高強(qiáng)超延展性納米MX相增強(qiáng)Cu基復(fù)合材料的研究

針對(duì)Cu基材料應(yīng)用中高屈服強(qiáng)度高延展性的性能需求，本項(xiàng)目采用微米粒度的MAX相（Ti3AlC2，Ti2AlC和Ti2SnC等）為先驅(qū)體制備具有高強(qiáng)度高延展性能的納米MXx顆粒增強(qiáng)Cu基復(fù)合材料。通過(guò)對(duì)反應(yīng)引起的MAX相變機(jī)理、界面反應(yīng)行為、納米MXx相的生成機(jī)制、組織形態(tài)等，MXx基團(tuán)對(duì)Cu 的形核細(xì)化機(jī)理及材料流變特性、變形機(jī)理等關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題的研究，獲得了如下創(chuàng)新研究成果： 1）分別以較大的Ti3AlC2，Ti2AlC和Ti2SnC顆粒為先驅(qū)體，成功制備了具有高強(qiáng)度高延展性能的納米TiC0.67和TiC0.5顆粒增強(qiáng)Cu基復(fù)合材料； 2）揭示了Ti3AlC2，Ti2AlC和Ti2SnC和Cu的不同反應(yīng)行為，并闡述了反應(yīng)引起的MAX材料的相變機(jī)理； 3）揭示了納米TiC0.67和TiC0.5基團(tuán)對(duì)Cu晶粒的形核細(xì)化機(jī)理和材料的流變特性及強(qiáng)化機(jī)理。 這些研究工作將對(duì)納米MXx/超細(xì)晶Cu復(fù)合材料的應(yīng)用和針對(duì)性的性能改善及其他高強(qiáng)高延展性金屬及復(fù)合材料的制備提供借鑒和科學(xué)啟發(fā)。部分研究進(jìn)展和成果已發(fā)表論文15篇，申報(bào)發(fā)明專利8項(xiàng)，其中5項(xiàng)已獲授權(quán)，培養(yǎng)博士生2名，碩士生7名，獲2016年度北京市科技獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)1項(xiàng)（公示已結(jié)束）。

針對(duì)Cu基材料應(yīng)用中高屈服強(qiáng)度高延展性的性能需求，本項(xiàng)目探索一種基于MAX相的納米MXx基團(tuán)為形核劑和增強(qiáng)體的超細(xì)晶Cu基復(fù)合材料。主要研究?jī)?nèi)容和特色是，利用MAX陶瓷材料特有的納米層狀晶體結(jié)構(gòu)、高溫及外力條件下A位原子容易逃逸的特性，通過(guò)對(duì)反應(yīng)引起的MAX相的相變及熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)機(jī)制、界面反應(yīng)行為、納米MXx相的生成機(jī)制、組織形態(tài)等，MXx基團(tuán)對(duì)Cu的形核細(xì)化機(jī)理及材料流變特性、變形機(jī)理等關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題的研究，采用微米粒度的MAX相為先驅(qū)體制備具有高強(qiáng)度超延展性能的納米MXx顆粒增強(qiáng)Cu基復(fù)合材料；并通過(guò)細(xì)化效果及壓縮、拉伸性能的驗(yàn)證，優(yōu)化相關(guān)制備方法及工藝。通過(guò)本項(xiàng)目的研究，揭示納米MXx基團(tuán)對(duì)Cu晶粒的形核細(xì)化機(jī)理和材料的流變特性及機(jī)理；揭示反應(yīng)引起的MAX材料的相變機(jī)理；為納米MXx/超細(xì)晶Cu復(fù)合材料的應(yīng)用和針對(duì)性的性能改善及其他高強(qiáng)高延展性金屬及復(fù)合材料的制備提供借鑒和科學(xué)啟發(fā)。

碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料是一種重要的復(fù)合材料，因具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、良好的塑性和導(dǎo)熱性，被認(rèn)為是理想的功能材料和結(jié)構(gòu)材料，可廣泛應(yīng)用于航天航空、軍事和汽車工業(yè)等領(lǐng)域。碳纖維與鋁基體的界面結(jié)合問(wèn)題是碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制備過(guò)程中最重要也是最難控制的環(huán)節(jié)。本項(xiàng)目以碳纖維布增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料為研究對(duì)象，研究碳纖維布與鋁基體凝固過(guò)程及塑性變形階段的界面行為。利用同步輻射原位成像、數(shù)值模擬、高分辨透射電鏡等手段表征凝固過(guò)程中碳纖維與鋁基體的界面反應(yīng)、界面形貌及反應(yīng)產(chǎn)物，研究電磁場(chǎng)、壓力場(chǎng)及表面處理對(duì)界面行為的影響機(jī)制，研究固態(tài)變形過(guò)程中界面結(jié)構(gòu)的協(xié)同變形機(jī)制。掌握碳纖維與鋁基體結(jié)合過(guò)程中界面的形成和演變規(guī)律，并深入闡釋界面形成的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)機(jī)制。在此基礎(chǔ)上，解決鋁熔體對(duì)碳纖維布的浸滲問(wèn)題，并實(shí)現(xiàn)控制碳纖維與鋁基體的結(jié)合反應(yīng)過(guò)程，為研究碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法提供理論指導(dǎo)。

碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料因具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、良好的塑性和導(dǎo)熱性等特點(diǎn)，被認(rèn)為是理想的功能材料和結(jié)構(gòu)材料，有望應(yīng)用于航天航空、軍事和汽車工業(yè)等領(lǐng)域。本項(xiàng)目以碳纖維編制布增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料為研究對(duì)象，研究碳纖維與基體結(jié)合過(guò)程中的界面反應(yīng)行為，以及凝固過(guò)程中鍍層工藝和外場(chǎng)對(duì)界面行為的影響，為碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法提供理論指導(dǎo)。本項(xiàng)目經(jīng)過(guò)三年研究，取得如下結(jié)果： 1、提出一種半固態(tài)鑄軋法制備碳纖維布增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的工藝，利用壓力場(chǎng)促使鋁基體和碳纖維編織布的界面結(jié)合。借助模擬計(jì)算建立了溫度參數(shù)和塑性變形量間的關(guān)系，闡釋變形機(jī)制。通過(guò)調(diào)控外加壓力和金屬流動(dòng)性，實(shí)現(xiàn)了鋁熔體對(duì)碳纖維布的完全滲進(jìn)。碳纖維編織布增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料板材能夠在彎曲變形中提供良好的強(qiáng)化效果。 2、得到基體和纖維的滲進(jìn)規(guī)律，闡釋電磁誘導(dǎo)的滲浸轉(zhuǎn)變機(jī)制。在液態(tài)復(fù)合過(guò)程中引入脈沖磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)了金屬熔體對(duì)編織布的滲浸過(guò)程由逐層滲浸方式向梯度同步滲浸方式轉(zhuǎn)變。電磁場(chǎng)引入的磁致壓力促進(jìn)增加熔體滲浸深度。以此為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)了電磁鑄造法制備碳纖維布增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。 3、設(shè)計(jì)針對(duì)平紋碳纖維編織布的表面鍍層新工藝。在傳統(tǒng)化學(xué)鍍層的工藝基礎(chǔ)上，優(yōu)化了一種針對(duì)于平紋碳纖維編織布特點(diǎn)的表面化學(xué)鍍鎳方法，將鍍液的穩(wěn)定時(shí)間延長(zhǎng)至 120min以上，鍍層的含磷量降低至9wt.%。并通過(guò)開(kāi)發(fā)新的氧化劑體系，設(shè)計(jì)了膠態(tài)鈀鍍液化學(xué)鍍鎳工藝和碳纖維表面接枝短鏈羧酸銅的工藝。不僅簡(jiǎn)化了原有的鍍層工藝，大幅降低了成本，更提升了鍍層的均勻性與穩(wěn)定性。

陶瓷增強(qiáng)體的種類、形貌（晶須或顆粒）、尺寸是影響金屬基復(fù)合材料（MMCs）性能的關(guān)鍵共性基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題。本項(xiàng)目研究具有不同形貌與尺寸的原位自生陶瓷顆粒與晶須對(duì)鈦基復(fù)合材料（TMCs）的混雜增強(qiáng)效應(yīng)與機(jī)理。研究原位自生增強(qiáng)TMCs的制備工藝，分析增強(qiáng)體的形貌、尺寸等因素對(duì)復(fù)合材料微觀組織和各項(xiàng)力學(xué)性能的不同影響；從材料學(xué)的角度出發(fā)，研究原位自生顆粒與晶須對(duì)TMCs材料的混雜增強(qiáng)效應(yīng)，并探討其混雜增強(qiáng)機(jī)理；結(jié)合計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬分析方法建立混雜增強(qiáng)效應(yīng)對(duì)材料不同性能的影響模型，揭示混雜效應(yīng)與材料力學(xué)性能之間的內(nèi)在聯(lián)系與規(guī)律性。本項(xiàng)研究將對(duì)TMCs性能優(yōu)化起重要指導(dǎo)作用，為采用材料設(shè)計(jì)的思想制備高性能TMCs提供理論基礎(chǔ)與指導(dǎo)，對(duì)促進(jìn)鈦基復(fù)合材料的發(fā)展與應(yīng)用有重要意義，并對(duì)其它顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的設(shè)計(jì)與制備具有參考與借鑒意義。 2100433B