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材料研究与应用
材料研究与应用

梁振锋

季刊

1673-9981

gdys6108@163.net

020-61086285 37239026

510650

广州市天河区长兴路363号

材料研究与应用/Journal Materials Research and Application
查看更多>>本刊主要刊登有色和稀有金属的选矿与冶炼、金属材料与加工、粉末冶金、选冶药剂、分析检测、焊接技术、自动控制、节能技术等学科的学术论文、科研成果、理论探讨、专题性或综合性的动态评述等。
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    CVD法制备Inconel 718高温合金表面铝化物涂层高温氧化行为研究

    孟国辉齐浩雄杜撰刘梅军...
    187-194页
    查看更多>>摘要：Inconel 718高温合金是燃气轮机和航空发动机热端部件的关键核心材料,其表面通常制备有铝化物涂层,起到提高抗氧化和热腐蚀性能的作用.理解铝化物涂层的高温氧化行为,是提高部件抗高温氧化能力的关键.采用化学气相沉积(CVD)技术,在Inconel 718高温合金表面制备了铝化物涂层,在大气环境、950 ℃条件下开展了恒温氧化测试,采用扫描电子显微镜、X射线衍射和X射线能谱等手段,研究了其高温氧化行为,并与Inconel 718高温合金进行对比.结果表明:In-conel 718高温合金表面制备的CVD铝化物涂层,其表面粗糙,具有双层结构.外层为富含Ni和Al元素的β-NiAl层,平均厚度为14.1 μm,内层为富含Fe和Cr元素的σ相与富含Nb、Mo和Fe元素的Laves相共存的互扩散层,平均厚度为5.9 μm.恒温氧化后,Inconel 718高温合金表面氧化生成了 Cr2O3膜,而CVD铝化物涂层表面氧化生成了 α-Al2O3膜.Cr2O3膜和α-Al2O3膜的生长都遵循抛物线型生长规律,Cr2O3膜的生长速率常数为0.86 μm·h-1/2,α-Al2O3膜的生长速率常数为0.15μm·h-1/2.此外,观察发现Inconel 718高温合金发生了内氧化,而CVD铝化物涂层未出现内氧化,两者氧化行为差异的原因在于CVD铝化物涂层中的β-NiAl相,其氧化生成均匀、连续、致密的α-Al2O3膜,阻止了内部金属发生进一步氧化.本研究揭示了 Inconel 718高温合金和CVD铝化物涂层的抗高温氧化作用机理,为Inconel 718高温合金用高抗氧化性CVD铝化物涂层的制备及应用提供了技术支撑.

    Inconel718高温合金燃气轮机航空发动机化学气相沉积铝化物涂层高温氧化行为α-Al2O3β-NiAl

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    普鲁士蓝类钠离子正极材料的制备及改性研究进展

    杨志豪李昌明吴智谋钟华...
    195-206页
    查看更多>>摘要：普鲁士蓝类似物(PBAs)具有较高理论比容量和开放式三维框架结构,被认为是最具应用前景的钠离子正极材料之一.然而,大部分通过水溶液反应合成的PBAs,普遍存在[Fe(CN)6]3-/[Fe(CN)6]4-空位,水分子不可避免进入PBAs框架中形成配位水,占据了原本Na+的容纳点位,影响了 Na+的正常传输,降低了PBAs材料的比容量.PBAs晶体框架受空位影响,其离子导电性和循环稳定性在长时间循环下退化并变差,同时配位水与电解液发生副反应,进一步降低了电池的电化学性能.为解决上述问题,提高钠离子电池中PBAs基正极的比容量、循环稳定性、倍率性能和整体能量密度,重点介绍了 PBAs正极材料的制备及改性方法,并总结了各制备及改性方法的特点及效果.PBAs的制备方法包括水热法、共沉淀法和单一铁源自分解法.改性方法包括制备工艺优化和材料复合改性,其中制备工艺优化包括螯合剂、脱水、提高前驱液Na+浓度和结构纳米化,材料复合改性包括元素掺杂、表面涂层、异质结构和复合材料.研究表明,在富含Na+的前驱液中,采用螯合剂辅助共沉淀法,通过合成过程的水浴加热及样品制备后的真空干燥,可获得空位少、水分少的高结晶度PBAs.将制备的PBAs样品与导电剂进行复合,可进一步改善其电子导电率及倍率性能,有望获得高容量、高循环特性及满足高倍率需求的正极材料.综上所述,PBAs作为钠离子正极材料,可通过对其合成方法和改性研究的不断创新,进一步优化其电化学性能,使其在未来具有广阔的应用前景.

    钠离子电池普鲁士蓝类似物正极材料制备工艺材料改性电化学性能螯合剂研究进展

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    Nb掺杂改性LiNiO2正极材料的制备及电化学性能研究

    孟祥聪刘丽英
    207-214页
    查看更多>>摘要：高镍层状氧化物LiNiO2具有高理论比容量和相对低廉价格,被认为是下一代锂离子动力电池的正极材料之一.当LiNiO2正极材料应用于锂离子电池时,其循环稳定性无法满足要求,需经改性后才能得以应用.采用固相法合成了 Nb掺杂的层状LiNi1-xNbxO2(x=0.005、0.01、0.015)正极材料,利用X射线衍射、扫描电子显微镜和X射线能谱等测试手段,分析了 Nb掺杂量(摩尔百分比)对其晶体结构、微观形貌及元素分布的影响,并通过恒电流间歇滴定和交流阻抗测试研究了其电化学性能.结果表明,随着Nb元素掺杂量的提高,LiNi1-xNbxO2材料的晶格晶面间距逐渐扩大,一次颗粒尺寸逐渐减小.在LiNiO2材料中引入Nb5+离子,提高了 LiNi1-xNbxO2材料的锂离子扩散系数,并通过稳定晶体结构,抑制了 Nb掺杂材料在充放电过程中的相变,有利于其电化学性能的提升.当Nb掺杂量为1％时,LiNi1-xNbxO2材料表现出较好的倍率性能,在10 C大电流密度下的放电比容量高达134.1 mAh·g-1;随着Nb掺杂量的增加,LiNi1-xNbxO2材料循环稳定性同步提升,当Nb掺杂量为1.5％时,LiNi1-xNbxO2材料经150次循环后的容量保持率为73.3％,远高于未掺杂LiNiO2样品的36.2％.表明,Nb掺杂可改善LiNiO2正极材料的晶体结构和电化学性能,为其在下一代锂离子动力电池的应用提供了理论依据.

    锂离子电池LiNiO2正极材料Nb掺杂改性xNbxO2固相法掺杂量电化学性能容量保持率

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    氧化锂基复合正极补锂材料的制备及对电池电化学性能的影响

    谢宇曾林勇傅焰鹏施志聪...
    215-224页
    查看更多>>摘要：锂离子电池在首次充放电过程中,其负极表面形成的固态电解质界面(SEI)膜会消耗部分正极材料的活性锂,导致不可逆的容量损失,降低锂离子电池能量密度.为解决此问题,选用氧化锂作为牺牲锂盐以补偿锂离子电池的首次不可逆容量损失,提高电池容量和循环性能.通过将催化剂LiMnO2、Li2O和导电炭黑(SP)按一定质量比研磨混合,制备了 Li2O基正极补锂材料LiMnO2/Li2O/SP.为研究其补锂性能,选用磷酸铁锂作为正极,石墨作为负极,TCGG-Si作为电解液,组装了 2032扣式全电池,通过充放电测试,研究了该正极补锂材料对电池电化学性能的影响.结果表明,当LiMnO2/Li2O/SP的质量分数分别为50％、45％和5％时,在10 mA·g-1的电流密度下充电至4.3 V,LiMnO2/Li2O/SP复合材料的首次充电比容量可达526.5 mAh·g-1,首次库伦效率为14.63％,其在首次充电过程中分解释放活性锂的过程是不可逆的,并在第4次后完全丧失容量,说明Li2O/LiMnO2/SP复合材料可以作为补锂材料添加到正极材料中.将质量分数为3.6％的Li2O/LiMnO2/SP复合材料加入到磷酸铁锂半电池中,半电池的首次充电比容量为186.5 mAh·g-1,相较LiFePO4比容量(166.8 mAh·g-1)提高了 19.7mAh·g-1,说明补锂剂已发挥作用,该部分多余的容量可用于形成石墨SEI膜.将Li2O/LiMnO2/SP添加到磷酸铁锂-石墨全电池体系中作为正极补锂剂,不仅可补偿石墨负极的首次不可逆容量损失,还可提高全电池的循环性能.全电池的首次可逆容量为158.2mAh·g-1,循环100次的可逆比容量为108.0 mAh·g-1;相较于未添加情况,全电池首次充电比容量增加了 12.9mAh·g-1,可逆比容量提高了 11.6mAh·g-1,经100次循环后容量保持率提升了 13.90％.

    正极补锂亚锰酸锂氧化锂锂离子电池导电炭黑电化学性能固态电解质界面(SEI)充放电

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    Mo掺杂La0.8Sr0.2Co1-xMoxO3-δ的电催化析氧、析氢性能研究

    柯文学李俊贤杨广俊梁萍...
    225-234页
    查看更多>>摘要：电解水制氢是一种清洁、高效和安全的技术,极具发展潜力的制氢手段.电解水制氢过程中,阳极析氧(OER)和阴极析氢(HER)动力学缓慢,需要较高的过电位突破能量壁垒,导致耗能较高.高效OER和HER催化剂的使用是提高电解水效率的关键,开发高活性、高稳定性和低成本的OER和HER双功能电催化剂,可极大促进电解水制氢的产业化发展.钙钛矿氧化物(结构式ABO3)电催化剂具有储量丰富、结构与成分易调控等优点,在电催化水分解制氢催化剂的研究中广受关注.钙钛矿氧化物的B位离子掺杂是增强其电催化活性的常见策略,合理选择B位掺杂元素的种 类和含量,不仅可调控钙钛矿氧化物的晶体结构、获得更高的催化活性,还可赋予其双功能催化性能.以La0.8Sr0.2CoO3-δ钙钛矿氧化物为原料,通过高价Mo离子掺杂,采用固相合成法制备了 La0.8Sr0.2Co1-xMoxO3-δ(LSCM,x=0、0.05、0.1、0.2)系列钙钛矿材料,研究了 Mo掺杂量(质量分数)对钙钛矿材料电催化析氧和析氢性能的影响.结果表明,掺杂少量Mo元素,不会改变LSCM的物相和微观形貌,但可有效提升OER和HER的催化活性,其主要原因是Mo掺杂改变了 Co的价态、氧空位和晶体结构对称性.适量Mo元素掺杂对LSC钙钛矿氧化物的析氢和析氧性能均有提高,但随着Mo掺杂量增多,LSCM的OER和HER催化活性均开始下降.当Mo质量分数为5％时,La0.8Sr0.2Co0.95Mo0.05O3-δ(LSCM-5)具有最优异的 OER 和 HER 催化活性,在 10 mA·cm-2 电流密度下,OER和HER过电位分别为457和320 mV,Tafel斜率分别为89和32 mV·dec-1.本研究证明,B位Mo掺杂,对开发低成本、高性能的析氢和析氧双功能钙钛矿氧化物电催化剂具有一定实用价值.

    钙钛矿氧化物La0.8Sr0.2CoO3-δ点解水制氢Mo离子掺杂固相合成法析氢析氧性能双功能催化剂催化活性

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    Mn掺杂Co3O4电催化剂的制备及析氧反应性能研究

    黄楚蓉岳鑫
    235-240页
    查看更多>>摘要：氢能对于缓解能源危机和环境污染意义重大.电化学水分解过程中,阳极析氧反应(OER)作为能量转换装置的关键半反应,由于电子-质子转移形成了复杂的中间产物,导致动力学缓慢,限制了产氢速率.传统OER催化剂包括二氧化铱、二氧化钌等贵金属,存在储量低、价格昂贵、稳定性差等缺点,因此设计开发高效、廉价的非贵金属OER催化剂是解决OER动力学缓慢问题的关键.尖晶石氧化物(AB2O4)具有特殊的电子结构和优异的OER性能,并可通过杂元素原子掺杂进一步提高其OER性能,被认为是一种具有潜力的非贵金属电催化剂.采用一步水热法,合成了 Mn掺杂Co3O4电催化剂Mn-Co3O4,研究了其电催化性能和稳定性.结果表明,利用Mn原子的掺杂,构建了氧桥连的Mn-O-Co配位结构,通过协同耦合作用,提高了 Mn-Co3O4的OER催化性能.制备的Mn-Co3O4催化剂表现出高效的催化活性,在电流密度10和100 mA·cm-2下,其过电位分别为270和335 mV.Mn-Co3O4同时表现出快速的动力学性能,Tafel斜率低至74 mV·dec-1.此外,Mn-Co3O4还具有优异的稳定性,在电流密度10 mA·cm-2下可稳定保持40 h.本研究为开发高效的OER催化剂提供了思路.

    尖晶石氧化物Co3O4Mn原子掺杂一步水热法一步水热法阳极析氧反应非贵金属电催化剂催化活性稳定性

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    无钴富锂锰基正极材料Li1.2Ni0.2Mn0.6O2的表面改性及电化学性能研究

    朱守聪施志聪
    241-247页
    查看更多>>摘要：无钴富锂锰基正极材料Li1.2Ni0.2Mn0.6O2因高比容量、低成本等优点备受关注,是极具潜力的下一代锂离子电池正极材料.然而,Li1.2Ni0.2Mn0.6O2材料存在首次库伦效率低、倍率性能差及容量衰减等问题,限制了其进一步发展.为解决此问题,采用柠檬酸溶液表面处理结合再重新煅烧方法,通过在其表面包覆一层尖晶石相,对Li1.2Ni0.2Mn0.6O2开展了表面改性研究,并对改性前后样品进行物理表征和电化学测试分析.结果表明,改性前后的Li1.2Ni0.2Mn0.6O2正极材料,形貌基本一致,均为尺寸100-400 nm的不规则颗粒,改性后的粉末颗粒边缘略有不平整.使用柠檬酸溶液表面处理后,Li1.2Ni0.2Mn0.6O2材料形成了内部为层状相、表面为尖晶石相的结构.尖晶石相的存在不仅为锂离子扩散提供了三维离子扩散通道、提高倍率性能,还可充当正极材料表面与电解液间的保护层,提高首次库伦效率,改善循环性能.改性后的Li1.2Ni0.2Mn0.6O2的首次库伦效率为92.4％,可逆比容量为292 mAh·g-1,与改性前相比分别提高了 13.8％和22 mAh·g-1,并且在不同倍率下的可逆比容量和长循环容量保持率均有明显提升,表明其具有更好的倍率性能和更优的循环稳定性能.本研究提出了一种无钴富锂锰基正极材料表面改性方法,该改性方法操作简单、效果明显,可应用于不同组分的富锂正极材料,为富锂锰基正极材料的进一步发展提供了新的思路.

    锂离子电池富锂正极材料富锂锰基正极材料表面改性首次库伦效率尖晶石相电化学性能可逆比容量

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    先进表征技术在锆合金显微组织研究中的应用进展

    李明阳杜艳华
    248-260页
    查看更多>>摘要：锆合金具有良好的核性能、力学性能和加工性能,是一种重要的结构材料,在核工业、航空航天和医疗设备等领域中应用前景广泛.深入了解锆合金显微组织对于掌握其性能和性质至关重要,其显微组织(如第二相、氧化膜、氢化物等)在加工和服役过程中的演变规律及对性能影响正得到材料科学、核工程领域研究者的广泛关注.先进表征技术,如电子显微分析技术、电子探针显微技术、原位表征技术及原子探针分析技术等已被应用于锆合金显微组织研究.电子显微分析技术,可对锆合金包壳的第二相、氢化物和氧化膜的显微组织特征进行表征,为锆合金包壳材料性能的优化改进提供支持.电子探针显微技术(EPMA)是高分辨率显微技术,可对锆合金的微观结构及表面特征进行分析.原位表征技术,包括透射电子显微镜原位辐照技术、原位电化学阻抗谱技术、原位拉伸实验和原位拉曼光谱.透射电子显微镜原位辐照技术,可用于研究锆合金在辐照条件下的行为及辐照引起的微观结构变化;原位电化学阻抗谱技术,可用于研究锆合金在腐蚀过程中的阻抗模量及氧化膜厚度的变化;原位拉伸实验,可实时观察锆合金的变形行为;原位拉曼光谱,可用于检测锆合金成分及结构的变化.原子探针分析技术,可对锆合金中元素偏聚现象、氧化过程、氢的分布及纳米尺度下原子分布情况的表征.综述了先进表征技术在锆合金微观组织研究中的应用进展及存在的问题,展望了锆合金显微组织的未来研究方向.本研究为深入了解锆合金的微观结构提供了参考,深化了对锆合金组织结构及性能的认识.

    锆合金显微组织先进表征技术应用进展电子显微分析电子探针原位表征技术原子探针

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    热双金属复合材料的研究现状与展望

    黄念成冯波冯晓伟李达...
    261-269页
    查看更多>>摘要：热双金属复合材料是一种利用先进复合技术,使两种及以上具有不同热膨胀系数的金属复合形成冶金结合的层状复合材料.该材料可发挥不同金属的自身性能优势,实现复合材料的性能互补,同时因其形状可随环境温度改变而调控的特性,被广泛应用于电子电器领域.随着电子科学技术飞速发展,对热双金属产品品质的要求也日益提高,总结并展望该材料在该领域的研究现状与前景意义重大.围绕电子电器领域的热双金属复合材料,综述了其制备原理、特性、组元构成、主要性能指标和制造技术.热双金属复合材料的工作原理是通过复合技术将两种及以上的金属层交替叠加并紧密结合,由于不同金属各异的热膨胀系数,当通过环境传导或自我发热方式受到热力刺激时,整个材料发生弹性弯曲变形而发生形状变化.热双金属的组元构成是影响其性能的重要因素,选择合适的金属组元可以使其具备更优异的性能.常见的组元包括钢-铝、铜-铝等,高膨胀层一般为锰铜合金,低膨胀层一般为铁镍合金.通过合理设计不同金属的层厚比例和堆叠顺序,可以调控材料的热膨胀性能和机械强度,主要性能指标包括材料的热膨胀系数、电导率和机械强度等,其中热膨胀系数决定了材料在不同温度下的形状变化程度,电导率影响了材料在电子电器中的导电性能,而机械强度则直接关系到材料的使用寿命和稳定性.制造技术是影响热双金属复合材料品质的关键因素之一,常见的制造技术包括爆炸复合、轧制复合和粉末冶金等.不同的制造技术会影响材料的结合程度、微观结构及性能稳定性,因此在选择制造技术时需要考虑到具体的应用场景和要求.最后,对热双金属复合材料未来的主要发展方向进行了展望.

    热双金属复合材料电子电器热膨胀系数电导率机械强度先进复合技术研究进展

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    喷印金属双液滴撞击固体形成气泡的模拟研究

    游自浩陈小勇苏仁健
    270-279页
    查看更多>>摘要：喷墨打印镓金属液滴撞击固体表面时会产生空气夹带,造成气泡沉积出现喷墨打印导线不互联现象,深入理解气泡形成的影响因素是解决此问题的关键.为消除气泡,提高打印导线互联性,本研究使用Ansys Fluent软件,采用VOF耦合水平集方法,建立了二维镓金属双液滴撞击固体铜基板过程的仿真模型,研究了水平壁面温度、双液滴间距、倾斜壁面角度、倾斜壁面温度等参数对金属双液滴撞击固体壁面形成气泡过程的影响规律.研究结果表明,对于水平基板,在不同基板温度下气泡的大小呈现双向变化,金属双液滴间距的增加更有利于液滴铺展.当金属双液滴间距S=D0-2.38D0时,有气泡形成;当S=2.38D0-2.5D0时,液滴铺展出现断裂,且气泡随温度的增加没有明显变化;当金属双液滴间距S=2.6D0时,随着温度的增加不再产生气泡,此时喷墨打印液滴表现出最佳精度,提高了打印导线的互联性.对于倾斜基板,使用参数韦伯数(We⊥)和参数(K⊥)表征金属双液滴形成的气泡,当撞击倾斜壁面韦伯数We⊥＞15、K⊥＞0.035时,液滴会在固体表面上形成气泡;当We⊥＞16、K⊥＞0.04时,形成的气泡直径随壁面温度的增加而减小;当15＜We⊥＜16、0.035＜K⊥＜0.04时,液滴出现铺展断裂,并且气泡直径随着壁面温度的增加而减小;当5＜We⊥＜15、0.015＜K⊥＜0.035时,液滴铺展断裂且气泡直径变大;当We⊥＜5、K⊥＜0.01时,液滴在基板形成的气泡消失,此时为喷墨打印液滴的最佳精度,可提高打印导线的互联性.该研究为优化喷墨打印金属液滴的工艺提供了重要理论依据,有望在实际应用中消除气泡,进一步提高喷墨打印导线的互联性.

    喷墨打印镓金属液滴液滴铺展气泡有限元模拟壁面角度壁面温度双液滴间距互联性

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