸收性能

具有核/壳结构的碳包覆金属纳米胶囊由于可调节的成分与结构特征,可以实现微波频段内相互协调的磁损耗和介电损耗特性,从而获得优异的微波吸收性能,近年来受到研究者的广泛关注。碳外壳的包覆不仅改善了纳米材料的物理和化学性质,由此引入的核/壳异质界面还在微观结构上赋予纳米胶囊新的微波吸收机制,建立了合适的电磁匹配。首先介绍了通过直流电弧放电制备碳包覆金属纳米胶囊的方法,简要分析了该方法中纳米胶囊的形成机制。介绍了一些关于碳包覆纳米胶囊的结构设计及其在微波吸收材料方面的应用探索,包括不同核壳尺寸结构的设计、引入异质原子等不同方法对纳米胶囊在微波频段内的介电损耗和磁损耗能力的调控。     

ODS钢的抗辐照设计及纳米第二相粒子表征的研究进展

先进裂变反应堆及聚变堆要求材料在高温高压、强中子辐照、长服役周期等苛刻服役环境下具有卓越的结构和性能稳定性。氧化物弥散强化(ODS)钢由于具有优异的耐高温及耐辐照性能成为第四代反应堆包壳及核聚变包层最有希望的候选材料。基于材料的中子辐照损伤特性,主要介绍了ODS钢的抗辐照设计及纳米第二相粒子的表征方面的研究进展。     

193 nm激光下不同含量Y杂质CaF2晶体辐照损伤研究(英文)

氟化钙晶体的抗辐照性能是其在深紫外光刻应用中的关键性能之一,目前氟化钙晶体在193nm激光辐照下的损伤过程尚不清楚。本文报道了193 nm激光辐照下氟化钙晶体的损伤行为及影响损伤的关键缺陷因素。通过193nm激光辐照试验,发现晶体损伤主要表现为晶体内部产生的辐照诱导色心与表面产生的辐照诱导损伤坑。通过紫外–可见分光光度计对辐照诱导色心分析,并将不同色心吸收系数与Y杂质含量进行线性拟合。结果表明:Y离子具有与F心结构波函数发生重叠的低位轨道,两者发生轨道杂化易形成色心稳定结构;线性拟合结果表明Y离子含量与氟化钙晶体本征色心之间存在线性关系,说明Y元素是影响色心形成的关键杂质离子。实验表征了辐照诱导损伤坑的元素分布和结构缺陷。EDS结果表明损伤坑处伴随着钙元素含量上升和氟元素含量下降,证实H心扩散、F心聚集导致了辐照损伤;EBSD结果表明表面辐照损伤优先在位错处产生。因此,降低杂质含量及位错密度是提高氟化钙晶体在193 nm激光下抗辐照损伤性能的重要途径。     

超强金属/高熵合金纳米叠层材料:利用相变的尺寸约束效应（英文）

本文通过磁控溅射制备了具有相同组元层厚度(h=5–150 nm)的Cu/Fe₅₀Mn₃₀Co₁₀Cr₁₀和Cu/Fe₅₀Mn₃₀Co₁₀Ni₁₀金属/高熵合金纳米多层膜,对比研究了强约束条件下非等原子比Fe₅₀Mn₃₀Co₁₀Cr₁₀和Fe₅₀Mn₃₀-Co₁₀Ni₁₀高熵合金的相稳定性及其对力学性能的影响.沉积过程中由于组元Cu层的约束与模板效应,组元Fe₅₀Mn₃₀Co₁₀Cr₁₀层在层厚小于25 nm时发生了尺寸驱动的HCP到FCC相变.与此同时,由于堆垛层错可以作为相变的形核质点, Cu/Fe₅₀Mn₃₀     

航空用损伤容限型钛合金研究与应用

为了满足新型飞机的大尺寸、高减重、长寿命和低成本的设计与应用需求,采用损伤容限型钛合金材料及其应用技术是一条重要途径。国外发达国家已经在新型损伤容限型钛合金材料研制和在先进飞机上的应用方面走在了前列,特别是像中强度的Ti-6Al-4VELI和高强度的Ti-6-22-22S等,已经成功地应用在了美国F-22/F-35,C-17等新一代飞机中,大大地提高了飞机的使用寿命和战斗力。这几年我国先后自主创新发展了中强度损伤容限型钛合金TC4-DT和高强度损伤容限型钛合金TC21,建立了损伤容限型钛合金的β处理加工技术,为我国新型飞机的研制奠定了材料应用技术基础。通过分析国内外损伤容限型钛合金材料及其新型加工工艺技术的研究发展情况,结合我国新型损伤容限型钛合金材料研究进展,重点探讨了新型损伤容限型钛合金的材料特点、性能水平和应用前景。