先进复合材料专刊2016-2018

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本辑先进复合材料虚拟专刊集合了2016~2018年在金属学报发表的17篇文章,内容涉及复合材料的组织和力学性能、抗腐蚀性能、电磁性能等,既有综述性论文,也有最新研究成果,基本反映了近年来我国复合材料研究领域的主要成果。欢迎阅读、引用和转发!

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1. 第二相对镁基材料微弧氧化过程的影响机制*
王艳秋,吴昆,王福会
金属学报    2016, 52 (6): 689-697.   doi:10.11900/0412.1961.2015.00500
录用日期: 2016-04-06

摘要40)   HTML1)    PDF (939KB)(474)   

对含有不同类型第二相的镁基材料进行微弧氧化处理, 研究基体材料第二相对其微弧氧化行为的影响规律及其影响机制. 利用SEM观察第二相在微弧氧化初期阶段的存在状态, 并结合EDS分析第二相的成分及状态变化; 通过不同镁基材料在微弧氧化过程中的电压演变趋势分析第二相对微弧氧化行为的影响. 根据微弧氧化膜的生长原理, 将膜层的生长过程简化等效为一个电容器的反复击穿-重构过程, 并依此讨论了微弧氧化膜的形成过程及第二相的影响机理. 结果表明, 第二相对镁基材料微弧氧化行为的影响与其自身特性密切相关; 在微弧氧化的初期阶段, 第二相是否具备阀金属特性及其导电特性是影响微弧氧化行为的重要因素. 对于具备阀金属特性的第二相, 由于其表面能够形成火花放电所必须的阻挡层, 因此第二相的存在不会对微弧氧化行为产生明显影响. 对于不具备阀金属特性的第二相, 其导电特性决定了镁基材料在微弧氧化初期阶段能否正常发生火花放电并顺利进入膜层生长阶段.

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2. 连续SiC纤维增强钛基复合材料研究进展*
王玉敏, 张国兴, 张旭, 杨青, 杨丽娜, 杨锐
金属学报    2016, 52 (10): 1153-1170.   doi:10.11900/0412.1961.2016.00347
录用日期: 2016-08-29

摘要80)   HTML16)   

简述了近年来国内外SiC纤维增强钛基复合材料的发展进程和应用进展情况, 从纤维批量化生产、复合材料界面、主要力学性能、无损检测和结构件研制与考核5个方面对该类材料的研究进展进行了回顾. 在纤维批量化生产和复合材料结构件研制方面, 重点介绍了中国科学院金属研究所的研究工作, 并对该类复合材料未来的发展趋势进行了展望.

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3. TiAl/Ti3Al超薄多层复合材料的微观结构与力学性能*
申造宇,何利民,黄光宏,牟仁德,顾金旺,刘维众
金属学报    2016, 52 (12): 1579-1585.   doi:10.11900/0412.1961.2016.00091
录用日期: 2016-07-20

摘要41)   HTML5)    PDF (6025KB)(743)   

采用电子束物理气相沉积(EB-PVD)制备出大尺寸、超薄、化学成分均匀的TiAl/Ti3Al微叠层复合材料. 通过XRD和SEM对材料的相组成和微观结构进行了分析. 结果表明: TiAl/Ti3Al微叠层表面状态良好, 具有明显的层状结构, 相结构由α2-Ti3Al和γ-TiAl组成. 利用热等静压技术对微叠层进行了致密化处理, 经热等静压处理后的试样具有较高的拉伸强度, 并表现出较好的延伸率. 根据拉伸断口形貌及结构特征, 探讨了微叠层材料薄板的微观变形机制和断裂机理. TiAl/Ti3Al微叠层薄板经热等静压处理后, 材料断裂方式由沿晶脆性断裂转变为具有一定韧性的准解理断裂和沿晶脆性断裂的混合断裂方式.

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4. 片层石墨尺寸对片层石墨/Al复合材料的强度和热导率的影响
刘晓云,王文广,王东,肖伯律,倪丁瑞,陈礼清,马宗义
金属学报    2017, 53 (7): 869-878.   doi:10.11900/0412.1961.2017.00015
录用日期: 2017-04-05

摘要61)   HTML1)    PDF (1498KB)(634)   

采用粉末冶金法制备了名义尺寸为150、300、500 μm的片层石墨(graphite flakes, Gf)增强铝基(50%Gf/Al,体积分数)复合材料,得到密度均接近理论密度的致密复合材料坯锭。片层石墨与铝合金基体结合紧密,界面处无裂纹、孔洞等缺陷。片层石墨的(001)Gf基面与复合材料坯锭的圆周方向(坯锭的xy平面)基本平行,但受粉末冶金工艺的影响,较小片层石墨的(001)Gf基面与坯锭的xy平面略有偏差。随着片层石墨的尺寸增大,偏差逐渐减少。复合材料的强度随着片层石墨尺寸增加逐渐降低。150 μm片层石墨复合材料的弯曲强度为82 MPa,当片层石墨尺寸增至500 μm时,强度降低至39 MPa。片层石墨强度较低,裂纹容易沿片层石墨的层间扩展,随着片层石墨尺寸增大,这一现象更加明显,容易在断口中观察到片层石墨剥离的现象。复合材料xy平面的热导率随片层石墨尺寸增大而增加,最高可达604 W/(mK),与尺寸较小的片层石墨相比提高63%。300、500 μm片层石墨复合材料的界面换热系数略低于理论值,但150 μm片层石墨复合材料的界面换热系数明显小于理论值。除了片层石墨的尺寸,其形状、分布和内部缺陷等对复合材料的热导率也有一定的影响。

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5. MgO改性HA对Mg-Zn-Zr/m-HA复合材料组织及性能的影响
郑浩然, 陈民芳, 李祯, 由臣, 刘德宝
金属学报    2017, 53 (10): 1364-1376.   doi:10.11900/0412.1961.2017.00249
录用日期: 2017-08-04

摘要31)   HTML10)    PDF (19180KB)(554)   

为改善复合材料中纳米增强体易团聚的问题,将陶瓷纳米棒HA进行表面包覆MgO改性处理(m-HA),并采用高熔体剪切搅拌技术制备Mg-3Zn-0.8Zr合金(MZZ)、Mg-3Zn-0.8Zr/1HA复合材料(MZZH)和Mg-3Zn-0.8Zr/1m-HA复合材料(MZZMH)。研究了m-HA对Mg-Zn-Zr/HA复合材料微观组织、力学性能和耐蚀性能的影响。结果表明,陶瓷纳米棒HA的加入细化了MZZ合金的组织,提高了MZZ合金的力学性能和电化学耐蚀性能。与MZZH相比,MZZMH的晶粒更加细小均匀,陶瓷纳米棒在基体中的分布更均匀。挤压态MZZMH的力学性能较MZZH显著提高,其硬度、屈服强度、抗拉强度和延伸率分别达到92 HV、291 MPa、325 MPa和8.62%。MZZMH的自腐蚀电位比MZZH高59 mV,MZZMH的腐蚀速率较MZZH降低,在SBF中浸泡7 d后稳定在5 mm/a。腐蚀机理的不同使MZZMH复合材料的耐蚀性能优于MZZH。因此,MgO改性可有效促进HA纳米棒的均匀分布,进而显著提高MZZMH的力学性能和耐蚀性。

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6. Al薄膜对玻璃纤维增强树脂基复合材料电磁性能的影响
陈育秋, 祖亚培, 宫骏, 孙超, 王晨
金属学报    2017, 53 (11): 1511-1520.   doi:10.11900/0412.1961.2017.00178
摘要31)   HTML0)    PDF (2167KB)(340)   

利用高频电磁场计算软件FEKO对Al薄膜与玻璃纤维增强树脂基复合材料的电磁波反射率进行了仿真计算。研究了复合材料介电常数实部εr、电损耗角正切tanδε、磁导率μr及磁损耗角正切tanδμ对反射率的影响,并通过仿真计算与实际测试结果对比,确定了仿真模型中玻璃纤维增强树脂基复合材料的等效电磁参数。研究了Al薄膜与玻璃纤维增强树脂基复合材料结构中Al薄膜厚度对反射率的影响,仿真计算与测试结果表明,Al薄膜厚度对复合材料的反射率影响较大,Al薄膜与玻璃纤维增强树脂基复合材料结构中存在一个最佳电阻值,使该结构谐振反射最小。根据传输线理论,利用MATLAB对谐振最强时对应电阻的大小进行了求解。通过计算不同结构的Al薄膜与玻璃纤维增强树脂基复合材料,得到了仿真模型中Al薄膜与磁控溅射制备Al薄膜的厚度关系。确定了仿真模型中各材料的等效电磁参数,仿真计算结果与测试结果吻合较好。

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7. ZTAp/HCCI复合材料凝固过程中的温度场和热应力的数值模拟
种晓宇, 汪广驰, 杜军, 蒋业华, 冯晶
金属学报    2018, 54 (2): 314-324.   doi:10.11900/0412.1961.2017.00351
录用日期: 2017-12-19

摘要87)   HTML10)    PDF (6993KB)(655)   

基于有限元分析软件,模拟了在铸造过程中ZTA (ZrO2增韧Al2O3)陶瓷颗粒增强高铬铸铁基(HCCI)复合材料的温度场和热应力。在凝固初期分别以均匀初始温度和非均匀初始温度研究了铸件凝固过程的温度场。充型结束后,当把凝固的初始温度当作不稳定温度场时,更接近实际条件。在研究铸件的温度场过程中,考虑了不同蜂窝形状预制体对温度场的影响。应用了热弹塑性力学模型精确地描述了铸件热应力分布。分别研究了含有不同结构预制体的铸件的热应力,结果表明:热应力会随着预制体孔的边数的增加而逐渐减小。最后预测了热裂纹缺陷,优化了落砂工艺参数。模拟结果和实验结果高度吻合。

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8. Cu-Al复合材料连铸直接成形数值模拟研究
刘新华, 付华栋, 何兴群, 付新彤, 江燕青, 谢建新
金属学报    2018, 54 (3): 470-484.   doi:10.11900/0412.1961.2017.00460
录用日期: 2018-01-05

摘要57)   HTML9)    PDF (6468KB)(500)   

建立了Cu-Al复合材料连铸成形的数值模拟模型,确定了模型的边界条件,提出了复合过程处理和结果评价方法。通过与部分实验结果对比表明,模拟结果与实验结果一致。以铜包铝棒坯立式连铸和Cu-Al复合板坯水平连铸过程为例,采用ProCAST软件对其稳态温度场进行了数值模拟分析,得到了各工艺参数对连铸过程的影响规律,给出了合理的工艺参数范围,并结合模拟的参数进行相应的实验研究。结果表明,本工作建立的连铸复合模型、确定的边界条件、提出的复合过程处理和结果评价方法合理,可有效用于连铸复合成形模拟分析。计算结果表明,制备横断面为100 mm×100 mm、Cu包覆层厚度(4~10 mm)的铜包铝棒坯可行的连铸工艺参数为:Cu液温度1250 ℃,Al液温度750 ℃,结晶器长度200 mm,芯棒管长度290 mm,一冷水流量1600~2000 L/h,二冷水流量900~1300 L/h,二冷水距结晶器出口距离30 mm,拉坯速率60~80 mm/min;制备厚度20 mm、宽度75 mm、Cu包覆层厚度(4~7 mm)的Cu-Al复合板坯可行的工艺参数为:Cu液温度1250 ℃,Al液温度760~800 ℃,拉坯速率40~80 mm/min,Al液导流管长度20 mm。

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9. 连续玄武岩纤维增强铝基层状复合材料的制备与力学特性
丁浩, 崔喜平, 许长寿, 李爱滨, 耿林, 范国华, 陈俊锋, 孟松鹤
金属学报    2018, 54 (8): 1171-1178.   doi:10.11900/0412.1961.2017.00530
录用日期: 2018-06-14

摘要45)   HTML0)    PDF (7595KB)(504)   

将连续玄武岩纤维(continuous basalt fiber,CBF)二维编织布与Al-12Si合金箔交替叠层堆垛成三明治结构,再利用真空压力浸渗技术成功制备出高体积分数(65%)的连续玄武岩纤维增强铝基(CBF/Al)层状复合材料。研究了浸渗工艺对复合材料微观组织演变的影响规律,阐明了CBF/Al复合材料的层状结构形成机理,并评价了其力学性能。研究表明:在温度为660 ℃、压力为10 MPa条件下浸渗10 min可以获得全致密的CBF/Al复合材料,其微观组织呈现独特的层状结构,即玄武岩纤维在铝合金基体中呈现垂直交叉层状分布特征,玄武岩纤维与铝合金基体未发生明显的化学反应,且由于玄武岩纤维与铝合金基体之间发生了元素(如Al、Si等)互扩散而形成了良好的冶金结合界面。纤维非理想排布方式而导致的有效承载能力下降以及高温下玄武岩纤维断裂强度降低是CBF/Al层状复合材料未达到理想力学性能的关键因素。

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10. Cu/Ti纳米层状复合体塑性变形机制的分子动力学模拟研究
张海峰, 闫海乐, 贾楠, 金剑锋, 赵骧
金属学报    2018, 54 (9): 1333-1342.   doi:10.11900/0412.1961.2018.00009
录用日期: 2018-06-06

摘要47)   HTML3)    PDF (9396KB)(450)   

利用分子动力学方法对具有特征晶体取向的Cu/Ti层状复合体在单轴拉伸和平面应变压缩2种变形过程中的微观力学行为进行了研究。模拟结果显示,拉伸载荷作用下,位错优先在Cu/Ti异质界面处形核并沿着{111}晶面向Cu层内部运动,变形机制为层内约束滑移。随着位错的增殖,位错之间发生交互作用并在Cu层内形成插入型层错和形变孪晶。而在此形变过程中Ti层内未发现塑性变形系统的启动。随着载荷继续增大,Cu/Ti界面处的应力集中导致复合体发生断裂。在平面应变压缩变形的模拟中,发现Cu/Ti界面处的应力集中促使Ti层中形成剪切带,剪切带内部及其近邻区域仅存在少量位错。随着外加应变增大,多种变形机制的共同作用引起晶粒旋转,同时复合体内的原子无序度增加。此外,不同初始取向和不同应变速率下的Cu/Ti复合体的微观塑性变形机制和力学性能存在显著差异。研究结果揭示了包含有密排六方金属层状复合材料的微观形变机制。

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11. 原位(TiB2-TiB)/Cu复合材料组织与性能研究
任建强, 梁淑华, 姜伊辉, 杜翔
金属学报    2019, 55 (1): 126-132.   doi:10.11900/0412.1961.2017.00532
录用日期: 2018-05-08

摘要48)   HTML0)    PDF (5229KB)(452)   

采用机械合金化和热压烧结相结合的方法制备出原位TiB2颗粒和TiB晶须混杂增强的铜基复合材料,利用XRD、OM、SEM、TEM研究了复合材料的微观组织,分析了热压烧结过程中的原位反应机理及微观组织对复合材料硬度、导电率及致密度的影响规律。结果表明:原位反应过程为Cu和Ti原始粉末在800 ℃开始反应生成Cu3Ti中间相,在850 ℃时达到Cu3Ti中间相的熔点并在基体中形成液相微区,然后B原子扩散至该液相微区,在继续加热过程中原位析出硼化钛增强相。TiB晶须含量相对较多的复合材料具有较高的硬度,TiB2颗粒含量相对较多的复合材料具有较高的导电率,TiB晶须和TiB2颗粒混杂增强的铜基复合材料则同时兼备了以上2种复合材料的性能优势,其综合性能得到优化。所得烧结态3%(TiB2-TiB)/Cu混杂增强复合材料的硬度和导电率分别达到86.6 HB和70.4% IACS。

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12. 模拟燃气热冲击条件下搪瓷基复合涂层的防护机理研究
郭策安, 陈明辉, 廖依敏, 苏北, 谢冬柏, 朱圣龙, 王福会
金属学报    2018, 54 (12): 1825-1832.   doi:10.11900/0412.1961.2018.00230
录用日期: 2018-07-06

摘要61)   HTML3)    PDF (4520KB)(309)   

在K38G高温合金基体上分别设计涂覆了75%搪瓷釉+25%Al2O3 (E25A)和70%搪瓷釉+20%Al2O3+10%NiCrAlY (E20A10M) 2种搪瓷基复合涂层,对比研究了2种搪瓷基复合涂层在900 ℃下模拟燃气热冲击条件下的防护机制。热冲击的火焰采用C3H8+O2混合气体产生,喷射到试样涂层表面的压力为0.4 MPa,火焰喷射到试样涂层达到900 ℃后保持15 s,而后空气中冷却120 s为一个热冲击循环周期。结果表明,经燃气冲击150 cyc后,2种涂层与合金基体界面结合牢固,表现出优异的抗界面剥落能力。其中,E25A涂层热冲击前后的涂层组织结构无明显变化,表面完好,Al2O3第二相的加入提高了搪瓷的高温稳定性;而E20A10M涂层热冲击后表面产生了孔洞、开裂,发生了轻微的表层剥离。金属粉与搪瓷的界面反应Cr(NiCrAlY)+ZnO(enamel)→CrO(interface)+Zn↑,致使涂层表面鼓包,在燃气切应力和界面热应力作用下,表层金属颗粒以及搪瓷发生剥离。

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13. 基于箔材反应退火合成的TiAl基复合材料板材研究进展
耿林, 吴昊, 崔喜平, 范国华
金属学报    2018, 54 (11): 1625-1636.   doi:10.11900/0412.1961.2018.00308
录用日期: 2018-07-23

摘要40)   HTML0)    PDF (6585KB)(388)   

本文综述了利用纯Ti箔和铝基复合材料(Al-MMC)箔反应退火合成TiAl基复合材料板材的研究进展。该方法包括对多层Ti/Al-MMC复合板的变形和反应退火热处理,在避免对脆性TiAl金属间化合物直接变形的同时,制备出具有较高强度和延伸率的TiAl基复合材料板材。对合成过程中TiAl基复合材料板材的组织演化和形成机理进行了总结,重点阐明了铝基复合材料与Ti的两步热处理的反应机理,提出了消除Kirkendall孔洞的工艺方法,为大尺寸TiAl基复合材料板材的制备提供了可行的工艺方案。

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14. 高强韧Ti-Ni基块体金属玻璃复合材料高温变形行为
赵燕春, 孙浩, 李春玲, 蒋建龙, 毛瑞鹏, 寇生中, 李春燕
金属学报    2018, 54 (12): 1818-1824.   doi:10.11900/0412.1961.2018.00256
录用日期: 2018-07-23

摘要53)   HTML1)    PDF (3456KB)(345)   

采用水冷Cu坩埚悬浮熔炼-Cu模吸铸法制备了 Ti-Ni基块体金属玻璃复合材料(BMGCs)试棒,研究了合金的微观组织、热力学行为以及室温和高温力学性能。结果表明,该铸态合金组织由非晶基体和过冷奥氏体及热致马氏体组成,且晶体相尺寸由表及里增大。在室温压应力加载时,合金表现出优异的综合力学性能,其屈服强度为1286 MPa,断裂强度为2256 MPa,且塑性应变为12.2%。在过冷液相区压应力加载时,合金在高的变形温度和低应变速率下,表现出近Newtonian流变特征,其最佳变形温度为T>480 ℃且与过冷液相区(SLR)的交集部分。温度为560 ℃、应变速率为5×10-4 s-1时,合金应力敏感指数m和能量耗散率ψ分别为0.81和0.895。

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15. SiC单纤维增强TC17复合材料横向拉伸性能研究
刘佳琳, 王玉敏, 张国兴, 张旭, 杨丽娜, 杨青, 杨锐
金属学报    2018, 54 (12): 1809-1817.   doi:10.11900/0412.1961.2018.00124
录用日期: 2018-08-16

摘要36)   HTML1)    PDF (5177KB)(269)   

采用单纤维十字架结构试样测试分析了SiC纤维增强TC17复合材料横向力学性能,利用SEM对拉伸断口及横切面进行了显微观察,分析了界面失效位置,并结合有限元数值模拟计算,研究了界面损伤失效机制及裂纹扩展规律。结果表明,在横向载荷的作用下,单纤维试样应力-应变曲线的非线性拐点应力为(271±12) MPa,该点是界面完全失效的起始点。基于双线性内聚力模型的有限元分析结果与实验结果一致,表明复合材料界面失效模式为剪切失效,裂纹萌生于反应层和碳涂层的界面。有限元分析预测的裂纹萌生位置在与加载方向成40°~50°的圆周之间,实验中不同最大载荷下裂纹出现在与拉伸方向成24°~68°之间不同位置,预测宽度略小于实验结果,这种差异的主要原因是有限元模拟中界面设定为理想刚性界面且沿周向一致,而实际碳涂层和反应层的界面是非光滑的,沿圆周存在微缺陷。裂纹萌生后,在剪切应力作用下沿轴向和周向同时扩展,在沿周向扩展过程中,0°附近界面在径向拉伸应力作用下先于90°附近界面失效,随后90°附近界面在周向剪切应力作用下失效。界面完全失效后,应力重新分配,随载荷增加,界面张开程度加大,基体局部出现屈服,直至材料完全断裂。

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16. 金刚石/Cu复合界面导热改性及其纳米化研究进展
张荻, 苑孟颖, 谭占秋, 熊定邦, 李志强
金属学报    2018, 54 (11): 1586-1596.   doi:10.11900/0412.1961.2018.00355
录用日期: 2018-08-21

摘要52)   HTML2)    PDF (1860KB)(618)   

金刚石/Cu复合材料以其高导热、低膨胀、耐热、耐蚀等优异特性,在热管理领域具有广泛的应用前景。但金刚石/Cu复合界面不相容限制了其性能水平。界面改性设计是改善界面结合、降低界面热阻的有效途径。本文以金刚石/Cu界面改性层的设计原理与主要因素为切入点,简述了金刚石/Cu复合材料界面设计的主要研究进展、存在的关键问题以及界面层厚小于200 nm的界面纳米化设计等几个方面的研究热点,并对其未来界面工程纳米化发展趋势予以展望。

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17. TiAl合金表面搪瓷基复合涂层与多弧离子镀NiCrAlY涂层的抗热腐蚀行为对比研究
廖依敏, 丰敏, 陈明辉, 耿哲, 刘阳, 王福会, 朱圣龙
金属学报    2019, 55 (2): 229-237.   doi:10.11900/0412.1961.2018.00293
录用日期: 2018-08-27

摘要51)   HTML0)    PDF (6448KB)(330)   

以Ti-45Al-2Mn-2Nb合金为基体,采用多弧离子镀制备NiCrAlY涂层、喷涂-烧结法制备搪瓷基复合涂层,对比研究了2种涂层以及合金基体的热腐蚀行为。热腐蚀实验温度为850 ℃,选用饱和盐溶液溶质成分为75%Na2SO4+25%NaCl (质量分数),涂盐量为1.5~2.5 mg/cm2。研究结果表明,合金基体完全不具备抗热腐蚀能力,表面形成的氧化膜疏松多孔,且极易剥落;NiCrAlY涂层表面生成的保护性Al2O3膜提高了合金的抗热腐蚀能力,然而涂层与基体间严重的互扩散及Al2O3膜与熔盐的碱性溶解使得NiCrAlY涂层逐渐失效,热腐蚀60 h即出现氧化膜的剥落;而搪瓷基复合涂层在熔盐环境中只发生了轻微的物理溶解,具有极高的热稳定性及较低的热腐蚀速率,有效地阻隔了腐蚀性离子的入侵,抗热腐蚀性能优异。

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