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    山东农业大学农学本科学历,高级农艺师。

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    开题报告-Al-Cu-Fe准晶热稳定性及储氢性能的研究

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    内容提示: 中 北 大 学 毕业设计开题报告 学 生 姓 名: 孟庆卓 学 号:1103014128 学 院 、 系 : 材料科学与工程学院 专 业 : 金属材料工程 设 计 题 目 : Al-Cu-Fe 准晶热稳定性及储氢性能的 研究 指 导 教 师 : 赵宇宏 201 5 年 3 月 11 日 开题报告填写要求 1. 开题报告作为毕业设计答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。 此报告应在指导教师指导下, 由学生在毕业设计工作前期内完成, 经指导教师签署意见及所在系审查后生效; 2. 开题报告内容必须用按教务处统一设计的电子威廉希尔app下载标准格式(可从教务处网页上下载) 打印, 禁止打印在其它...

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    中 北 大 学 毕业设计开题报告 学 生 姓 名: 孟庆卓 学 号:1103014128 学 院 、 系 : 材料科学与工程学院 专 业 : 金属材料工程 设 计 题 目 : Al-Cu-Fe 准晶热稳定性及储氢性能的 研究 指 导 教 师 : 赵宇宏 201 5 年 3 月 11 日 开题报告填写要求 1. 开题报告作为毕业设计答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。 此报告应在指导教师指导下, 由学生在毕业设计工作前期内完成, 经指导教师签署意见及所在系审查后生效; 2. 开题报告内容必须用按教务处统一设计的电子威廉希尔app下载标准格式(可从教务处网页上下载) 打印, 禁止打印在其它纸上后剪贴,完成后应及时交给指导教师签署意见; 3. 学生写文献综述的参考文献应不少于 15 篇(不包括辞典、手册)。 文中应用参考文献处应标出文献序号, 文后“参考文献”的书写, 应按照国标 GB 7714—87《文后参考文献著录规则》 的要求书写, 不能有随意性; 4. 学生的“学号” 要写全号(如 0201140102), 不能只写最后 2 位或 1 位数字; 5. 有关年月日等日期的填写, 应当按照国标 GB/T 7408—94《数据元和交换格式、 信息交换、 日期和时间表示法》 规定的要求,一律用阿拉伯数字书写。 如“2004 年 3 月 15 日” 或“2004-03-15”; 6. 指导教师意见和所在系意见用黑墨水笔工整书写, 不得随便涂改或潦草书写。 毕 业 设 计 开 题 报 告 1. 结合毕业设计情况, 根据所查阅的文献资料, 撰写 2000 字左右的文献综述: 文 献 综 述 1 引言 准晶是 20 世纪发现的一种有着奇异结构和物理性质的新材料。 它的发现对长程有序和周期性起着很大的影响, 它冲击了传统的晶体学观念, 使人们进入了一个新局面,从新认识了晶体的概念。 国内外对准晶都进行了研究, 我国从准晶的发现开始就已经处于准晶基础的领先地位。 晶体具有周期性和长程有序性, 但有序性制约了旋转对称性, 使晶体仅具有 1、 2、3、 4、 6 次 5 种旋转对称轴。 准晶却具有 5 次和 6 次以上的旋转对称轴, 是因为准晶是以非周期而有序的原子结构为特征, 即准晶具有长程有序性, 但不具有周期性[1-2]。 准晶的这个特征, 使原来晶体学已有的 7 个晶系, 增加了 5 个准晶系, 对称型(点群) 由原来的 32 种增加到 60 种。 准晶可分为: (1) 三维准晶, 具有二十面体、 立方准晶; (2)二维准晶, 具有十次准晶、 十二次准晶、 八维和五维准晶;(3) 一维准晶, 指在二维上是周期分布, 在一维上是准周期分布[3]。 2 准晶材料的性能特点[4-7] 目前国内外对准晶的研究越来越多, 除了准晶是新发现的有别于晶体和非晶的一类物质, 还应归功于其优异的性能, 准晶在力学、 传输、 表面等方向都具有良好的性能。2. 1 力学性能 准晶具有高的强度和硬度, 其硬度和弹性模量是高强铝合金的五倍以上, 脆性很大,室温下很难变形。 准晶在高温下, 类似于超塑性材料, 最高变形量可达到 130%以上。表1为准晶、 类似相及若干常见材料的力学性能。 表1列出了 常用准晶及类似相的压缩强度、 压缩变形、 弹性模量E显微硬度HV规一化硬度HV/E和韧性KIC, 通过与常规材料的比较可以发现准晶的硬度和弹性模量对应铝镁合金是极其高的, 韧性KIC比具有同样硬度级别的Si稍大, 准晶和类似相合金的压缩强度很高, 可达到高速钢的水平, 但是室温下的变形量一般小于1%[8]。 表1准晶、 类似相及常见材料的部分力学性能指标[9-14] 成分 结构 压缩强度MPa压 缩变 形维氏显微硬度HV/kg.mm-2 弹性模量E/GPa 归一化硬度HV/E 韧性 Kc/MPa.m1/2Al63.5Cu24.5Fe12 二十面体准晶 250 0.35 715±45 68 0.105 1.64±0.16 Al-Pd-Mn 二十面体准晶 700-950 215 0.033-0.044 0.5-1.5 Al-Li-Cu 二十面体准晶 420 108 0.038 1.00 Al-Cu-Fe 准晶 1000±50 230 0.015 Al61.3Cu23.6Fe11.6B3.5 1010 0.85 850±95 118 0.072 Al-Cu-Co 十面体准晶 940-980 Al13Fe4 类似相 1070±95 130 0.081 1.03±0.18 Al2Cu 595±40 105±100.056 1.14 氧化铝 1950 300 0.064 4.7 单晶硅 1020 168 0.069 0.7 纯铝 60 80 0.031 40 纯镁 45 38 高强铝合金 185 80 0.023 40 2. 2 传输特性 (1) 导电性 热力学稳定的准晶材料的电阻率异常高, 电阻率随温度升高而下降, 即有负电阻温度系数, 样品的质量越好, 电阻率越高, 电阻率对准晶合金成分和结构完整程度有很大敏感性。对于二维的十次准晶, 其周期方向的电阻率比准周期方向的电阻率要 75%-95%,显示出很强的各向异性。 (2) 导热性 与普通金属材料相比, 准晶的导热率都很低, 热阻值随温度的升高而降低, 其具有负的温度系数, 热扩散系数和比热容均随温度的升高而增大, 样品质量越好, 结构越完善, 其导热性越差, 结构复杂的准晶的类似相的导热性能接近于准晶。 (3) 光传导性 结构完好的准晶, 样品的光传导性, 在较低的频率范围内, 准晶的光导率很低, 且在 104cm-1时有很宽的峰值, 二维准晶材料中, 光导率对结构的各向异性很敏感。 2. 3 表面特性 准晶的表面特性由表层的化学成分和原子的排列方式所决定。 (1) 氧化行为特性: 准晶比铝合金及相近成分的晶体更耐氧化。 (2) 不粘性: 准晶的最外层原子没有重构现象和在费米能级处的电子态密度很低是造成表面能低的主要原因, 因此其具有不粘性。 Al-Pd-Mn 准晶单晶的不粘性[15]可以与最好的不粘性材料聚四氟乙烯 Teflon 相比(表 2), 该性能导致了 准晶应用的第一个专利的产生, 即将准晶涂层用于不粘锅, 其产品早已经进入市场。 表 2 材料的表面能比较[15] 材料 表面能(mj/m2) PTFE 17-18 氧化铝 50 水 72 i-Al-Pd-Mn 24-25 (3) 摩擦性: 准晶材料在进行往复摩擦时, 其摩擦系数还会逐渐降低, 且磨痕上的微裂痕会自动愈合。 2. 4 弥散强化特性 准晶在室温下塑性很小, 主要通过两种方式强化: 利用固态反应使准晶相以高温强化相析出, 并弥散分布在基体中, 达到强化效果。 利用粉末冶金技术, 将准晶颗粒和金属粉混合后, 在高温下挤压成由准晶颗粒复合强化的金属基复合材料。 3 准晶的形成与制备 由于准晶具有各种优异的性能, 因此, 有很多人要制备准晶, 准晶最初由经验法[16] 制得, 第一种是类似相法: 某些具有复杂结构的金属中间相中原子集团组成的多面体,显示近似的二十面体对称性, 适当调整成分并采用快冷工艺, 往往可获得准晶, 如: Ti2Ni。第二种是类推法: 即在同已知准晶系类似的合金中找, 准晶主要存在于 Al 基和 Ti 基合金中, 以 Ti 基为例, 第一个 Ti 基准晶在 1985 年由郭可信等在极冷 Ti2(Ni,V)中发现[17]。但这两种方法只能从已知结构中推测亚稳准晶, 无法解释稳定准晶的存在, 但在 1987年, 由 Friedel 等解决此问题[18-19]。 准晶在有理方向投影时, 所得到的结构为类似相, 某一个准晶只有几种类似相, 由于准晶和类似相的价电子浓度相似, 因此, 价电子因素并不能决定形成准晶或者类似相。 一些所谓的稳定准晶, 实际上是高温平衡相, 低温下分解为类似相。 对于获得纯净和大的准晶样品很难, 因为准晶在液体中是均匀形核的, 在多数情况下先于晶体相析出, 且即使在快冷所产生的高过冷度情形下, 生长速度依然很小, 远小于其他晶体相, 因此, 很难获得纯净的准晶[20]。 近些年对于准晶的制备方法有了普遍的提高, 可通过快速旋转的铜盘甩带法[21]获得快速凝固条件下的非平衡组织, 再通过一定的热处理工艺得到比较单一组织准晶的方法; 还可通过雾化法获得比较理想的准晶材料, 但是二者的要求过高[22]。 目前对于Al63Cu25Fe12准晶, 普遍采用的方法是先铸造, 然后进行热处理来获得。 在进行热处理工艺时, 由于 Al63Cu25Fe12中有先析出 λ 相、 η 相、 准晶 Ι 相, 三者的熔化温度不同, 因此对于温度的掌握要谨慎。 4 准晶的应用和现状 利用准晶的硬度、 强度高, 可作为合金的强化相, 增强合金的力学性能, 可利用弥散和准晶颗粒与金属粉末的挤压法来进行强化。 利用准晶的不粘性、 耐热性、 耐磨性、耐蚀、 耐氧化性等可作为表面涂层材料, 如厨房的炊具、 热障涂层, 并且在汽车和航空工业有很大的潜在应用价值[23]。 近几年国内外的对准晶的研究, 我国始终走在世界前列, 在郭可信、 李方华等院士的指导下, 取得了重要意义的研究成果。 但是彻底研究准晶的道路依然很遥远, 我们应该尽自己的努力去探索其中的奥秘。 参考文献 [1] 刘兆龙, 胡海云. 准晶的发现. 大学物理, 2011,30(7):34-36 [2] 孙俊良. 准晶简述-2011 年度诺贝尔化学奖. 大学化学, 2012,27(2): 7-9 [3] 伍陶陶, 刘有, 樊振军. 准晶材料的研究及应用. 中国地质大学(北京) , 2010,16(5) :25 [4] 李雪辰, 邓辉, 迟志艳, 王鹏, 孙占红. 准晶材料的结构特征和材料特性的研究. 装备制造技术, 2009,32(3): 32-34 [5] 伍陶陶, 刘有, 樊振军. 准晶材料的研究及应用. 中国地质大学(北京) , 2010,16(5): 27 [6] 董闯, 王英敏, 羌建兵, 王清. 准晶: 奇特而又平凡的晶体-2011 年诺贝尔化学奖简介. 自然杂志, 2011,33(6): 322-326 [7] DUBOIS J M.Useful quasicrystals [M].Singapore:World Scientific Publishing Co.Pvt.Ltd.2005 [8] U. Köster, W. Liu and M. Michel. Mechanical properties of quasicrystalline and crystalline phases in Al-Cu-Fe alloys, J Non-Crystal Solids, 1993, 153&154: 446-452 [9] P. J. Steinhardt (1990). Quasicrystals: Rules of the game. Science 247: 1020 [10] J. S. Wu, V. Brien and P. Brunet et al. Electron microscopy study of scratch-induced surface microstructures in an Al-Cu-Fe icosahedral quasicrystal, Philos Mag A, 2000, A80: 1645-1655 [11] S. S. Kang, J. M. Dubois. Compression testing of quasicrystalline materials, Philos Mag A,1992, A66: 151-163 [12] 孟详敏, 佟百运, 吴玉琨. Al65Cu20Co15 准晶体的力学性能, 金属学报 1994,30(2):A61-A64 [13] Metals Handbook: Desk Edition, Ed. by H. E. Boyer and T. L. Gall, ASM, Metals Park,Ohio, 1985 [14] J. M. Dubois. Bulk and surface properties of quasicrytalline materials and their potential application, in: Introduction to Quasicrystals, Springer. Berlin, 1999 [15] C. J. Jenks and P. A. Thiel. Surface properties of quasicrystals. MRS Bulletin 1997, 22(11):55-58. [16] 董闯. 准晶材料的形成机制、 性能、 及应用前景. 材料研究学报, 1994,8(6): 483-485 [17] Zhang Z,Ye H Q.Phil Mag,1985;A52:L49 [18] Friedel J.Helv Phys Acta,1988;61:538 [19] Friedel J,Denoyer F.C R Acad Sci Paris,1987;305:171 [20] Shechtman D.Materials Science Forum,1987;22-24:555 [21] Jenks C J.Thiel P A.Surface Properties of Quasicrystals [J].MRS Bulletin,1997.22(1):55-58 [22] 韩宝军, 彭光怀, 张小联. 铸造法制备 Al63Cu25Fe12准晶. 江西有色金属, 2009,23(3): 35-36 [23] 李志强, 徐州, 李小平, 王硕. 准晶材料的应用研究进展. 材料导报, 2002,16(2): 9-11 毕 业 设 计 开 题 报 告 2 . 本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段(途径): 对于稳定的 Al63Cu25Fe12准晶, 其制备相对容易。 在 Al63Cu25Fe12准晶颗粒增强铝基复合材料的研究中, 准晶颗粒中除了准晶相外还含有先析出 λ 相、 η 相等。 Al63Cu25Fe12准晶的组成元素在自然界中含量较为丰富, 也是应用最广泛的金属元素, 其制备成本较低, 综合性能优异, 降低制备成本的准晶材料, 是当前应用研究的重点。 2. 1 本课题的研究目标 准晶的制备, 有雾化法、 高速旋转的铜盘甩带法和铸造法, 但是前两种方法相对复杂及成本较高。 通过实验研究和理论分析, 采用普通铸造制备 Al63Cu25Fe12准晶, 探索热处理中不同的加热温度、 冷却速度对准晶粉末内相变化的影响。 研究 Al63Cu25Fe12准晶颗粒增强熔融铝基复合材料的性能, 以及反应生成物、 准晶颗粒质量分数, 试验中的挤压压力对 Al63Cu25Fe12准晶颗粒增强铝基复合材料的组织和性能的影响规律。 从稳定的 Al63Cu25Fe12准晶材料的制备出发, 系统研究影响 Al63Cu25Fe12准晶材料形成的因素以及相分析, 为 Al63Cu25Fe12准晶复合材料的理论研究和实际应用打下一定基础。 2. 2 主要研究内容 (1) 准晶颗粒的制备: 通过普通铸造法制备Al63Cu25Fe12准晶材料并对其进行热处理, 分析其性能; (2) 热处理中的性能: 研究在不同的加热温度、 冷却速度中对准晶形成、 成分、性能的影响, 从中找出最优值; (3) 将所制备的Al-Cu-Fe系准晶加入制备Al-7%Si合金中, 对其挤压铸造, 并且研究在质量分数不同的准晶颗粒和不同压力下的挤压铸造的复合材料的性能和组织的影响规律, 探索Al63Cu25Fe12准晶颗粒与基体金属之间的反应机理和控制手段, 为制备出良好的综合性能的准晶增强铝基复合材料的打下基础; (4) 在将Al-Cu-Fe系准晶加入铝合金中时, 对二者间的界面反应也要相应的进行分析; (5) 研究了颗粒增强复合材料破裂过程中不同颗粒形状的应力、 应变场分布和变形行为, 并与本实验制备的复合材料进行拉伸试验后的破裂结果。 2. 3 拟解决的关键技术 (1) 通过普通的铸造方法制备出稳定的 Al-Cu-Fe 系列准晶合金, 由于其含有不同熔点的相, 冷却的速度不同可能会有新的准晶合金出现, 找到制备稳定准晶的最优工艺。(2) 进行金相分析、 扫描电镜分析, 探寻准晶颗粒加入量的不同对铝基复合材料性能的影响, 并找到准晶加入的最优值。 本课题研究Al-Cu-Fe系三元准晶的制备, 以及用其作为增强体以改善其组织同时提高ZL101力学性能。 2. 4 实验方案 本实验采取普通铸造稳定的 Al-Cu-Fe 系准晶, 并同时以其为增强体, 用来研究准晶对 ZL101 材料性能的影响。 (1) 配料: 按照 Al63Cu25Fe12的原子百分比进行配料, 其成分见下表 2.41。 表 2.41 各元素的百分比 元素 原子量 原子比原始状态 熔点(℃) 密度g/cm3 Al 26.98 63 块状 660.4 2.7 Cu 63.60 25 块状 1084.5 8.9 Fe 55.85 12 棒状 1538 7.86 (2) 熔炼及浇注: a. 原材料在干燥箱中干燥4h, 温度为200℃; b. 在真空中频感应炉中熔炼, 置于石墨坩埚中, 熔炼时先放铝, 然后放铝铜, 铝铁中间合金, 通入氩气保护, 以防止Al、 Cu飞溅; 再进行浇注成型, 为防止氧化, 可用钠盐覆盖剂覆盖。 (3) 分析: 对制好的准晶样品进行分析, 分别进行组织分析和性能测试。 a. 性能测试, 用布氏硬度计测量硬度值; b. 组织分析, 分别进行组织分析、 SEM分析、 XRD分析。 (4) 作为铝基复合材料的增强相: 将ZL101合金液放入井式坩埚电阻炉中, 当温度达到750℃时, 半固态温度下边搅拌边加入一定量的准晶颗粒。 静置10 min后浇入预热300℃的模具中。 (5) 将所得到复合材料在 Y32-100B 挤压铸造机进行加压, 压力分别为 100 MPa,200MPa。 (6) 对准晶增强铝基复合材料的性能组织分析和性能测试。 毕 业 设 计 开 题 报 告 指导教师意见: 指导教师: 年 月 日 所在系审查意见: 系主任: 年 月 日 附件: 参考文献格式 学术期刊 作者﹒ 论文题目﹒ 期刊名称, 出版年份, 卷(期) : 页次 如果作者的人数多于 3 人, 则写前三位作者的名字后面加“等”, 作者之间以逗号隔开。 例如: [1] 李峰, 胡征, 景苏等. 纳米粒子的控制生长和自组装研究进展. 无机化学学报, 2001, 17(3): 315~324 [2] J.Y.Li, X.L.Chen,H.Li. Fabrication of zinc oxide nanorods. Journal of Crystal Growth, 2001,233:5~7 学术会议论文集 作者﹒ 论文题目﹒ 文集编者姓名﹒ 学术会议文集名称, 出版地:出版者, 出版年份: 页次 例如: [3] 司宗国, 谢去病, 王群﹒ 重子湮没快度关联的研究﹒ 见赵维勤, 高崇寿编﹒ 第五届高能粒子产生和重离子碰撞理论研讨会文集, 北京: 中国高等科学技术中心, 1996: 105 图书 著者﹒ 书名﹒ 版本﹒ 出版地: 出版者, 出版年﹒ 页次 如果该书是第一版则可以略去版次。 例如: [4]韩其智, 孙洪洲﹒ 群论﹒ 北京: 北京大学出版社, 1987﹒ 101 预印本 作者﹒ 论文题目﹒ 预印本编号(出版年份) 例如: [5]Xiaofeng Guo and Jianwei Qiu﹒ The leading power corrections to the structure functions﹒ hep—ph/9810548(1998) 学位论文 作者﹒ 论文题目﹒ 学士(或硕士、 博士)学位论文. 出版地: 出版者, 出版年份 例如: [6] 陈异. 纳米粒子形貌控制研究. 硕士学位论文. 北京: 中国科学院, 2002 电子文献 主要责任者. 电子文献题名﹒ 电子文献的出处或可获地址. 发表或更新日期 例如: [7] 王 明 亮 . 关 于 中 国 学 术 期 刊 标 准 化 数 据 库 系 统 工 程 的 进 展 . http://www.caycd.edu.cn/pub/wml.txt/980810-2.html, 1998-08-16 专利 专利所有者. 专利名称. 专利国别: 专利号, 日期. 例如: [8] 姜锡洲. 一种温热外敷药制备方案. 中国专利: 881056073, 1989-07-26.

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