雙連續(xù)梯度復合高鐵制動材料的制備及其服役行為研究

本項目選用與鐵基體潤濕性良好的TiC為增強相，采用粉末冶金法制備了均質(zhì)及梯度TiC/Fe復合材料，采用模板浸漬-熔融浸滲法制備了雙連續(xù)TiC/Fe以及雙連續(xù)梯度TiC/Fe復合材料，研究了材料組分、復合形式、工藝參數(shù)等對TiC/Fe復合材料結構及性能的影響，取得以下主要成果： (1) 成功制備了均質(zhì)、梯度結構、雙連續(xù)結構以及雙連續(xù)梯度結構TiC/Fe復合材料。 (2) 無壓燒結制備的均質(zhì)TiC/Fe復合材料中，15vol%TiC/Fe的致密度最高，達97.8%；20vol%TiC/Fe的硬度最高，達270HV?；w中添加羰基鐵粉有助于降低燒結溫度并促進致密化，添加少量硬脂酸鋅可提高TiC/Fe復合材料的性能。 (3) 采用無壓燒結工藝成功制備出TiC體積含量分別為5、10、15、20的TiC/Fe梯度復合材料，各梯度層間界面結合良好。 (4) 以聚氨酯海綿為模板制備了TiC多孔陶瓷增強體，在TiC原料中加入Ti粉可反應生成非化學計量比的TiCX顆粒，有利于提高增強體與鐵基體的潤濕性，加入少量Mo和Fe粉則可明顯改善增強體的力學性能。 (5) 通過無壓浸滲工藝制備了雙連續(xù)TiC/Fe復合材料，TiC多孔增強體的成分對雙連續(xù)TiC/Fe復合材料的性能影響顯著，在增強體中添加少量Fe粉制備的雙連續(xù)TiC/Fe復合材料的致密度最高，達99.8%，而添加少量Mo制備的雙連續(xù)TiC/Fe復合材料的拉伸強度最大，為343 MPa，比相同增強相含量的無壓燒結顆粒增強型復合材料提高了66.5%。 (6) 采用不同孔徑的有機模板粘接法制備出梯度TiC多孔增強體，通過重復浸漬和燒結可有效提高增強體的性能，其抗壓強度最高可達4.1MPa，在此基礎上采用無壓浸滲工藝制備出雙連續(xù)梯度TiC/Fe復合材料。 (7) 摩擦磨損試驗中，TiC/Fe復合材料的摩擦系數(shù)和磨損量隨基體成分、TiC含量以及試驗條件而改變，其中均質(zhì)TiC/Fe復合材料的摩擦系數(shù)隨TiC體積分數(shù)的增加而提高，雙連續(xù)TiC/Fe復合材料的摩擦系數(shù)隨增強相孔徑尺寸的增加而增大，隨著法向壓強的變化不顯著。雙連續(xù)TiC/Fe復合材料耐磨性能顯著優(yōu)于顆粒增強型復合材料，0.5MPa壓強下，增強相含量為4vol%的雙連續(xù)TiC/Fe 復合材料的磨損率比相同含量的熱壓燒結顆粒型復合材料低43.9%，而比無壓燒結顆粒型復合材料低1.95倍。

列車制動盤是保障鐵路運輸安全性的關鍵部件。隨著鐵路運輸向高速、重載的方向發(fā)展，制動系統(tǒng)所承受的負荷越來越大，摩擦產(chǎn)生的熱量使制動盤工作溫度不斷升高，已接近現(xiàn)有制動材料的工作上限，發(fā)展性能更優(yōu)的新型制動材料已成為亟待解決的問題。針對高鐵制動材料的性能需求，本項目擬采用一種陶瓷含量呈梯度變化的三維連續(xù)骨架增強相對現(xiàn)有制動用鋼基體進行增強，研制一種新型雙連續(xù)梯度陶瓷/合金鋼復合制動材料，充分發(fā)揮陶瓷材料耐高溫、耐磨損的優(yōu)勢，提高制動材料的高溫摩擦磨損性能和熱疲勞性能，同時通過基體與增強相的雙連續(xù)來優(yōu)化復合效果，強化兩者的結合；通過增強相含量的梯度變化使復合材料一側(cè)耐磨，另一側(cè)易于與鍛鋼制動盤基體連接。此外，本項目在優(yōu)化復合材料制備技術基礎上，深入研究基體與增強相之間界面結構、特性及其調(diào)控方法，揭示復合材料高溫摩擦磨損特性與熱疲勞性能、機理及其影響因素，為這一新型材料在高鐵制動領域的應用奠定基礎。

《煤/水滑石礦物復合材料的制備及其性能研究》首先簡要介紹了煤結構及其材料化應用、煤炭自燃災害防治技術、煤基復合材料復配阻燃聚合物等研究領域的理論研究成果，然后以煤炭自燃防治材料和新型無鹵阻燃材料的制備及應用為背景，基于煤特殊的微納米孔隙結構和官能團結構特征，借鑒層狀雙氫氧化物（LDHs，水滑石）的制備方法及影響因素研究，采用理論研究、實驗分析、理論模擬相結合的方法，探討了神府煤的結構，水滑石礦物制備表征及其煤自燃阻化性能，神府煤水滑石礦物復合材料（CLCs）的制備方法、結構及其性能等研究內(nèi)容。研究成果對新型礦物功能材料的制備及應用具有理論研究意義和應用價值。

《煤/水滑石礦物復合材料的制備及其性能研究》可供煤基新材料研發(fā)人員、煤自燃防控技術人員、礦物復合功能材料研發(fā)人員、消防人員、聚合物阻燃技術研發(fā)人員及其他科研人員應用和參考，可作為煤炭可持續(xù)利用、煤炭清潔利用、煤火災害防治等方面的知識學習用書，也可作為高校、科研院所的研究生、本科生的教學參考書。

針對微機械構件的服役性能與制備工藝關系，利用體硅工藝研究制作了懸臂梁陣列，完善了加工工藝；并重點研究了利用光纖耦合機理來測量懸臂梁橫向固有振動頻率的方法，較好地解決了“施加微小載荷”和“檢測微小位移”兩方面的問題；采用靜態(tài)壓入檢測的方法，設計了微結構專用的微機械性能測試儀，能夠檢測微結構材料硬度、彈性模量、硬化指數(shù)、斷裂韌性及疲勞極限等多項指標；發(fā)明了研究微結構沖擊載荷作用的微沖擊實驗臺，研究了相應的動態(tài)測試技術，并對微機械制造中常用的幾種材料進行了微沖擊實驗。在整個研究過程中還完善了微機械加工的工藝參數(shù)，制作了微壓力傳感器、微懸臂梁陣列、微溫度傳感器等具有市場價值和工藝代表性的微功能器件。 2100433B

本項目根據(jù)研究計劃，在CdTe基半導體的能帶調(diào)制及其合金性質(zhì)的研究、電極材料與CdZnTe的界面性質(zhì)、晶體生長和探測器制備研究方面取得了重大進展。首先，基于密度泛函理論(DFT) 框架下的PBE型廣義梯度近似（GGA）平面波贗勢的方法和混合密度泛函理論的HSE方法，計算了閃鋅礦結構的CdTe體材料的光學特性、Cd空位、 Te反位和Te間隙缺陷的形成能、缺陷能級和態(tài)密度。其次，研究了電極材料與CdZnTe的界面性質(zhì)及其擴散機制。采用改進的垂直布里奇曼法和溶劑熔區(qū)移動法制備了CdZnTe單晶，對CdZnTe晶體(111)B面進行Au/Zn電極制備和退火研究。深入研究了晶體表面處理、電極金屬材料、熱處理工藝對金半接觸性能的影響。采用近空間升華（CSS）方法在FTO導電玻璃上制備了高質(zhì)量、高電阻率的探測器級CdZnTe厚膜。制成了Au/graphene/CdZnTe/FTO光導結構。設計glass/Cr/Au/CZT/Au多層復合結構，研究對稱電極的光電性能。采用電子束蒸發(fā)法在CdZnTe薄膜上制備了Au/GZO復合電極，確定了電極工藝對Au/CdZnTe 光導結構性能的影響規(guī)律。再次，研究了垂直布里奇曼法晶體生長后期降溫過程中的原位熱處理工藝，首次提出在晶體生長后期的降溫過程中采用三階段的原位熱處理工藝的思路，電阻率超過了1010Ω?cm，對241Am@59.5keV?射線源的能譜響應提高了6.01%。采用溶劑熔區(qū)移動法在800°C、840°C和880°C制備CdZnTe單晶，討論了不同制備溫度對溶劑熔區(qū)移動法晶體性能的影響。利用穩(wěn)態(tài)光電導技術表征載流子的運輸性能，研究了不同輻射強度、不同溫度對載流子輸運性能的影響。最終制備出高質(zhì)量的探測器級CdZnTe晶體，最優(yōu)樣品已達到申請書提出的指標。實現(xiàn)了在制備出探測器級CdZnTe材料及高性能核輻射探測器的理論與工藝研究上有所突破的目標。 2100433B