2011河北工业大学材料学院课题组介绍

调研汇报调研时间：2011年5月11日到2011年5月22日；调研地点：北京、天津、西安、郑州、太原；调研院校：北京石油化工学院、河北工业大学、天津大学、西安科技大学、西安石油大学、郑州大学、中北大学；通过与各学校教务处及相关院系的相关专业教师的交流及对实验室参观，就工业分析和环境工程专业有关专业培养方案、实践教学、毕业设计/论文等环节情况汇报如下。

1、北京石油化工学院专业设置：高分子材料与工程专业设在材料科学与工程学院，分2个专业方向，分别是高分子材料加工和高分子化工；每个方向分别招生1个班/年；高分子材料与工程加工方向托依材料学院的专业教师，所设专业课注重高分子材料加工设备运行及管理，而高分子化工类课程设置较少；高分子化工方向注重高分子化工工艺等课程的设置。

实验实习环节：实习：由校工程教育中心安排，实习地点在燕山，完全仿真。

实验：专业实验由专业教师指导（由实验员准备），具体项目可结合专业教师科研工作方向进行修订，分组为：基础课实验2人/组；一个班/（师、次）；专业课，5~6人/组，一个班/（师、次）。

毕业设计/论文：论文比例约为70%，所做课题完全结合指导教师科研工作，而且毕业论文工作可根据学生在1~7各学期的学习情况及本人兴趣提前参与指导教师的科研工作，从而提前进入毕业论文/设计工作阶段。

毕业阶段质量管理：主要三期检查：有开题报告、期中检查及论文/设计提交的质量检查。

其中对考研学生没有任何照顾。

“卓越工程师”模式在探讨。

本校调研体会：专业课程设置较灵活，可根据市场人才需求情况进行调整，只要学分修够就可以毕业；实验室各种设备齐全，且重复购置，实验设备利用率不高。

2、河北工业大学专业设置：高分子材料与工程专业，看了大纲与我们的高分子材料与工程培养目标差别较大；无高分子化工方向。

3、天津大学专业设置：高分子材料与工程专业：注重高分子材料与工程、高分子化工。

实验实习环节：实习：自己联系，1周左右，同时外请企业专业到校讲课，所讲课题基本固定。

超磁致伸缩材料及其应用研究＊李松涛 孟凡斌 刘何燕 陈贵峰 沈　俊 李养贤(河北工业大学材料科学与工程学院　天津　300130)摘　要 稀土超磁致伸缩材料是一种新型稀土功能材料.文章概述了超磁致伸缩材料(GMM )的研究历史;对比了一种实用的超磁致伸缩材料(Terfenol -D )和压电陶瓷材料(PZT )的性能;阐述了超磁致伸缩材料当前在以下两个方面取得的研究进展:(1)关于工艺方法的研究:包括直拉法、区熔法、布里奇曼法和粉末烧结、粘结等方法;(2)关于材料组分的研究:包括对Fe 原子的替代研究以及开发轻稀土超磁致伸缩材料的研究.文章最后叙述了超磁致伸缩材料的应用领域,以及发展我国稀土超磁致伸缩材料的意义.关键词 超磁致伸缩,稀土金属间化合物Giant magnetostrictive materials and their applicationLI Song -Tao MENG Fan -Bin LI U He -Yan CHEN Gui -Feng SHEN Jun LI Yang -Xian(Scho o l o f M ate rial Sci enc e &Engi nee rin g ,He bei Uni ver sit y of Tech no lo gy ,Tian jin 300130,C hin a )Abstract Rar e -earth giant magnetostrictive materials (GMM )are a type of ne w functional mater ials .A br ief de -scription is given of the histor y of giant magnetostrictive materials ;and their char acteristics are compared with those of piezoelectr ic mater ials .Curr ent research developments are descr ibed ,in particular :(1)fabrication technology ,in -cludingthe Czochraski ,FSZ ,Bridgman ,po wder -sintering and powder -bonding methods ;(2)c omposition studies of GMM ,including the substitution for Fe in RFe 2and exploitation of light rare -earth GMM .Applications and the impor -tance of GMM researc h in China are r eviewed .Key words giant magnetostr iction ,rar e -earth -transition inter metallics＊　国家自然科学基金(批准号:50271023)和教育部科学重点(批准号:02017)资助项目2004-03-23收到初稿,2004-06-07修回 通讯联系人.E -mail :ad mat @js mail .h eb ut .edu .cn1　磁致伸缩效应简介1842年,焦耳(Joule )发现沿轴向磁化的铁棒,长度会发生变化,这种现象称为磁致伸缩效应,又称为焦耳效应[1],从广义讲包括顺磁体、抗磁体、铁磁体以及亚铁磁体在内的所有磁性材料都具有磁致伸缩性质.但是顺磁体、抗磁体材料的磁致伸缩值很小,实际应用价值不大;而对于部分铁磁性及亚铁磁性材料,磁致伸缩值较大,数量级可以达到103ppm ,具有很高的实用价值,引起研究人员的重视.磁致伸缩材料的应用主要涉及到以下几种效应:(1)磁致伸缩效应(焦耳效应):材料在磁化状态改变时,自身尺寸发生相应变化的一种现象.磁致伸缩有线磁致伸缩(长度变化)和体磁致伸缩(体积变化)之分,其中线磁致伸缩效应明显,用途广,故一般提到的磁致伸缩都是指线磁致伸缩.(2)磁致伸缩的逆效应(Villari 效应):对铁磁体材料施加压力或张力(拉力),材料在长度发生变化的同时,内部的磁化状态也随之改变的现象.(3)威德曼效应(Wiedemann )效应:在被磁化了的铁磁体棒材中通电流时,棒材沿轴向发生扭曲的现象.(4)威德曼效应的逆效应(Matteucci 效应):将铁磁体棒材绕轴扭转,并沿棒材的轴向施加交变磁场时,沿棒材的圆周方向会产生交变磁场的现象.(5)ΔE效应:磁致伸缩材料由于磁化状态的改变而引起自身杨氏模量发生变化的现象.正是由于上述效应的存在,磁致伸缩材料才能广泛应用于超声波、机器人、计算机、汽车、致动器、控制器、换能器、传感器、微位移器、精密阀和防震装置等领域[2].2　超磁致伸缩材料的研究历史在焦耳发现磁致伸缩现象后的一个世纪里,人们一直在努力探索实用的磁致伸缩材料,但是大部分材料的磁致伸缩值只有10-6—10-5数量级,仅相当于热膨胀系数.直到1940年,Ni和Co的多晶(Ni,Co-Ni,Ni-Fe,Fe-Co)材料出现后,磁致伸缩材料才得到实用化,磁致伸缩约为40ppm,主要应用于超声波换能器.1950年,发现了Alfer Fe-13%Al合金,它的磁致伸缩值达到100ppm,磁致伸缩材料的研究取得了一定进展.但是早期的磁致伸缩研究大部分是关于噪声的,如1954年Hunt发现放置在通有交变电流的线圈附近的永磁体会发出声音;日常生活中的老式日光灯镇流器会发出的低鸣声,都是磁致伸缩效应在交变磁场下的表现.20世纪60年代,Legvold[3],Clar k[4]和Rhyn[5]等致力于稀土类磁致伸缩材料的研究,并取得较大进展.该类材料的磁致伸缩值比一般材料要大上百倍,因此称为超磁致伸缩材料.一般来讲,超磁致伸缩材料包括稀土金属、稀土-过渡金属间化合物及其非晶薄膜合金、稀土氧化物和锕系金属化合物,其中只有MgCu2型Laves相金属间化合物RFe2(R代表稀土元素)及其非晶薄膜以其居里温度高、室温磁致伸缩值大而倍受研究人员的关注.室温超磁致伸缩材料的研究始于20世纪70年代,Clar k等人[6]系统研究了稀土-过渡族金属(Ni,Co,Fe,Al,Mn)化合物,发现具有MgCu2型Laves相结构的RFe2合金具有较大的室温磁致伸缩值.但是该材料的磁晶各向异性能很高,各向异性常数达到106J/m3数量级,仅被当作永磁材料的候选者.后来,研究人员发现RFe2的各向异性常数具有正负号,于是利用符号相反的RFe2相互补偿来获取较低磁晶各向异性能的磁致伸缩材料.1974年, Clark等人[7]成功地发现了赝二元金属间化合物Tb0.27Dy0.73Fe2合金,它具有磁致伸缩值高、居里温度高、磁晶各向异性能小等优点,目前Terfenol-D牌号的超磁致伸缩材料(Tb x Dy1-x Fe2)已经商品化应用.如今,稀土超磁致伸缩材料像稀土磁光材料、稀土永磁材料和稀土高温超导材料一样,成为人们广泛关注的又一新型稀土功能材料.3　超磁致伸缩材料T erfenol-D的优点目前,在各种致动器件中广泛应用的是压电陶瓷材料,然而Terfenol-D材料较压电陶瓷材料具有更优越的性能:(1)室温磁致伸缩值更大,单晶材料应变值达1500ppm以上,比传统压电陶瓷材料高数倍.(2)居里温度高,适用于高温环境.当环境温度高过居里温度时,磁致伸缩性能只会暂时消失,待冷却到居里点后,磁致伸缩性能完全恢复;而压电陶瓷在工作温度以上会极化而永久失效.(3)输出应力大,在外加预应力条件下,磁致伸缩还存在跳跃效应.(4)能量转换效率高,机电耦合系数可达到0.8.(5)超磁致伸缩材料可承受高达200MPa的压力,能适用于高压力的执行器、大功率的声学换能器等,而压电陶瓷无法承受较大的压应力.(6)驱动电压低,只需几伏电压驱动,远低于压电陶瓷几千至几万伏高压驱动.(7)响应速度快,对磁场和应力几乎即时响应,可用于快速执行器.(8)频率特性好,频带宽.表1　超磁致伸缩材料Terfenol-D与压电陶瓷材料物理性能对比材料特性Terfenol-D材料压电陶瓷材料应变值(ppm)1500800声速(m/s)1700—2600—产生应力(kg/c m2)300150居里温度(℃)380℃±40180℃±100机电耦合系数0.80.7响应速度μs级ms级4　超磁致伸缩材料当前的研究热点和进展4.1　关于制备工艺的研究〈111〉方向是T erfenol-D材料的易磁化方向,也是磁致伸缩系数最大的方向.因此生长〈111〉方向的单晶是获得大磁致伸缩材料的途径之一.磁致伸缩材料单晶或取向晶体的生长方法主要有直拉法、悬浮区熔法和布里奇曼法等等.直拉(Czochraski)法是将籽晶与熔融金属接触,以一定速度拉出,依靠固液界面张力将熔化金属提出后凝固生成单晶的晶体生长方法.该方法要求高的真空度和高纯度的原料,拉出的晶体成分偏差较大,目前只用于实验室研究.悬浮区熔(Free-standing-zone)法是将母合金棒放入悬浮区熔装置中,由感应线圈提供一定宽度的熔区,棒相对于感应线圈上下移动,母合金经过熔化-凝固过程后得到孪晶或定向多晶的方法.悬浮区熔法避免了坩埚对原材料的污染,元素烧损少,轴向成分和性能比较均匀.此方法适用于生产小尺寸的棒材.布里奇曼(Bridgman)法是将熔体置于底部尖端的坩埚内,熔体通过水冷结晶器作用,缓慢生成单晶的方法.该方法生成的棒材磁致伸缩性能略差,但是可以一次浇注多根不同尺寸、不同形状的棒材,适合大规模生产,目前已经商业化应用.目前,研究者在单晶和取向晶体的制备工艺上取得了很大的进展,如北京科技大学周寿增教授、北京航空航天大学蒋成保教授等成功制备出[1-10][8]、〈113〉[9]和[112][10]取向的TbDyFe磁致伸缩材料.由于T erfenol-D合金凝固时晶粒的择优生长方向为〈112〉和〈110〉,且在晶体生长过程中容易出现包晶反应、组分过冷,生长〈111〉方向的单晶很难.1995年,中国科学院物理研究所吴光恒研究员采用直拉法首次生长出〈111〉方向的T er fenol-D单晶[11],其自由样品磁致伸缩值达1800ppm;在6MPa 压力和2kOe(1Oe=79.5775A/m)磁场作用下,该单晶最大磁致伸缩值为2375ppm[12].由于制备单晶和取向晶体的成本高,且需要根据实际应用对单晶进行切割处理[13],造成很大浪费,更不能制备大尺寸和形状复杂的磁致伸缩应用元件.于是研究者借鉴了永磁材料制备中的烧结和粘结技术.如利用磁场取向成型法[14],将Terfenol-D 粉末制成晶粒沿磁场方向取向的压结体,然后在一定的温度(950—1050℃)下烧结12h,使晶粒长大.在14kOe下,该烧结体材料的磁致伸缩值达到1067ppm.Clark等用粉末粘结法[15]制备了ErFe2和TbFe2的粉末粘结体,其中在磁场下固化的TbFe2粘结体,饱和应变达到1185ppm.另外研究者还研究了不同胶含量和粉体粒径对磁致伸缩性能的影响[16,17].烧结和粘结方法虽然降低了磁致伸缩系数,却能够制备大尺寸异形元件,具有很高的实用价值.4.2关于超磁致伸缩材料组分的研究目前稀土超磁致伸缩材料组分的研究主要集中在以下两个方面:4.2.1　对RFe2结构中Fe原子的替换研究人员用Ni,Co,Mn,Al取代RFe2中的Fe 后发现,Mn的替代[18]显著降低了磁晶各向异性能,磁致伸缩值增大;而Ni,C o的替代未见明显的效果,Al的替代虽然降低了磁致伸缩,但同时略微降低了饱和场[19].另外少量的非金属B的掺杂可促进成相和提高磁致伸缩[20,21].4.2.2　开发含轻稀土的超磁致伸缩材料对于T erfenol-D而言,限制其推广的一个原因是重稀土价格昂贵.因此,价格低廉的轻稀土超磁致伸缩材料成为又一研究热点.这方面的工作开始主要集中在含Sm和Pr的化合物上[22,23].由于具有与TbFe2相比拟的室温磁致伸缩,SmFe2首先引起研究者的重视.但SmFe2的磁致伸缩值是负的,应用范围较小.因此可能使用的材料是含Pr的化合物,但是由于Pr的原子半径较大,常压下不能合成含有较高浓度Pr的Laves相材料.研究发现,Ce原子具有较高的结合能,Ce的掺入能够提高Laves相金属间化合物中Pr的浓度[24].因此研究含有Pr,Ce轻稀土的超磁致伸缩材料具有重要的研究价值.对于含轻稀土Pr的Laves相金属间化合物的研究[25,26],发现Pr0.15Tb0.75Dy0.25Fe2取向材料λ=2200ppm(H= 10kOe),磁致伸缩性能比无Pr替代的Tb x Dy1-x Fe2高出约400ppm.根据单离子模型,CeFe2和PrFe2在0K下的磁致伸缩值分别达到6000和5600ppm,分别远大于TbFe2、DyFe2的4400和4200ppm.然而低温条件下CeFe2磁致伸缩系数仅为60ppm.原因在于CeFe2中稀土Ce离子表现为+3.29价,而不是+3价,因此,获得表现为+3价的Ce基化合物有可能获得大磁致伸缩材料.唐成春博士研究了含Ce的Laves相金属间化合物,通过对材料的晶体学、磁学性质的分析,系统地研究了Ce的变价行为,证明Ce向+3价的波动确实对磁致伸缩有贡献[27—31],在Ce基轻稀土超磁致伸缩材料研究方面取得较大的进展.5　超磁致伸缩材料的应用领域超磁致伸缩材料和压电陶瓷材料在军事、电子、机械等领域有着重要的应用.利用电磁能和机械能的有效转换,磁致伸缩材料和压电陶瓷材料可以制成众多先进器件,如声/水声学器件、力学器件、执行器件、换能器件等.近年来,随着超磁致伸缩材料的不断开发和应用,已形成了替代压电陶瓷的趋势.超磁致伸缩材料的用途可分为以下几个方面.5.1　声学方面声信号是水下通信、探测、侦察和遥控的主要手段.声纳装置的核心元件是压电材料和磁致伸缩材料.声纳发射的声波频率越低,声信号在水中的衰减就越小,传播的距离就越远.同时,宽频带响应可以提高声信号的分辨率.超磁致伸缩材料T er -fenol -D 与压电陶瓷材料PZT 相比具有输出功率大、低频特性好、工作温度范围大、低电压驱动等优点,从而在声纳系统中得到广泛的应用.用Terfenol -D 制成的超声波发生器在捕鱼、海底测绘、建筑和材料的无损探伤方面也有很好的应用前景[32].图1是超磁致伸缩材料的应用原理图.由驱动线圈提供磁场,T erfenol -D 棒材的长度会发生变化,从而将电能转换成声波或机械能输出.另外超声振动能够使液体瞬间产生大量气泡并破裂,产生局部的高温、高压和机械振动,于是人们用超磁致伸缩材料制成了大功率超声换能器,用于超声清洗、加工和分散等领域.图1　超磁致伸缩材料应用原理5.2　传感器和电子器件利用超磁致伸缩材料的磁致伸缩大、响应速度快的特点,超磁致伸缩材料可以制成位移、力、加速度的传感器,还可以用于与磁场有关的物理量测量.Chung 等利用T erfenol -D 设计了一个磁致伸缩型二极管激光磁强计[33],对90Hz 的交变磁场,具有0.2m Oe 的分辨率,而一般商用磁强计只有1m Oe 的分辨率.5.3　微控制领域利用超磁致伸缩材料应变随磁场变化以及响应速度快的特点,超磁致伸缩材料可制成精密致动器、控制阀门和高速阀门的驱动元件,用于精确定位、微动马达和精密阀门等方面,如分辨率达nm 级的微位移执行器和微小步进达微弧度的旋转马达[34].超磁致伸缩材料可应用于燃料注入系统,实现对燃料的精确、瞬时控制,以达到燃料充分燃烧,减少污染的目的,目前已经应用于汽车等内燃机.5.4　阻尼减震系统根据磁致伸缩材料机械响应快、能够将机械能转变成磁能的特点,ABB 等几家公司设计了阻尼减震系统,并预见了磁致伸缩材料用于未来的交通工具的减震技术.该系统由Terfenol -D 伺服阀控制液压柱,取代弹簧和减震器,根据微机信号进行反应,使用该减震系统的交通工具在行驶时会十分平稳.超磁致伸缩材料制成的元件在功率、响应频率、低压效果、可靠性等方面的优势引起了世界各国的重视.美国海军早在20世纪70年代就开始了水下超磁致伸缩材料的研制工作;日本海洋科技中心与NKK 电子工业公司开发了用于音响层X 射线照相术的超磁致伸缩低频声纳换能器;东芝公司试制了超磁致伸缩低频小型扬声器,超磁致伸缩材料已经进入民用阶段.人们仍在努力探索室温超磁致伸缩材料应用的新领域.6　结束语高性能的超磁致伸缩材料是现代技术所必须的重要功能材料之一,它的广泛应用将导致一系列控制和执行元件的革命.高技术产业的迅速发展,对稀土超磁致伸缩材料的需求日益增大.据有关专家预测,用于超声波器件的超磁致伸缩材料,在美国一年需要 0.5—1in (1in =2.54cm )圆棒约10000in .用于油压机、机器人等的超磁致伸缩材料在美国市场每年约6亿美元;用超磁致伸缩致动器取代传统压电致动器的市场更加可观.稀土超磁致伸缩材料中稀土占有相当大的比例,以原子百分浓度计达33%以上.我国是一个稀土大国,超磁致伸缩材料又有广阔的市场和应用前景,所以开展稀土超磁致伸缩材料的研究,开展多学科的交叉研究,拓展超磁致伸缩材料的应用,对推动我国稀土事业的发展和提高科技水平将产生深远的影响.参考文献[1]钟文定.铁磁学(中).北京:科学出版社,1987.21[Zhon g W D .Ferromagn etics (Ⅱ).Beijin g :Science Press 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etism &Magn etic Materials .Changs ha ,1999.567(in Ch inese )][10]蒋成保,周寿增,张茂才等.材料研究学报,1998,12:482[J ian g C B ,Zhou S Z ,Zh an g M C et al .Chin es e Journal of Material R es earch ,1998,12:482(in Chinese )][11]Wu G H ,Zhao X G ,Wang J H et al .Ap pl .Ph ys .Lett .,1995,67:2005[12]Zhao X G ,Wu G H et al .Ap pl .Phys .,1996,79:6226[13]贺西平,李斌,周寿增.兵器材料科学与工程,1998,21:62[He X P ,L i B ,Zh ou S Z .Ordn an ce Material Science an d En -gineerin g ,1998,21:61(in Chines e )][14]Mal ekzade M ,Picku s M R .US Patent 4.1979.152,178[15]Clark A E ,Bels on H S .US Paten t 4.1983.378,258[16]Liu H Y ,Li Y X ,W u G H et al .Ap pl .Ph ys .,2002,91:8213[17]Lim S H ,Kim S R ,Kang S Y et al .Magn .Magn .Mater .,1999,191:113[18]W u C H ,Yan g C P et al .Magn .Magn .Mater .,1997,166:249[19]Mohan Ch V .Alloys Comp .,1996,236:184[20]W u L ,Zhan W S et al .Magn .Magn .Mater .,1995,139:335[21]Ren W J ,Zhan g Z D et al .Appl .Ph ys .Lett .,2003,82:2664[22]Li Y F ,S hen B G ,Zh an W S et a l .Alloys Comp 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教授领导的研究组发明了一种超声装置可放在客车上对火车铁轨的裂缝进行探测.过去超声径迹探测设备必须要安装在特殊的火车上才能进行工作,这种火车的速度要保持在每小时20—30英里.而现在的新装置是可以在一般快速疾驶的载人客车上使用,车速可达到每小时200英里.它还可以连续地、常规地检查刚出现的铁轨的裂纹.新的超声技术可以探测到离铁轨表面15mm 深处的裂纹缺陷,另外它还可以测量出裂纹的“量规角(gauge -corner )”,所谓的量规角经常发生在动的车轮与铁轨端点相接触处.由量规角裂缝引起的径迹故障常常是许多意外事故发生的原因;例如2000年10月发生在英国的火车脱轨事故也是由此产生的,该事故造成四位乘客伤亡.安装在火车上的探测器,它能产生“低频、宽带的瑞利波”.多种频率的声波将沿着铁轨表面快速地传播,不同频率的波可以穿透到离铁轨表面的不同深度.低频波一般能穿透15mm 左右.若声波在碰到铁轨内的裂缝时,其中的部分将会被阻截,这时稍稍有一部分声波会发生反射,从而被探测器测定,根据各种波的频率大小就可以测出裂缝的精确位置与深度.初步的试验结果表明,这项新技术还可以检测铁轨内部微结构的变化和应力的分布.这对于识别裂纹的敏感变化有极大的好处.当然为了能证实上述的各种能力,还需要进行一系列的实验工作,特别是要把探测从实验室的条件转变到真正的实际客车上去作试验.(云中客　摘自Issue of Insight The Journal of the British Institute of Non -Destructive Testing ,June 2004)。

高分子复合材料的性能特点陈金鹏（河北工业大学材料科学与工程学院，材料物理与化学国家重点学科，天津）摘要：简单介绍了稀土/高分子复合材料，磁智能材料，聚合物基纳米复合材料，导电高分子复合材料，磁性纳米高分子复合材料等几种高分子复合材料的性能和特点，以及对它们的制作方法做了简单的介绍。

关键词：高分子复合材料，纳米材料，特性The performance characteristics of polymer compositematerialsChen jin peng（College of Materials Science and Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin, China ）Abstract: Introduced several the performance and characteristics of the rare earth/polymer composite material l, magnetic intelligent materials, polymer nanocomposites,conductive polymer composite material, magnetic nano polymer compositemacromolecule composite materials, and their production methods do brieflyintroduced.Key words：Polymer composite materials, Nano materials, characteristics1.1稀土/高分子复合材料在高分子材料科学发展过程中，兼备高分子材料质轻、高比强度、易加工、耐腐蚀的优点，同时又具有光、电、磁、声等性能的特种高分子复合材料备受推崇。

稀土因其电子结构的特殊性而具有光、电、磁等特性，这些特性是人们制备稀土/高分子复合材料强烈的技术和应用的驱动力。

河北工业大学材料学院“十佳大学生”评选办法为倡导奋发向上、积极进取的学习风气，激发广大学生刻苦求知、开拓创新的热情，宣传展示材料学院优秀大学生的风采，激励广大学生树立远大理想和正确的世界观、人生观、价值观，特制定本办法。

一、评选范围“十佳大学生”每年评选十名，范围为材料学院在籍的本科生及研究生，在校连续学习一学年以上。

二、评选机构在学院统一领导下，成立由主管领导任组长，由辅导员、教师代表、学生代表组成的学院评选委员会。

委员会下设办公室，办公室设在学院学工组。

三、评奖名额：10人（名额分配见各项评选办法）四、评选时间定于每年10月20日至11月20日。

五、评选条件1. 热爱祖国，拥护党的领导，遵守国家法律，认真学习邓小平理论、“三个代表”重要思想和科学发展观，坚决贯彻党的基本路线和方针政策。

2. 具有良好的道德品质，严格遵守学校各项规章制度，坚决执行学校的各项决定。

在校期间无任何违纪处分（含通报批评）。

3.积极参加学校各项活动，关心集体；有良好的行为习惯，遵守社会公德和公共秩序，受到广大同学的一致好评。

4. 学习刻苦、成绩优秀。

5、身体健康，达到大学生体育健康标准。

符合以下条件之一，在评选时可适当放宽条件：6.参加各种竞赛或社会工作成绩突出，获得省级以上荣誉。

7. 在思想道德、学习、学术、社会实践等某一领域或多个领域作出重大贡献，并受到省级以上（含省级）表彰的个人。

8、学术研究成果具有较高的理论价值和推广价值，或应用于实践领域产生显著社会经济效益；或在重要的学术期刊或报刊上发表过文章。

六、评选步骤、要求1. 宣传发动阶段：10月20日至10月30日，学院下发评选通知，并通过多种途径进行宣传报道。

2. 学生自荐或班级推荐阶段：10月31日至11月5日，符合条件的学生，可以通过自荐或由所在班级推荐参评，将本人书面申请、荣誉证书复印件、个人参评成果证明以及登记表等材料，在规定时间内送交材料学院学工组。

3.候选人资格审查阶段：11月6日至11月8日，学工组老师汇总参评学生信息，对申请人进行资格审查。

何继宁，男，1963年1月出生，副教授，河北热处理学会理事，在读博士。

1985年大学毕业后，一直在河北工业大学材料学院工作。

1999年9月被聘副教授。

现任材料学院党委委员、材料一系党支部副书记等职务。

主讲《金属力学性能》、《材料性能》，《新型陶瓷材料》，《先进陶瓷材料》等课程。

电话：26564581、26564579 email:hejining@ 二、研究方向：表面工程，主要研究金属表面陶瓷涂层、金属陶瓷涂层、复合涂层的制备、性能及应用。

目前主攻方向等离子焰流反应形成纳米涂层。

三、发表的论文目录 99以来，共发表论文23篇，其中国外重要期刊， SCI、EI收录6篇，ISTP 1篇，国际会议、核心期刊13篇，获奖情况1）焰流控制自反应合成金属/陶瓷复合涂层的研究2005年河北省技术发明一等奖第二完成人2）金属表面耐磨蚀梯度材料的研究获2001年河北科技进步二等奖第二完成人3）金属表面耐蚀涂层研究获天津市98年度科技进步二等奖第二完成人4）“加强对学生工程实践能力的培养，建立大工程意识的研究”获99年校优秀教学成果三等奖第一完成人2研究项目情况99年以来，共主持和承担天津市、河北省自然基金及科委计划项目12项，国家自然基金项目2项，签订横向课题1项，到校科研经费120余万元，到目前为止，已取得科研成果5项，在研项目7项。

1）已鉴定或完成的科研成果：（1）金属表面耐磨蚀梯度材料的研究省级鉴定国际先进2000年9月第二主研（2）金属表面耐蚀梯度陶瓷材料验收国际先进2001年12月第二主研（3）焰流控制自反应合成陶瓷涂层省级鉴定国际领先2003年4月第二主研（4）金属表面耐蚀涂层的推广验收2003年11月第二主研（5）反应形成AL2O3陶瓷梯度热障涂层的研究（2001～2003）省级鉴定国际先进 5.5万元第二主研现承担项目（1）应等离子喷涂纳米晶TiN涂层的研究项目批准号：50472033 国家自然基金 2005.01~2007.12 26万元第二主研（2）应等离子合成纳米晶TiCN涂层的研究河北省自然基金 E2005000056 5万元主持（3）等离子反应喷涂TiN厚涂层的研究（2002～2005）天津市自然基金编号：023603911 6.0万元第二主研（4）等离子体反应合成纳米复合陶瓷涂层的研究（2002～2005）河北自然基金编号：503037 13万元第二主研（5）耐磨金属陶瓷涂层在双螺杆泵上的应用 (2003 `2005年)河北省科技攻关项目（款已到校） 30万元第二主研（6）耐磨陶瓷梯度涂层在双螺杆泵上的应用 (2003 `2005)省校合作基金 30万元第二主研（7）纳米掺杂Al2O3陶瓷涂层的研究 (2003 `2005)国家自然基金第二主研单位第二主研3）专利（1）焰流控制自反应合成陶瓷涂层授权国家发明专利专利号：ZL01138617.7 第二发明人（2）反应等离子喷涂反应室装置申请国家发明专利公开号：cn1603451A 第二发明人（3）反应喷涂纳米晶TiN涂层的方法申请国家发明专利公开号：cn1612712 第二发明人（4）反应喷涂纳米晶TiN粉末的方法申请国家发明专利公开号：cn1609056A 第二发明人王清周，男，博士，河北工业大学副教授，硕士生导师，1978年生于山东德州。

姓名：张广川学号：201020181034 班级：sj1054Li4Ti5O12（钛酸锂）锂离子电池负极材料研究评述张广川(河北工业大学材料科学与工程学院，天津 300130）摘要：介绍了锂离子电池负极材料Li4Ti5O12的优点、晶体结构、嵌锂机理和电化学特性。

对Li4Ti5O12的固相法、sol-gel法以及其他各种制备方法进行了讨论，结合动力电池的关键性能，如安全性能、循环性能、倍率性能以及低温性能，详细介绍了Li4Ti5O12作为锂离子动力电池负极材料在这几个方面的研究现状，并结合自制LiCoO2/ Li4Ti5O12系列电池就上述关键性能进行了研究。

并对其的应用前景进行了展望。

关键词：锂离子电池；负极材料；Li4Ti5O12；倍率性能；低温性能Research progress in Li4Ti5O12as anode material for Li-ion battery Chris Zhang(Materials department of science and engineering，hebei university of technology，tianjin 300130)Abstract：The research status of advantage,crystal structure,mechanism of lithium inserting and electrochemical properties of lithium titanate (Li4Ti5O12) as anode material for Li-ion battery are reviewed. And solid-state method,sol-gel method,as well as various other preparation methods for Li4Ti5O12 are discussed.And,the advance of Li4Ti5O12 used as the anode material for lithium ion power batteries was reviewed in terms of safety, cycleability, rate capability and low temperature performance. Furthermore, the investigations of LiCoO2/ Li4Ti5O12 batteries series in our labs were also discussed in detail.Key words： Li-ion battery； anode material；Li4Ti5O12；rate capability； low temperature performance1 引言随着全球资源的日益短缺，人们开始开发新型能源代替传统能源。

河北工业大学科技成果——材料表面超精密加工纳
米浆料的制备与工艺技术
项目简介
材料表面的加工精度直接影响微电子技术的集成度和可靠性、导弹射程偏差（每偏差0.1微米，射程偏差数百米）、计算机硬盘存储量、航空航天定位及激光测试、光电制导、精密仪表的精度。

通常机械加工精度最高达亚微米级，而化学加工又难以保证全局和局部的平整度。

采用化学机械方法进行超精密加工，实现机械与化学作用互补，既保证加工的高精度和高平整，又保证工业的规模效率。

本项目发明的系列碱性纳米浆料、清洗剂及新技术，实现了多种材料在同一表面实现高平整、低粗糙、高洁净及速率可控。

有效解决了目前常用的酸性浆料一直难以克服的腐蚀设备、塌边、选择性差、碟形坑、划伤、金属离子沾污等六大技术难题，实现了粗糙度达亚纳米级，大于0.1μm的吸附粒子小于10个，并使新加工表面的金属离子沾污和碟形坑得到有效控制，浆料价格仅为进口产品的1/4。

本项目可用于红外探测器及照明工程发光器件衬底材料蓝宝石晶体、计算机硬盘基片、制导定位系统专用材料、工程物理仿真实验专用金属等相关领域高新技术及材料的超精密加工。

市场前景
我国“十五”期间预计建设近二十条φ200mm微电子生产线，特征线条尺寸均在0.25μm以下，均需要对衬底、多重布线介质及金属布线进行化学机械抛光（CMP），实现全局平面化，化学机械抛光
浆料和清洗液则是进行此工艺不可缺少的主要耗材。

规模与投资建立生产规模1万吨/年的装置，投资12000万元。

生产设备厂房净化设备、浆料制备及纯化设备等，流动资金6000万。

效益分析毛利50%以上。

合作方式合作开发。

2011河北工业大学材料学院课题组介绍1. 高性能热镀合金技术及工程化在热镀锌领域，以高性能热镀合金为研究对象，通过研究节能、环保、减排、高效生产的先进技术与工程化问题，最终实现提高热镀锌制品的性能，改变传统行业的高污染、高消耗、低产出的落后面貌的总目标。

具体的研究内容涉及热镀合金的性能、工艺性研究，各种金属制品的热镀合金的工艺技术、原理及设备的研究以及工程应用中涉及的问题的解决。

最终实现新技术的工业化实施。

成员：廖波曹晓明马瑞娜温鸣武建军范永哲在研项目：1). Fe-B共晶合金在液态锌中的腐蚀规律与机理国家自然科学基金2009-20112). α-Fe2B共晶合金在液锌中的腐蚀机理研究河北省自然基金项目2008-20113). 镁合金超声波纳米化学复和镀机理研究河北省自然基金项目2009-20114). 高效环保热镀钢丝工艺和设备的研究科技人员服务企业项目2009-2011地址：动力楼204，206, 材料科学楼2.金属复合材料在结构金属复合材料研究方面，通过对非晶纳米晶细化孕育剂的基础理论研究和技术创新，研制用于铝、钛和钢铁材料的非晶纳米晶孕育细化剂，研发性能优异用于航空航天和汽车工业的高强金属复合材料产品。

在功能金属复合材料方面，研究生物性能优异的系列钛合金复合材料，构建新型钛合金生物医用复合材料体系，开发出高耐蚀、高生物活性钛合金生物医用零部件。

开展纳米磁性复合材料的制备、界面微结构和磁性性能的基础研究工作。

成员：崔春翔孙继兵步绍静王清周戚玉敏杨薇刘双进丁贺伟王铁宝在研项目：1).原位纳米TiB2、AlN颗粒增强Al-Cu-Mg-Mn-Ag高强度复合材料的研究国家科技部国际科技合作计划项目2010.01-2013.122).自生陶瓷颗粒增强钛合金复合材料民航发动机紧固螺栓天津市科技支撑重点项目2009.4-2012.33).模版沉积高性能双相纳米磁性复合材料河北省自然基金项目2010.1-2012.124).高性能离心铸造梯度复合高速钢轧辊材料的基础研究河北省钢铁联合基金2009.1-2011.12,5).1200MPa超高强汽车用弹簧钢关键制备技术河北省科技支撑重点项目2009.1-2011.126).新型碳纳米管调控Sm(Co,M)7高矫顽力薄带磁体的制备天津市基础研究重点项目2009.1- 2011.12 7).新型高阻尼材料多孔铜基形状记忆合金的制备及性能研究天津市基础研究重点项目2009.1-2011.128).非晶孕育细化增强多元多相铝基复合材料的基础研究国家教育部博士点基金项目2008-2011 9).新型高阻尼多孔铜基形状记忆合金的制备及性能研究河北省自然科学基金面上项目2009-2011 10).钛酸钾一维纳米材料的液相合成机制及生物特性河北省教育厅项目2010－2012地址：南院悬浮炉室、甩带炉室，复合材料室，复合材料室动力搂203，205 院部试验3. 先进电池与节能材料针对国家新能源产业的发展，研究固态离子跃迁动力学、远红外发射材料学基础问题，研发高性能锂离子电池材料合成和制备技术，实现产业化。

CNTs-Al2O3联合增强镁基复合材料的制备与性能研究于洋;李海鹏;程里;宋晓庆;秦剑坤【摘要】采用化学气相沉积法,使用镍催化剂,在氧化铝(Al2O3)颗粒载体表面原位合成了碳纳米管(CNTs),制备出CNTs-Al2O3原位复合增强相;采用粉末冶金工艺制备了CNTs-Al2O3联合增强镁基复合材料.通过XRD、SEM、TEM等对CNTs-Al2O3原位复合增强相进行表征,结果表明:通过控制合成条件,在Al2O3颗粒表面可获得分散均匀、形态理想、石墨化程度高的CNTs,实现了CNTs与Al2O3颗粒的原位复合.对复合材料的组织和力学性能分析表明:Al2O3颗粒发挥了良好的“运载效果”,通过球磨工艺,使CNTs从Al2O3颗粒表面脱落并在镁基体中分散;同时,作为催化剂载体的Al2O3颗粒与CNTs对镁基体起到联合增强作用,使得复合材料力学性能明显提高.【期刊名称】《河北工业大学学报》【年(卷),期】2016(045)003【总页数】7页(P31-37)【关键词】碳纳米管;氧化铝;联合增强;镁基复合材料;化学气相沉积【作者】于洋;李海鹏;程里;宋晓庆;秦剑坤【作者单位】河北工业大学材料科学与工程学院,天津300130;河北工业大学材料科学与工程学院,天津300130;河北工业大学材料科学与工程学院,天津300130;河北工业大学材料科学与工程学院,天津300130;河北工业大学材料科学与工程学院,天津300130【正文语种】中文【中图分类】TG146.2在装备制造轻量化的发展趋势下，镁基复合材料在航空航天、汽车、建材等领域的应用日益广泛．但镁基复合材料仍存在高温强度低、抗蠕变性和耐磨性差等不足，制约了其在装备制造领域的更广泛应用．自被发现以来，碳纳米管（CNTs）凭借其优异的机械和物理性能，被认为是高性能复合材料的理想增强相，关于CNTs增强镁基复合材料的研究也被深入开展．例如，Park等[1]采用挤压渗透法制备了CNTs/Si/Mg复合材料，CNTs/Si的加入减少了镁基复合材料的铸造缺陷并提高了镁基复合材料的抗拉强度．Han等[2]采用粉末冶金法制备了CNTs增强镁基复合材料，同原始基体相比，复合材料抗拉强度提升了22.7％，抗压强度提升了53％．张云鹤等[3]也采用粉末冶金法制备了CNTs增强镁基复合材料，所制备的复合材料组织致密，CNTs的加入使纯镁的硬度提高了18％．陈玉华等[4]以CNTs为增强相，采用搅拌摩擦加工法制备了镁基复合材料，CNTs的加入使复合区晶粒细化，复合材料显微硬度和抗拉强度都得到明显改善．但是，因CNTs长径比大、比表面能高，存在的较强范德华力使其在镁基复合材料中极易团聚，而传统方法难以解决其在镁基复合材料中的均匀分布问题[5-7]．例如，简单的超声分散无法克服CNTs间的范德华力作用；高能球磨可能破坏CNTs的结构完整性，并导致氧化镁的形成[8]；搅拌铸造法易导致CNTs的结构损伤和在块体材料中的偏聚[9]．为解决CNTs在金属基复合材料中的分散问题，研究人员已实现了在金属（如A l、Co、Cu等）粉末中CNTs的原位合成，达到了CNTs与金属基体粉末的“分子级混合”效果，使得复合材料的力学性能得到显著提高[10-14]．然而，关于在镁基体中原位合成CNTs的尝试表明：尽管在较低温度下可获得CNTs，但镁和催化剂之间存在强烈的相互作用，导致CNTs的合成效果并不理想[15]；即使严格控制化学气相沉积（CVD）过程以避免镁与催化剂的反应，仍不可逆地形成了不利于镁基复合材料性能的杂质和脆性MgO[16]．因此，镁较低的熔点和活泼的化学性质，导致其并不是CNTs合成的理想载体，通过原位合成技术制备CNTs增强镁基复合材料仍存在难度．基于此，结合原位合成技术的优点并避免杂质的形成，本文提出了CNTs-A l2O3联合增强镁基复合材料的制备方法．首先，使用镍催化剂，通过CVD法在微米Al2O3颗粒表面原位合成CNTs，制备CNTs-Al2O3原位复合增强相；然后，通过适度球磨使CNTs-A l2O3原位复合增强相分散到镁粉中．由于微米级颗粒间的范德华力较低，A l2O3颗粒易于在镁粉中分散；借助Al2O3颗粒的“运载”作用，生长在其表面短而直的CNTs在球磨阶段逐渐剥离并分散在镁粉中，从而间接达到了CNTs的分散效果．此外，与CNTs相似，A l2O3颗粒也是金属基复合材料的常用增强相[17]，二者可实现对镁基体的联合增强．1.1 合成CNTs-A l2O3原位复合增强相为使Ni催化剂均匀分布于Al2O3颗粒表面，采用沉积-沉淀法制备NiO/A l2O3催化剂前驱体，具体包括：将适量的Al2O3粉末（≤100m，纯度99％）加入浓度0.1mol L1的Ni(NO3)26H2O（纯度98％）去离子水溶液中（保证Ni/Al2O3的重量比为1∶11.5）；在搅拌状态下逐滴滴加0.1mol L1的NaOH水溶液并持续搅拌0.5 h以上，静置24 h后经过滤、清洗得到Ni(OH)2/Al2O3二元胶体；将该胶体在N2气氛、450℃煅烧2 h，得到NiO/Al2O3催化剂前驱体；随后，关闭N2并通入H2（100m L/m in）将NiO/A l2O3还原为所需Ni/Al2O3催化剂．采用CVD法进行CNTs-Al2O3原位复合增强相的合成，合成条件为：合成温度700℃，合成时间分别为30min、60min和120m in，合成气氛为CH4（纯度99.9％，60m L/m in）与N2（纯度99.9％，420m L/min）的混合气体．复合增强相中CNTs的含量由式(1)确定式中：WYield表示CNTs的合成产率，％；Wa表示CVD反应后复合粉末的质量，mg；Wb表示催化剂前驱体NiO/Al2O3的质量，mg．1.2 制备CNTs-A l2O3/Mg复合材料将纯镁粉（400目，纯度99.5％）和CNTs-A l2O3复合粉末放入行星式球磨机中，以400 r/m in的转速球磨24h．将球磨后的粉末放入直径20mm的冷压模具中，在600MPa压力下压制成圆柱状毛坯．然后将毛坯放入烧结炉中，在H2气氛、480℃条件下烧结1.5 h．将烧结后的毛坯在400℃预热后，采用H13热挤压模具对毛坯进行热挤压（挤压压力750MPa、挤压比16∶1），获得CNTs-A l2O3联合增强镁基复合材料．同时，采用相同的工艺制备纯镁块体、A l2O3/Mg复合材料和CNTs/Mg复合材料以进行对比．1.3 结构表征与性能测试使用HitachiS-4800型扫描电子显微镜（SEM）和TECNAIG2F20型场发射透射电子显微镜（TEM）观察CNTs-Al2O3复合粉末中CNTs的形貌结构．使用Bruke RFS 100/S型拉曼光谱（Raman）测试仪评价CNTs-A l2O3复合粉末中CNTs的石墨化程度（测试条件：激发源为Ar+激光，激发波长512nm）．使用SDTQ-600差热分析仪（DSC-TGA/DTA）测定CNTs-Al2O3复合粉末中CNTs的热稳定性（测试条件：温度范围0～750℃，空气气氛，升温速率10℃/m in）．利用DigitalM icrograph软件测量CNTs的石墨层片间距．使用EveroneMH-6型显微维氏硬度计测定复合材料的显微硬度（HV）（测试条件：载荷245.2mN、加载时间15 s）．按照ASTM E8标准，使用CSS-44100型万能拉伸试验机测定复合材料的拉伸性能．对每种材料使用3个直径为2.5mm的圆柱形试样进行测试，拉伸速度为0.5mm/m in．图1所示为不同合成时间（30m in、60m in和120m in）所得CNTs-A l2O3复合粉末的XRD图．由该图可见，不同合成时间的合成产物均包括A l2O3、C和Ni三相．位于2为26.2°和44.2°的衍射峰分别属于石墨（002）和（101）峰，表明合成产物中有晶化程度良好的CNTs生成；随着合成时间延长，位于26.2°附近的石墨衍射峰逐渐增强、半峰宽逐渐变窄，表明合成产物中CNTs的含量逐渐增加、尺寸逐渐增大．其余衍射峰分别对应Al2O3和Ni的特征峰．图2所示为氧化铝颗粒和CNTs-A l2O3原位复合粉末的SEM图．由图2a）可见，原始氧化铝颗粒为规则球形，表面光洁，粒径约50m．当合成时间为30m in时，如图2b）所示，大量短小的CNTs均匀覆盖了A l2O3颗粒表面，CNTs长度在200～300nm之间，产率仅为4.1％．随合成时间延长，CNTs长度和产率都明显增加．如图2c）所示，合成时间60min所得到的CNTs平均长度达到1m，直径在20～25 nm，产率达到10.4％；CNTs与A l2O3载体结合良好，管体平直、光滑且未出现团聚缠绕现象，这有利于后续CNTs在镁基体中的分散及良好增强效果的发挥；合成产物中未明显观察到其它类型碳纳米结构，表明合成产物纯度较高．当合成时间为120 min时，由图2d）可见，除CNTs长度稍有增加外，合成时间的进一步延长并未显著改变CNTs的形貌和分散程度；CNTs合成产率为10.7％，与60m in的合成产率相近．图3a）～图3c）所示为不同合成时间所得CNTs的TEM图．可发现，合成产物为典型多壁CNTs，且合成时间对CNTs形貌和结构有显著影响．合成时间为30m in时，如图3a）所示，CNTs中空度较低，管壁中石墨层纹理不清晰，存在大量不完整的石墨层，呈现为短程有序而长程无序的状态，这表明其石墨化程度较低．随合成时间延长，CNTs的合成效果明显改善．如图3b）、3c）所示，当合成时间为60m in和120m in时，所合成的CNTs管壁光滑、平直，石墨层纹理清晰；使用Digital M icrograph软件测得石墨片层间距为0.341 nm，与理想石墨0.34 nm的片层间距非常接近，表明CNTs具有良好石墨化程度．对包覆在CNTs芯部黑色颗粒的EDX分析（如图3d）所示）表明，其为Ni催化剂颗粒；此外，TEM分析发现，几乎所有Ni催化剂颗粒都被包覆在CNTs的端部或芯部，从而避免了残留Ni催化剂对镁基复合材料性能的影响．由上述SEM和TEM分析可知，通过CVD法，借助Ni催化剂，在合成时间30～120m in内可在A l2O3颗粒表面均匀合成短而直的CNTs；氧化铝是CVD法合成CNTs的有效载体，对阻止CNTs团聚起到了重要作用[18]，这些都有利于后续CNTs在镁基体中的均匀分散及其良好增强效果的发挥．图4a）所示为不同合成时间所得CNTs-Al2O3原位复合粉末的TGA-DSC曲线，由此可评估所得CNTs的热氧化稳定性．由该图可见，所有样品均表现出相似的氧化行为和失重行为：在加热初始阶段，失重曲线无明显下降，说明CNTs石墨化程度高、非晶碳相存在较少[19]；在500～680℃温度区间内，TGA曲线明显下降，这是由CNTs严重氧化失重所致．合成时间为30m in时，CNTs-A l2O3复合粉末的失重比率明显低于60min和120min，这是由于其CNTs含量较低所致，与XRD所反映出的产率趋势一致；样品的减重区间集中在440～600℃范围内，放热峰值出现温度较低（534℃）且半峰宽大，说明其石墨化程度较低，与TEM的观察结果相吻合．合成时间为60m in时，在460～680℃区间内CNTs发生剧烈氧化，在550℃时TGA曲线急剧下降、出现明显的失重台阶，653℃时出现半峰宽较窄的放热峰值，这说明该CNTs样品具有较高的热氧化稳定性和石墨化程度．进一步延长合成时间到120m in时，样品在460～640℃出现严重的氧化失重，在618℃出现放热峰值，均低于合成时间60m in时的对应温度，表明CNTs 的热氧化稳定性较60m in时有所降低．由上述分析结果可知，合成时间60m in的CNTs热氧化温度高、抗氧化稳定性强，更适合作为镁基复合材料的增强相．图4b）所示CNTs的拉曼光谱分析结果进一步确认了合成时间对CNTs石墨化程度的影响，为优选镁基复合材料的CNTs-A l2O3增强相提供了依据．由该图可见，CNTs在1 340 cm1（D峰）和1590cm1（G峰）波谱位置出现2个强峰，具有典型多壁CNTs的拉曼光谱特征．合成时间60m in时CNTs的D峰较低、G 峰较高（ID/IG=0.90），说明CNTs石墨化程度高、结构缺陷少．而合成时间为30m in和120m in时，CNTs的D峰较高、G峰较低，ID/IG分别为1.26和1.03，说明在合成产物中存在大量C悬键，石墨化程度较60min的合成效果明显降低．由此可见，合成时间为60m in时，A l2O3颗粒表面不仅CNTs合成产率较高，而且CNTs具有良好热氧化稳定性和较高石墨化程度，该条件下合成的CNTs-Al2O3原位复合粉末更适合作为镁基体的联合增强相．为比较不同增强相的增强效果，采用相同方法分别制备了A l2O3、CNTs和CNTs-A l2O3增强镁基复合材料．图5所示为3种镁基复合材料的显微硬度．由该图可见，3种复合材料的硬度均首先随增强相含量增加而增大；当增强相含量为4％（质量分数）时硬度达到峰值，CNTs-A l2O3联合增强的镁基复合材料硬度比纯镁提高了62.4％，且比单独加入相同含量A l2O3和CNTs的复合材料硬度分别提高了15.0％和7.8％；进一步提高增强相含量，3种复合材料的硬度均略有下降，但CNTs-Al2O3联合增强镁基复合材料硬度始终大于其它二者．由此可见，CNTs-A l2O3联合增强相提高镁基体硬度的效果更加明显．表1所示为根据拉伸试验获得的A l2O3、CNTs和CNTs-Al2O3增强镁基复合材料的抗拉强度和弹性模量．由表1可知，CNTs-Al2O3复合增强相有效改善了镁基体的力学性能，使得抗拉强度和弹性模量均有显著提高．纯镁试样的抗拉强度为189.4 MPa，加入CNTs-A l2O3复合增强相的镁基复合材料抗拉强度最低也达到214.1MPa（8％CNTs-A l2O3/Mg基复合材料）；4％CNTs-A l2O3/Mg基复合材料的抗拉强度和弹性模量最高，分别比纯镁提高了21.3％和25.7％．对于单一CNTs和Al2O3增强相，虽然二者的加入使得复合材料抗拉强度和弹性模量均高于纯镁，但均低于同含量下CNTs-A l2O3/Mg的力学性能，例如，与CNTs-Al2O3/Mg相比，4％ CNTs/Mg复合材料的抗拉强度和弹性模量分别下降了11.7％和18.9％．图6所示为4％CNTs-Al2O3/Mg复合材料拉伸断面的SEM 图．由该图可见，在拉伸断面上均匀分布着被拔出的CNTs，在复合材料断裂过程中，上述CNTs可通过桥连、拔出等机制在镁基体中有效传递载荷、增大变形阻力，提高复合材料强度．复合材料的力学性能与增强相在基体中的分散情况以及增强相-基体之间的界面粘结状态密切相关[20-21]．在CNTs-A l2O3/Mg复合材料制备过程中，通过适度球磨可使微米级A l2O3颗粒均匀分散在镁粉中；由于原位生长的CNTs与Al2O3颗粒之间仅存在较弱的机械结合，适度的球磨可以使CNTs逐渐从A l2O3颗粒表面剥离而不发生结构破坏，剥离下来的CNTs保持了结构完整性、避免了团聚，并与镁粉形成了良好的混合，从而保证了增强相在复合材料基体中的分散．在镁基体中分散均匀的CNTs可与镁基体形成良好的界面结合，起到钉扎晶界、阻碍晶粒长大、细化基体组织的作用，从而使位错在晶界处的迁移所受阻力更大，增加复合材料的变形阻力；CNTs还能够填充镁基体中的孔隙并在基体晶粒之间起到桥连作用，强化了基体晶粒之间的界面结合．此外，作为CNTs合成载体的A l2O3颗粒也是金属基复合材料的常用增强相，具有强度和硬度高、抗变形能力强的特点，可以阻碍镁基体塑性变形过程中的位错运动，从而起到强化作用．因此，CNTs-A l2O3的联合增强使得镁基体的力学性能得到提升，且增强效果优于单独的CNTs或A l2O3增强相．本文提出了一种利用CNTs-A l2O3原位复合结构联合增强镁基复合材料的制备方法，借助于CNTs合成载体A l2O3颗粒的输运作用，通过球磨工艺间接实现了CNTs在镁基体中的分散．采用CVD法、借助Ni催化剂，在A l2O3颗粒表面合成了分散均匀、热氧化稳定性和石墨化程度高的CNTs，获得了结构理想的CNTs-A l2O3原位复合结构．经CNTs-Al2O3的联合增强，镁基复合材料的力学性能得到改善，且增强效果优于单独的CNTs或A l2O3增强相．【相关文献】[1]Park Y，Cho K，Park I，etal．Fabrication andmechanical propertiesofmagnesium matrix composite reinforced 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