随着微/纳米技术的发展, 在微/纳尺度器件中金属材料的几何尺度或微观结构尺度从宏观尺度逐渐减小到微米、亚微米甚至纳米量级, 其室温电阻率往往表现出明显的尺寸效应。本文总结了近年来关于不同尺度金属材料电阻率的研究进展, 重点介绍了金属材料的微观结构、缺陷尺度以及几何尺度对金属材料电阻率的影响及相关的理论模型, 探讨了材料内部微观结构尺度与几何尺度对材料导电性能的影响规律。最后, 对微尺度金属材料电阻率及其服役可靠性的研究趋势进行了展望。

通过对比通有保护气、无保护气、仿工业化热冲压的热冲压件的性能, 研究了热冲压过程中冷速对硼钢22MnB5组织性能的影响规律。结果表明, 在三种工艺条件下实验件的冷却速度均大于马氏转变的临界冷却速度, 组织均为板条状马氏体, 抗拉强度在1500 MPa以上。冲压模具的温度升高, 板料表面存在氧化皮, 都会使板料的冷却速度减小, 马氏体片层变粗, 性能下降。通过降低模具温度, 增加板料加热时的起保护, 可使得板料冷速增加, 马氏体组织细小, 获得强度为1600 MPa以上, 强塑积接近20, 000 MPa％的热冲压硼钢件。

采用TIG焊对MGH956合金进行原位合金化焊接, 研究了B₄C对焊缝显微组织和力学性能的影响。结果表明, 填加B₄C后焊缝以等轴晶为主, 晶粒细小均匀, 没有明显的氧化物聚集现象, 晶内和晶界都有增强相; 随着B₄C含量的提高焊缝组织进一步细化, 增强相几乎全部集中在晶界上, 晶内颗粒状增强相消失。随着B₄C含量的提高焊缝的塑韧性降低, 抗拉强度先增大后降低。填加0.25%B₄C时焊缝抗拉强度最高, 达到630 MPa, 为母材强度的87.5%, 断口呈脆性断裂。

用共沉淀法制备甘氨酸(简称Gly)插层Mg₃Al水滑石(简称Gly-Mg₃Al LDHs), 利用甘氨酸等电点的性质实现了Mg₃Al水滑石在pH=3~4水溶液中的剥离, 并将剥离出的LDHs纳米片层与蒙脱土进行插层组装, 制备出Mg₃Al水滑石/蒙脱土层状复合材料。用X射线粉末衍射、红外光谱、N₂吸附-脱附以及电泳仪等手段对样品进行了表征。结果表明, 制备出的Gly- Mg₃Al LDHs结构规整, 晶相单一, 甘氨酸以42°的倾角排列于水滑石层间。在n_Gly∶n_NO3^-=1∶2的条件下制备的Gly-Mg₃Al LDHs剥离效果最好, 剥离后形成的无机聚合粒子的zeta电位介于35 mV~ 40 mV之间, 剥离液可以稳定存在72 h。所得层状复合材料的层间距为1.44nm, 此值为单元LDHs片层与单元蒙脱土片层的厚度之和, 证明LDHs纳米片层与蒙脱土进行了有序交叉叠层。

用熔融插层法制备聚对苯二甲酸丙二醇酯(PTT)/丙烯腈-苯乙烯-丙烯酸酯三元共聚物(ASA)/有机蒙脱土(OMMT)复合材料, 研究了OMMT对PTT/ASA体系相形态、结晶性能、流变性能和力学性能的影响。结果表明, OMMT主要以剥离态分布在PTT基体相和界面处, 使ASA分散相的尺寸变小, 体系的弹性模量和复数黏度得到提高; 同时, OMMT是异相成核剂, 使体系结晶峰向高温偏移; 依据Palierne和Gramspacher-Meissner模型评估, 发现OMMT可增大聚合物的界面模量和界面层厚度, 在适量范围内使体系的拉伸强度和缺口冲击强度有所提高。

用DOPO(9, 10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物)对介孔分子筛MCM-41进行表面改性, 将改性后的MCM-41作为阻燃协效剂与聚磷酸铵(APP)、季戊四醇(PER)及三聚氰胺(MEL)复配阻燃剂, 研究了添加改性MCM-41对PP阻燃性能、力学性能和热性能的影响。结果表明, 添加少量DOPO改性分子筛即可显著提高PP的阻燃性能, 当改性分子筛的添加量为1%时阻燃PP的氧指数为32.6, 比纯PP的提高91.76%; 热重分析、动态热机械能分析和扫描电镜分析的结果表明, 添加少量的改性分子筛MCM-41可催化APP/PER/MEL间的酯化反应, 促进体系成炭, 形成更紧密的炭层, 从而提高材料的阻燃性能。

采用层层自组方法在剑麻纤维素微晶(SFCM)表面吸附天然聚电解质壳聚糖(CH)和植酸(PA), 构筑可再生CH/PA阻燃涂层, 用Zeta电位、热重分析(TGA)、场发射扫描电镜(FESEM)、垂直燃烧测试(VFT)和燃烧量热仪(MCC)等手段对复合材料进行了表征。Zeta电位和FESEM结果显示, 在CH和PA 吸附过程中电位正负交替变化, SFCM表面局部位置被一层凸起的涂层包覆。TGA和FESEM结果表明, 随着CH/PA层数的增加复合材料的初始分解温度由299℃降低至257℃, 残炭率由5.41%提高至37.64%, SFCM(CH/PA)₅ 的TG残炭物表面未出现螺旋状收缩, 纤维素形貌基本上不变; VFT结果显示, SFCM(CH/PA)₅续燃时间(39 s)比纯SFCM(150 s)缩短了111 s。MCC结果表明, SFCM(CH/PA)₅的热释放速率峰值(pkHRR)和热释放总量(Total HR)与纯SFCM相比分别减少70.6%和79.2%, 表明CH/PA涂层具有明显提高SFCM阻燃性能的作用。

将亚共晶Zn-Al合金凝固, 借助EBSD技术研究了其组织的晶体学特征。结果表明, 在样品上部形成了由多个伸长共晶团构成的羽毛状组织, 且此共晶团中β和α相存在取向关系。其次, 初生β相沉积在样品下部, 且其呈扁平枝晶状: 六个一次枝晶臂沿 < 10 1 ? 0 > 方向快速生长而沿<0001>方向则生长缓慢。此外, 初生β相内部存在α相析出物, 且初生β与此α也存在上述取向关系, 但初生β与周围的伪初生α及其附近的共晶β与α之间没有特定取向关系。

基于羟基磷灰石陶瓷微球人工骨支架的制备工艺, 用分子动力学(MD)方法研究了羟基磷灰石(HA)的三个晶面(001)、(100)、(110)分别与生物胶黏剂α-氰基丙烯酸正丁酯(NBCA)相互作用后混合体系的结合能, 并计算分析了(110)晶面的力学性能和径向分布函数。结果表明, 三晶面所对应结合能关系为H A( 110 ) >H A( 100 ) >H A( 001 ); HA(110)晶面与NBCA之间粘结强度高于HA(100)和HA(001)晶面; 对聚合度为40的NBCA聚合物与HA相互作用的MD计算表明, HA(110)/NBCA混合体系的力学性能比单组份HA体系有所下降, 但满足人工骨对力学性能的要求; 元素之间的径向分布函数揭示了混合体系HA/NBCA组分之间的相互作用机理, NBCA与HA(110)晶面存在较强的相互作用。其主要原因是, NBCA中的N原子和羰基中的O原子分别与HA中的H原子形成的氢键, 进而说明了HA对NBCA的强吸附作用。

采用共沉淀法制备了室温稳定存在的不同晶型纳米ZrO₂粉体, 用X射线衍射(XRD)、激光拉曼散射(Raman)、N₂物理吸附、透射电镜(TEM)和动态光散射技术(DLS)等手段对其晶型结构、晶粒尺寸、比表面积和粒度分布进行了表征, 研究了煅烧温度和改性剂掺杂量对晶型结构的影响。结果表明, 无掺杂前驱体在850℃煅烧可得到m-ZrO₂纳米粉体, 比表面积为35.17 m²/g, 晶粒尺寸为51.3nm; 煅烧温度为600℃, Y₂O₃掺杂量为4.5%(摩尔分数)时纳米粉体的晶型结构为t-ZrO₂, 比表面积为39.01 m²/g, 晶粒尺寸为19.2nm; 煅烧温度为600℃, Y₂O₃掺杂量为8.5%时可得到比表面积为46.53 m²/g, 晶粒尺寸为12.7 nm的c-ZrO₂纳米粉体。

对Mg-Zn-Zr合金进行高应变速率多向锻造变形, 研究了其组织演变和力学性能。结果表明, 高应变速率多向锻造工艺能强烈细化合金的晶粒组织, 形成由蜂窝状粗大再结晶组织和岛状细小再结晶组织构成的新颖组织, 初始晶界附近和初始晶粒内部的再结晶机制分别是旋转动态再结晶和孪生诱发动态再结晶。由于高应变速率多向锻造工艺具有强烈的晶粒细化能力并能有效避免强烈的基面织构, 可大幅提高合金的综合力学性能。累积应变∑Δε=2.64时, ZK21和ZK60抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为341.6 MPa、270.7 MPa、25.1%和330.2 MPa、232.3 MPa、24.8%。

以乙酰丙酮铜(Cu(AcAc)₂)、乙酸锌(Zn(CH₃COO)₂2H₂O)、氯化亚锡(SnCl₂2H₂O)、升华硫(S粉)和十二硫醇为原料, 用热注射法合成了Cu₂ZnSnS₄(CZTS)纳米晶。再将Cu₂ZnSnS₄纳米晶制成胶体墨水, 用旋涂法制备出Cu₂ZnSnS₄薄膜。用X射线衍射(XRD)仪、拉曼光谱(RS)仪、透射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM)、X射线能量色散谱仪(EDS)和紫外-可见光谱(UV-Vis)分光光度计对CZTS纳米晶及薄膜的晶体结构、微观形貌、化学组成及光学性能进行表征, 研究了注射温度对纳米晶结构、形貌、晶粒大小以及化学组成的影响以及热处理时间对Cu₂ZnSnS₄薄膜结构、形貌、化学组成和光学性能的影响。结果表明, 在注射温度为180℃时合成的CZTS纳米晶为锌黄锡矿结构, 平均粒径为18 nm。在500℃热处理2 h所制备出的薄膜, 在可见光范围内其吸收系数高达10⁴ cm^-1, 禁带宽度为1.45 eV。