用非平衡磁控溅射的方法在室温下制备了光滑、均匀、致密的类金刚石(DLC)薄膜, 分析和研究了DLC膜的形貌、结构和摩擦特性. 结果表明, 靶工作电流对DLC膜的沉积有重要的影响. 随着工作电流的增大, 薄膜的沉积速率增大, 薄膜中sp{3}键的含量增加. 薄膜的摩擦系数随着工作电流的增加略有增大, 在摩擦的初始阶段, 摩擦系数较高, 随着摩擦循环次数的增加, 摩擦系数逐渐减小, 并逐渐趋于稳定.

用裂纹与位错的相互作用模拟了刃型位错从Ⅰ型裂纹尖端沿多个滑移面的发射,得到了裂纹尖端周围塑性区和无位错区的形状和大小.结果表明,与宏观断裂力学算出的塑性区形状相比,本文给出的塑性区向裂纹前方倾斜;无位错区的形状与塑性区的相似.以应变能密度因子理论为判据,当存在明显的无位错区时,塑性区使裂纹扩展的潜力下降,但扩展方向不变;而当塑性区充分发展、无位错区的作用减小或消失后,裂纹扩展的方向可能发生变化.

用螺旋选晶法制备镍基单晶高温合金SRR99,研究了抽拉速率对其组织和性能的影响.随着抽拉速率的增大,SRR99单晶合金的铸态组织由粗枝状晶向细枝状晶演变,枝晶干与枝晶间的γ′相尺寸减小,且枝晶间γ′相的形状逐渐趋向于规则立方体形状,而γ-γ′共晶的含量增加.热处理后,在高抽拉速度下生成的共晶组织更容易固溶,形成更加均匀的组织.随着抽拉速率的增大,SRR99单晶合金的持久寿命延长.

综述了贝壳珍珠层、蛛丝结构、毛竹外密内疏结构、骨骼哑铃型结构、植物的根部网状结构以及木材的年轮结构等天然生物材料的结构特征及其相应的仿生材料近年来的研究进展; 展望了结构仿生材料的前景,认为应对现有生物体的结构特征与其性能的相关性进行进一步的研究,并对已经解析的结构从不同的角度构筑模型,在实际应用中寻找模型和仿生材料设计的结合点, 以推动仿生材料学的发展.

介绍了天然生物材料、生物医用材料及其在近期内研究较多的几个关键领域、特别是生物材料的仿生学研究的最新进展及发展方向.

针对奥氏体合金中次生$\eta$相与基体位向关系存在的不同看法, 研究了铁镍基奥氏体合金大量次生$\eta$相的析出机理. 结果表明, $\eta$相与基体之间有良好的共格关系: $\{001\}_{\eta}//\{111\}_{\gamma}$, $\langle 110\rangle_{\gamma}//\langle 210\rangle_{\eta}$. 晶界$\eta$相首先在一般无规晶界$\gamma^{\prime}$相处通过不全位错滑移产生堆垛层错带的 方式形核, 之后通过原子控制长程扩散机制的台阶方式在基体中长大, 进入晶界另一侧与之匹配差的晶粒中, 晶界随之一起迁动. $\eta$相的析出伴随着附近区域$\gamma^{\prime}$相的溶解和消失.\par}

测试二元NiAl合金、NiAl--Al2O3--TiC原位内生复合材料以及NiAl--Cr(Mo)--Hf共晶合金的室温摩擦磨损性能, 研究了磨损机制. 结果表明: NiAl材料的抗磨损性能与材料的硬度和断裂韧性成正比, 在磨损过程中硬质陶瓷颗粒能有效地传递应力和起到支撑作用, 减轻材料的磨损. 因此NiAl--Al2O3--TiC复合材料的抗磨损性能最好, 在相同工况下其磨损率为NiAl--Cr(Mo)--Hf共晶合金的1/4-3/4和二元NiAl合金的1/20-1/10. 摩擦系数随着三种NiAl材料硬度的提高而降低. 三种NiAl材料的室温干摩擦磨损过程受控于塑性变形, 其磨损机制主要是磨粒磨损机制, 随着载荷的增加, 磨损表面依次呈现出塑性变形、显微剥落和粘着磨损特征, 磨损机制的改变对磨损率和摩擦系数具有重要的影响.

利用离子注入和后续高温退火的方法制备了包埋在二氧化硅(SiO₂)基质中的硅纳米晶, 研究了不同离子注入浓度试样的微观结构和发光性能, 以及硅纳米晶的生长机理和发光机制. 结果表明:  较小的硅纳米晶(<5 nm)其生长机理符合Ostwald熟化机理, 较大的纳米晶(>10 nm)则是由多个小纳米晶粒通过孪晶组合或融合而成的; 离子注入浓度为8 ×10¹⁶cm^-2的样品其发光强度是离子注入浓度为3×10¹⁷cm ^-2样品发光强度的5倍；硅纳米晶内部的微观结构缺陷(如孪晶和层错)对其荧光强度有很大的影响.

金属基复合材料都要在基体合金熔点附近的高温下制备。在制备过程中,纤维、晶须、颗粒等增强体与基体将发生程度不同的的相互作用和界面反应,形成各种结构的界面。界面结构和性能对金属基复合材料的性能起着决定性作用,深入研究和掌握界面反应和界面影响性能的规律,有效地控制界面的结构和性能,是获得高性能金属基复合材料的关键。本文讨论金属基复合材料的界面反应,界面对性能的影响,以及控制界面反应和优化界面结构的有效途径等问题。

用低过热度浇注和弱电磁搅拌工艺制备A356铝合金半固态浆料, 研究了浇注温度、 搅拌功率和搅拌时间对A356铝合金的半固态浆料的影响. 结果表明, 用该工艺可以制备出球状初生$\alpha$--Al晶粒的半固态A356合金浆料. 与单纯低过热度浇注的试样相比较, 在弱电磁搅拌条件下,适当提高浇注温度亦可获得理想的球状A356合金浆料, 也简化了实际浇注工艺的操作.低过热度浇注和弱电磁搅拌, 加速了合金液向外传热和减小了其温度梯度,扩大了同时凝固的区域, 细化了初生$\alpha$--Al晶粒, 造成的强迫流动, 扩大了合金熔体的温度扰动和局部温度起伏, 促使初生$\alpha$--Al二次臂的熔断和球状初生$\alpha$--Al晶粒的形成.

通过热模拟实验, 研究了一种管线钢相变组织的形成规律. 在此基础上,进行两阶段多道次控轧和在适度冷却速度下控冷的控制热加工实验,分析了工艺参数对钢的组织结构和力学性能的影响. 结果表明,开轧温度、终轧温度、终冷温度和冷却速度对管线钢的力学性能有强烈的影响.通过优化工艺, 获得了以针状铁素体为主的混合组织, 针状铁素体的含量越多,材料的力学性能越好.

在植入物体性能较好的基础上, 表面性能是决定其生物相容性是否良好的至关重要因素. 本文针对硬组织和与血液相接触的金属植入物, 对表面改性技术、表面改性膜层特点及其应用进行了综合评述, 探讨了通过表面改性提高植入物生物相容性的机理, 并指出了生物医用材料表面改性的研究发展方向.

采用聚乙二醇为分散剂, 十六烷基三甲基溴化铵为模板剂, 正硅酸乙酯为硅源, 在室温碱性条件下合成了粒径为40$\sim$60 nm的单分散纳米球形MCM--41分子筛. 利用XRD、TEM和N$_{2}$吸附脱附等手段研究了聚乙二醇用量对纳米球形MCM--41的分散性和 介孔结构的影响. 结果表明, 表面活性剂PEG的加入, 可以明显改善纳米颗粒的分散性并且对颗粒形貌影响不大; 表面活性剂PEG的加入, 样品的六方结构有序性和孔尺寸发生变化. PEG量在1\%$\sim$20\%范围内, 样品仍具有较高的六方孔道有序性; PEG量过大(60\%)有序性明显下降. 随着PEG加入量的增加, 纳米MCM--41的晶面间距增大, 孔尺寸增大. 适量的聚乙二醇可以得到有序性好、比表面积大、 孔径均一和孔隙率大的单分散纳米球形MCM--41分子筛.

对Si含量为10\%$\sim$13\%的Al--Si合金进行了加速氧化、热循环和掺Fe实验, 研究了其在不同热循环条件下的相变储热性能和可靠性. 结果表明, 在空气中经几百h的高温氧化后, 氧化率小于0.01\%, 其影响可以忽略不计. 经过0, 4, 23, 60, 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700次熔化－凝固循环后, 相变温度的变化为3.8$\sim$11.8℃, 相变潜热从484.86 kJ/kg下降到432.62 kJ/kg. 当Al--Si合金的掺铁量为0.5\%时, 相变潜热下降6.5\%; 对于缓冷的储能过程, 偏析较小并在循环多次后趋于缓和和稳定. Al--Si合金成份和结构的变化对材料的储热性能影响较小, 在长期的热循环过程中有良好和稳定的储热性能.\

采用复合季胺盐制备反应性有机蒙脱土并参与三单体固相接枝聚合, 加强蒙脱土(MMT)的熔融插层和稳定MMT的插层结构, 制备剥离型的聚丙烯/蒙脱土纳米复合材料(PPMN). 通过X射线衍射(XRD)、 傅立叶变换红外光谱(FTIR)、透射电镜(TEM)等测试手段研究了PPMN的结构和性能. 结果表明: 复合有机化和固相接枝的确加强了MMT的熔融插层. MMT的复合有机化和固相接枝的放热过程有助于MMT层间涨大和MMT剥离结构的形成. 当PPGM的添加量在6$\sim$ 8~phr时, PPMN的力学性能、流动性能和热性能达到一个较好的增强状态. PPMN力学性能和热性能的提高归功于剥离的蒙脱土的增强作用和接枝低聚物原位形成的界面增容作用; PPMN流动性能的改善来源于剥离的蒙脱土和固相接枝形成的低聚物的增塑作用.

测定了大块非晶合金Zr$_{55}$Cu$_{30}$Al$_{10}$Ni$_{5}$ 晶化前后的费米能级和各元素的电子结合能, 研究了非晶合金的电子结构特征和电击穿行为. 测试并讨论了非晶材料场发射能力和耐电压强度的关系. 结果表明, 对于Zr基合金, 非晶态比晶态合金具有更大的功函数. 比较了Zr$_{55}$Cu$_{30}$Al$_{10}$Ni$_{5}$合金非晶态与晶态的耐电压强度数值, 发现非晶态合金的耐电压强度数值比较分散, 晶化合金的耐电压强度相对比较集中. 耐电压强度平均值表明, Zr基合金非晶态具有更好的耐电压能力

以MgO含量较低的镁砂和粉煤灰为主要原料, 制备了磷硅酸盐胶凝水泥(MPSC), 研究力学性能. 结果表明, 磷硅酸盐水泥凝结快, 早期强度高. 掺入30\%$\sim$50\%的粉煤灰可明显地提高MPSC的早期和 长期抗压强度, 其中以粉煤灰掺量为40\%效果最好. 使用MgO含量较高而且颗粒较细的镁砂, 制备出的水泥具有较高的强度. 水泥石的水化产物以无定形为主, 伴以少量的六水水化磷酸镁钾晶体. 硬化水泥石中有许多未水化的镁砂, 可作微集料. 粉煤灰填充了反应物之间的空隙, 使基体的密实度提高; 粉煤灰参与水化反应提高了材料的胶凝性能.\par} \vskip 1mm \noindent\parbox{0.91\hsize}{ \heiti\zihao{-5} 关键词 \ \small\songti\zihao{6} 无机非金属材料, 磷酸镁水泥, 力学性能, 水化机理\par}

FSM--16, MCM--41和SBA--15等具有高规则二维六角晶格的多孔硅可用不同硅源和表面活性剂合成,其孔径可达10,15或30 nm,可用具有不同烷基链长的表面活性剂和膨胀剂控制.其结晶规则性随孔径的增大而降低.用层状硅土Kanemite制备的FSM--16和来自水玻璃的MCM--41,其表面阴离子度比用四甲氧基硅烷(TMOS)制备的SBA--15高得多.如将在等电点以下呈阴离子性的生物酶插入硅孔,则由于离子间的相互作用和氢键结合力,可得到结合得十分稳定的生物/无机陶瓷结合体.以此结合体作为有机酸化反应的催化剂, 反应的活性很高.

测量了GaN基紫光LED的光功率($P$)在不同工作电流和环境温度(室温和60℃)下随时间的变化, 研究了LED的可靠性. 结果表明, 紫光LED的功率在前48 h内迅速衰减, 而在48 h后衰减速率减慢; 与光功率的衰减规律相对应, 其$I$--$V$曲线的变化显示反向漏电流和正向小电压下的 电流都有明显的增加. 对载流子的输运机制的分析表明, 在 LED的工作过程中, 缺陷提供的辅助电流通道使载流子的辐射复合几率降低, LED光功率下降.

采用高分子热解和反应烧结方法制备出泡沫碳化硅陶瓷, 研究了泡沫碳化硅陶瓷的体积分数变化和钛的掺杂对泡沫碳化硅陶瓷骨架导电性能的影响. 结果表明: 随着泡沫碳化硅陶瓷的体积分数提高, 泡沫碳化硅陶瓷的电阻率降低, 这是泡沫碳化硅陶瓷筋中部碳化硅的面积增加所引起的; 掺杂的钛转变成TiSi$_{2}$导电相改善了泡沫碳化硅陶瓷的导电性能. TiSi$_{2}$呈现离散和团聚两种形态分布, 以不规则的形状位于碳化硅晶界之间, 在碳化硅中作为施主杂质. 泡沫碳化硅陶瓷表现出的正或负温度系数取决与掺杂的钛量的多少.

以B$_{4}$C陶瓷为改性粒子对酚醛树脂进行改性, 研究其高温结构演变. 结果表明, 随着热处理温度的提高, B$_{4}$C改性粒子在树脂基体中的分布趋向于均匀化. 在450℃热处理后, B$_{4}$C粒子开始呈现出氧化迹象; 650℃以上高温, B$_{4}$C则大量地氧化为B$_{2}$O$_{3}$. 通过B$_{4}$C的改性反应, 可有效地将CO等挥发份转化为炭而保留在树脂中, 从而有利于提高酚醛树脂高温热处理后的结构完整性.

在用MOCVD方法生长的p--GaN薄膜中注入Mg离子, 然后在N$_{2}$气氛下在850$\sim$1150℃之间快速退火, 研究了Mg$^{+}$离子注入后样品退火前后的结构、光学和电学性质. 结果表明, 离子注入使GaN晶体沿着$a$轴和$c$轴方向同时膨胀. 在离子注入后的p--GaN薄膜的拉曼散射谱中出现波数为300 cm$^{-1}$和360 cm$^{-1}$两个新峰, 其强度随着退火温度而变化. 这两个新峰分别对应于布里渊区边界的最高声学声子支的 振动模式和局域振动模式. 消除这两个损伤引起的峰的临界温度是不同的. 注入剂量1$\times$10$^{14}$cm$^{-2}$是一个临界值, 对于注入剂量高于这个临界值的样品, 高温退火不能使其晶体质量全部恢复.

用扫描电镜和透射电镜观察X20CrMoV12.1 耐热钢在545℃长期运行后的微观组织结构变化, 研究了不同运行时间后材料的缺口疲劳强度和硬度. 结果表明: 经过高温长期运行后, X20CrMoV12.1钢的组织明显退化, 其显微组织由原来的马氏体板条结构和弥散分布的 细小碳化物逐步转变为亚晶粒和分布在晶界上的粗化球形碳化物组织; 随着在高温下运行时间的增加, 耐热钢的显微硬度和疲劳强度逐渐降低. 其原因是基体中固溶体主要合金元素Cr, Mo, V发生贫化, 固溶强化效果降低, 沿晶界分布的粗化球形碳化物弱化了材料晶界强度, 从而导致X20CrMoV12.1耐热钢高温服役寿命下降.

在温和碱性条件下, 以十六烷基三甲基溴化铵为模板剂, 正硅酸乙酯为硅源, 平平加Os--25为助剂, 制备出轴向尺寸为200 nm左右, 径向尺寸在60$\sim$80 nm范围内的单分散短棒状纳米介孔 二氧化硅MCM--41. 研究了CTAB用量、平平加Os--25的用量、 反应时间等因素对介孔形貌和纳米粒子分散性的影响. 结果表明, 适量的非离子表面活性剂平平加Os--25具有助模板剂的作用, 可以有效地提高纳米介孔粉体的有序性. 平平加Os--25与十六烷基三甲基溴化铵的摩尔比在0.02$\sim$0.06范围内, 可以得到有序性好、 分散性好的短棒状介孔二氧化硅MCM--41

研究了球形孔泡沫铝合金的单轴压缩性能, 得到了抗压强度与相对密度的关系;与多边形孔泡沫铝合金和泡沫纯铝作了对比, 发现球形孔使力学性能有了较大的提高.根据球形孔泡沫铝合金三明治梁三点弯曲的载荷(P)--位移(δ)曲线研究了四种常见破坏模式并建立了破坏模式图.用极限载荷公式得到的计算值与极限载荷的实验值吻合良好.球形孔泡沫铝合金力学性能高于多边形孔泡沫铝合金及泡沫纯铝, 因而其三明治梁的力学性能最好.

采用一种新的退火方式, 将Fe$_{73.5}$Cu$_{1}$Nb$_{3}$Si$_{13.5}$B$_{9}$ 合金薄带在铜环上卷绕成铁芯, 研究在这种方式的退火过程中 Fe$_{73.5}$Cu$_{1}$Nb$_{3}$Si$_{13.5}$B$_{9}$合金薄带晶化时产生的张应力对其磁性的影响. 结果表明: 与普通退火相比, 这种张应力使退火后合金的剩磁$B_{\rm r}$明显下降(最低为0.22 T), 形成的感生磁各向异性的易轴垂直于张应力的方向. 这种横向感生磁各向异性起因于纳米bcc Fe(Si) 晶粒内通过内应力和负的磁滞伸缩引起的磁弹性作用.

以热力学和动力学理论为基础, 研究了Nb微合金钢热变形过程中铁素体相的形核及长大过程, 在形核速率计算中引入变形储能、晶界凸阶及微合金元素的作用, 建立了低温变形诱导铁素体相变的动力学模型, 分析了热变形参数和化学成分对相变分数和晶粒尺寸的影响. 变形温度的降低和变形程度的增加, 促进了$\alpha$相变过程, 相变体积分数增加, 晶粒得到细化. C与Mn含量增加的效果则相反. 模型应用于热轧带钢生产过程的模拟, 计算结果和实测结果吻合良好.

制备了一种新型的防热隔热一体化材料--碳--高硅氧纤维增强C--SiC复合材料, 沿厚度方向从抗烧蚀层渐次过渡到隔热层, 其组成依次是致密C/C--SiC, 致密C/C, 多孔C/C, 通过界面处过渡到变密度多孔HSF/C. 这种材料既具有抗烧蚀性能又具有隔热性能. C/C--SiC复合材料的烧蚀表面平滑, 线烧蚀率只有0.028 mm/s. 烧蚀性能的提高得益于SiC颗粒原位氧化生成SiO$_{2}$黏附在碳材料表面, 对氧气有一定的阻挡遮蔽作用. 密度为0.80 g/cm$^{3}$的HSF/C材料, 热导率为0.59 W/mK. 在碳纤维与高硅氧织物的界面处, 针刺纤维与热解碳的结合良好, 密度为1.69 g/cm$^{3}$的C--HSF/C复合材料界面处的剪切强度达到16.7 MPa

Ti-60合金在β和α+β相区固溶处理后空冷, 形成的片状组织和双态组织中没有硅化物析出. 随后在700~800℃时效处理168 h, 在α/β片层界面、α片层内及初生α相内析出S2类型的硅化物(Ti, Zr)6Si3. C的加入阻碍硅化物在界面处和基体中的形核和长大, 降低硅化物的析出速率. 随着合金中C含量的增加, 显著减小时效过程中硅化物的析出尺寸, 这是由于C的加入, 基体中固溶Si的能力增加及Zr原子扩散速度降低所导致的结果. 相同温度下时效处理, 双态组织中析出的硅化物尺寸比片状组织大. 时效温度升高, 硅化物的析出直径增大.

用金属有机物化学气相淀积(Metal Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD) 制备了TiN薄膜, 通过不同循环制备的、 厚度相同的平面薄膜电阻率的比较研究了TiN薄膜的电学性质. 结果表明, 多次循环会引入界面而增大电阻率, 与薄膜成分和微结构分析的结果一致. 得到了单循环的最优厚度以使样品电阻率最低. 通过相同循环、 不同厚度样品在真实器件中电学性能的比较, 发现介窗(Via)直径越小, TiN薄膜对介窗电阻的影响越大.