2018年38卷1期

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2018-01-目录
2018, 38(1): 0-0.
[摘要](46) [PDF 887KB](5)
摘要:
论文
非晶透明导电氧化物薄膜研究进展
张晓锋, 颜悦, 陈牧, 刘宏燕, 郝常山, 张官理
2018, 38(1): 1-16. doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2017.000042
[摘要](440) [HTML全文] (99) [PDF 5399KB](16)
摘要:
随着有机/聚合物衬底的广泛使用,非晶透明导电氧化物薄膜由于兼具优异的透明与导电性、性能稳定、表面平整光滑、易于刻蚀和大面积制备、兼容现有工艺、无须后续退火处理进而简化工艺流程等优点,已应用于薄膜晶体管、有机/聚合物太阳能电池、电致变色、电磁屏蔽等诸多领域。尽管非晶态透明导电氧化物的原理与结晶态的基本相同,但其不是简单的结晶态透明氧化物的非晶态,而是特定组元在特定条件下制备获得的。在简要介绍透明与导电及两者间的耦合关系的基础上,重点介绍了更为一般的非晶半导体氧化物的研究历程及其特点,并与结晶态透明导电氧化物薄膜对比,指出N型非晶透明导电氧化物的电子结构特征是其金属阳离子结构为(n-1)d10ns0,由于s电子轨道呈球对称,且相邻重叠积分较大,迁移率较高,结构容错性较强,因此可以稳定保持其结晶态时的中近程结构及优异的特性,并详细介绍了表征其近程结构的中程有序、因缺乏衡量周期的量子数而使用更为一般的态密度以及非晶结构的亚稳特性。在此基础上,详细举例介绍了N型和P型非晶透明导电氧化物体系的性质和特点,特别介绍了铟系非晶透明导电氧化物的种类和特点,其中又以氧化铟锌的性能最为优异。由于目前的非晶透明导电氧化物体系主要是针对N型导电的,故P型非晶透明导电氧化物的例子较少。最后结合产业动态简要介绍了非晶透明导电氧化物薄膜的应用领域,并结合当前研究现状和发展趋势指出了今后三个可能的研究发展方向:(1)非铟系透明导电氧化物的研究与开发有待进一步加强;(2)另辟蹊径开发P型透明导电氧化物的基本原理和材料;(3)充分发挥非晶透明导电氧化物的优势,拓展其在部分半导体领域的应用。
薄膜应力测量方法及影响因素研究进展
马一博, 陈牧, 颜悦, 刘伟明, 韦友秀, 张晓锋, 李佳明
2018, 38(1): 17-25. doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2017.000126
[摘要](192) [HTML全文] (51) [PDF 1368KB](14)
摘要:
随着薄膜电子器件的尺寸不断减小,薄膜应力成为薄膜器件失效的重要原因。薄膜应力不仅影响薄膜结构而且与薄膜光学、电学、力学等性质相关,因此,薄膜应力逐渐成为薄膜材料研究领域的热点之一。本文综述了薄膜应力的最新研究进展,对比分析了基底曲率法、X射线衍射法、拉曼光谱法等常见的薄膜应力检测方法,概括了薄膜成分比例、基底类型、磁控溅射工艺参数(溅射功率、工作压力、基底温度)和退火等影响薄膜应力的因素。发现基底曲率法适合测量绝大部分薄膜材料,而X射线衍射法、拉曼光谱法只适合测量具有特征峰的材料,纳米压痕法需与无应力样品作对比实验。在薄膜制备和退火过程中,薄膜应力一般发生压应力和张应力的转化,且多个工艺参数共同影响薄膜应力,适当调节参数可使薄膜应力达到最小值甚至无应力状态。最后,结合薄膜应力当前的研究现状提出了未来可能的研究方向,即寻找不同材料体系薄膜应力的精确测量方法以及薄膜应力检测过程中面临的检测范围问题。
NiTi合金的相变-塑性统一本构模型与数值算法
李云飞, 陈成, 曾祥国
2018, 38(1): 26-32. doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2017.000019
[摘要](147) [HTML全文] (53) [PDF 2004KB](6)
摘要:
为了准确描述NiTi形状记忆合金的相变与塑性力学行为,基于不可逆热力学理论框架并假定两个内变量分别表征合金变形过程中的相变与塑性行为,推导出其相变、塑性的主控方程,总结两阶段的主控方程,构建出NiTi合金动态加载过程中的相变-塑性统一本构模型。采用半隐式应力积分算法对非弹性应变增量进行更新,通过FORTRAN语言将所提出的宏观唯象本构模型进行了数值程序实现。对比模拟与实验结果验证了该本构模型的合理性,发现该模型能够准确描述NiTi合金随着载荷增加而出现的母相弹性、马氏体相变、马氏体弹性与马氏体塑性流动等不同变形阶段,对于不同应变率动态加载下的应力-应变行为该模型也可较理想地描述。
单晶涡轮叶片定向凝固过程应力场数值模拟
李世峰, 何爱杰, 邱飞
2018, 38(1): 33-39. doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2014.000107
[摘要](133) [HTML全文] (45) [PDF 4389KB](9)
摘要:
针对单晶涡轮叶片壁厚尺寸精度偏低和壁厚尺寸漂移大等瓶颈问题,考虑叶片定向凝固过程边界条件不精确因素,通过实际温度数据采集,采用温度场与应力场耦合的有限元模拟方法,对单晶涡轮叶片定向凝固过程进行三维动态模拟,并结合单晶气冷叶片的工作状态,对模拟结果进行定性分析,得到应力分布规律。研究结果表明:当榫头进气窗口倒圆角R=0.5 mm时,叶片最大铸造热应力出现在榫头底面四大进气窗口区域,该区域最大应力比叶身截面最大应力高28.4%;该仿真方法可准确反映单晶涡轮叶片凝固过程温度/应力动态变化,将为避免叶片出现大铸造残余应力区,预防变形工艺,提高叶片壁厚尺寸精度及尺寸稳定性,提供量化参考依据。
K488合金平衡相的热力学计算
孟凡国, 孔胜国, 李维, 吴剑涛, 李俊涛
2018, 38(1): 40-46. doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2017.000055
[摘要](85) [HTML全文] (37) [PDF 5313KB](7)
摘要:
利用Thermo-Calc热力学计算软件,对K488合金平衡相和合金元素对析出相的影响规律进行了计算和实验两方面的分析。计算和实验结果均表明:合金的平衡相主要有γ、γ'、σ、碳化物,合金凝固过程中Mo,Ti偏析比较严重;随着C和Nb含量的增加,MC的析出量增加而析出温度降低,Ti元素则相反;Al、Ti元素含量的增加,γ'相析出量和析出温度逐渐增加;Cr含量对σ相的析出量和析出温度影响最大;计算和实验结果具有较好的一致性。
激光选区熔化用AlSi10Mg粉末显微组织与性能
唐鹏钧, 何晓磊, 杨斌, 邵翠, 王兴元, 黄粒, 李沛勇
2018, 38(1): 47-53. doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2017.000120
[摘要](139) [HTML全文] (41) [PDF 3548KB](9)
摘要:
采用超音速气体雾化制备AlSi10Mg粉末,粉末经分级后通过激光选区熔化制成试块。利用金相显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射仪研究粉末和试块的微观组织、组成相及演变情况,通过拉伸实验测试试块的室温拉伸性能。结果表明,AlSi10Mg粉末粒径分布符合激光选区熔化工艺要求,粉末呈球形或类球形。粉末组织细小均匀,主要由α(Al)基体和(α+Si)共晶组成。试块熔池形貌清晰可见,组织均匀、致密,其致密度达到99.5%;该组织中仅存在α(Al)和极少量Si相,几乎所有合金元素均固溶于Al基体中。经室温拉伸性能测试,试块的抗拉强度达到了442 MPa。
7A99铝合金锻件双级时效组织性能
王少华, 马志锋, 张显峰, 孙刚, 冯朝辉, 陆政
2018, 38(1): 54-59. doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2017.000072
[摘要](95) [HTML全文] (32) [PDF 3279KB](5)
摘要:
采用金相、扫描电镜、透射电镜分析及拉伸性能和断裂韧度试验等手段,研究了7A99铝合金锻件双级时效处理后的组织和性能。结果表明:7A99铝合金锻件经过120℃/4h+165℃/8 h双级时效处理后的抗拉强度、屈服强度、伸长率和电导率分别为548 MPa,513 MPa,12.0%和38.2% IACS;锻件的L-T向断裂韧度为30.5 MPa·m1/2,锻件显示了较好的强韧匹配和耐蚀性;合金的断裂方式为穿晶韧窝断裂方式;主要沉淀相为η'相和η相。
CFRP加固修复铝板结构的载荷传递效果
余周辉, 赵培仲, 胡芳友
2018, 38(1): 60-68. doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2016.000128
[摘要](113) [HTML全文] (34) [PDF 5827KB](4)
摘要:
采用碳纤维布加固修复铝板结构并进行静力拉伸试验,探讨了碳纤维布粘接长度、层数、粘接方式等因素对载荷传递效果的影响,分析了各因素影响下试样的破坏过程、破坏特征、应变分布及变化规律,比较了碳纤维布加固完好铝板与损伤铝板的不同。结果表明:双面粘贴可以大幅提高损伤试样的承载能力,而对完好试样的提高效果一般;适当增加补片层数,可以提高修复试样的承载能力,降低补片端部和损伤区域的应变梯度,缓解补片端部和损伤区域的应力集中;增加补片的长度,尽管试样的承载能力提升有限,但可以改善胶层界面应力分布,降低端部与损伤区域碳纤维布的应变梯度,对修复构件整体性能提升有益。
取向非连续碳纤维复合材料制备与性能
邓华, 高军鹏, 包建文
2018, 38(1): 69-74. doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2016.000028
[摘要](137) [HTML全文] (51) [PDF 3589KB](7)
摘要:
将传统的连续纤维预浸料通过机械高频切割的方法制成取向非连续碳纤维预浸料,并固化得到取向非连续复合材料,研究复合材料的内部质量与力学性能,并与连续碳纤维复合材料和随机取向碳纤维复合材料的相关力学性能进行对比分析。结果表明:与连续纤维复合材料相比,纤维被切断后制得的取向非连续碳纤维复合材料内部质量良好,并保持了较好的力学性能,0°拉伸强度保持率在63%以上,弹性模量基本保持不变,0°弯曲强度保持率在85%以上,弹性模量保持率在78%以上,且远远优于随机取向碳纤维复合材料的力学性能。
ZrN-Nb复合材料的致密化及力学性能
张岩, 郭英奎
2018, 38(1): 75-79. doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2017.000089
[摘要](166) [HTML全文] (35) [PDF 1445KB](4)
摘要:
选择Nb作为添加剂,在1500~2000℃热压烧结制备了ZrN-Nb复合材料。研究烧结温度和添加剂对ZrN-Nb复合材料的组织结构及力学性能的影响规律。Nb的添加提高了复合材料致密度,1600℃烧结的ZrN-5%(原子分数)Nb复合材料,其致密度达到98.5%。通过XRD和晶格常数的测量发现,当烧结温度改变时,材料的结构也随之改变,这可能是由于ZrN-Nb复合材料形成了(Zr,Nb)N固溶体,提高了物质扩散速率进而促进烧结致密化,同时在非化学计量的(Zr,Nb)N1-x的形成中,释放出少量的氮可减少试样中闭气孔的形成,这也有利于ZrN-Nb复合材料形成高致密度。加入Nb后材料的致密度提高,其维氏硬度、弹性模量、断裂韧性和抗弯强度都有不同程度的提升。1600℃烧结的ZrN-Nb复合材料的弹性模量、抗弯强度、断裂韧度和维氏硬度依次达到了238 GPa,463.3 MPa,7.0 MPa·m1/2和10.7 GPa。
高Nb-TiAl合金高温力学行为本构建模仿真技术
董成利, 于慧臣, 焦泽辉, 孔凡涛, 陈玉勇
2018, 38(1): 80-87. doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2017.000070
[摘要](141) [HTML全文] (27) [PDF 4266KB](3)
摘要:
针对新研制的高Nb-TiAl合金(Ti-45Al-8Nb-0.2W-0.2B-0.02Y(原子分数/%)),开展了750℃条件下不同应变速率的单轴拉伸、低周疲劳、疲劳-蠕变交互和蠕变试验,获得了相应试验条件下的试验数据和曲线,基于宏观唯象Chaboche黏塑性统一本构模型,采用Ohno-Wang修正项准确表征材料的循环硬化/软化行为。另外,为了准确模拟材料的加速蠕变阶段,在Chaboche黏塑性统一本构模型中耦合Kachanov损伤演化率,采用自适应的显式Euler法将微分形式的本构模型离散为差分方程组,并植入到有限元软件ABAQUS的用户材料子程序UMAT中,实现对高Nb-TiAl合金在不同试验条件下力学行为的仿真模拟。结果表明,采用考虑Ohno-Wang修正并耦合Kachanov损伤的Chaboche黏塑性统一本构模型能够准确模拟高Nb-TiAl合金不同应变速率的单轴拉伸、低周疲劳、疲劳-蠕变交互和蠕变行为,且预测精度较高,满足实际工程需要。
单晶γ-TiAl合金疲劳裂纹扩展机制的原子模拟
张玲, 罗德春, 白湘霞, 芮执元
2018, 38(1): 88-94. doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2017.000025
[摘要](185) [HTML全文] (51) [PDF 3337KB](6)
摘要:
为了研究TiAl合金的疲劳性能、裂纹扩展与组织形态的关系,采用分子动力学方法和速度加载的方式,对含内嵌边界裂纹的单晶γ-TiAl合金在交变载荷循环加载下,微裂纹扩展及微观形变机制进行研究。结果表明:单晶γ-TiAl合金在交变载荷的循环加载下裂纹扩展过程及微观形变机制分为三个阶段,其力学性能受加载过程中出现的裂纹尖端晶格畸变,棱柱位错滑移,Lomer-cottrell位错群形成,堆垛层错开动,形变孪晶等各种微观缺陷及其相互作用结果影响,不同阶段的裂纹扩展机理及塑性形变机制完全不同。
DD6合金1100℃低周疲劳行为
张仕朝, 李旭东, 于慧臣, 侯学勤
2018, 38(1): 95-100. doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2017.000040
[摘要](117) [HTML全文] (46) [PDF 3500KB](10)
摘要:
研究了1100℃下镍基单晶高温合金DD6不同应变比(R=-1,0.05)下的低周疲劳行为。结果表明:材料的循环软化/硬化行为不仅与材料本身的微观结构有关,还与加载状态有关;平均应变为正时,非对称循环应变控制会产生平均应力松弛现象,且随着应变幅的增大,平均应力松弛速率增大;R=-1时,材料表现出拉压不对称性;采用三种不同的模型对不同应变比下的寿命进行表征,预测精度基本落在±2倍的分散带内。
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