高強超延展性納米MX相增強Cu基復合材料的研究結(jié)題摘要

針對Cu基材料應用中高屈服強度高延展性的性能需求，本項目采用微米粒度的MAX相（Ti3AlC2，Ti2AlC和Ti2SnC等）為先驅(qū)體制備具有高強度高延展性能的納米MXx顆粒增強Cu基復合材料。通過對反應引起的MAX相變機理、界面反應行為、納米MXx相的生成機制、組織形態(tài)等，MXx基團對Cu 的形核細化機理及材料流變特性、變形機理等關鍵科學問題的研究，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度高延展性能的納米TiC0.67和TiC0.5顆粒增強Cu基復合材料； 2）揭示了Ti3AlC2，Ti2AlC和Ti2SnC和Cu的不同反應行為，并闡述了反應引起的MAX材料的相變機理； 3）揭示了納米TiC0.67和TiC0.5基團對Cu晶粒的形核細化機理和材料的流變特性及強化機理。 這些研究工作將對納米MXx/超細晶Cu復合材料的應用和針對性的性能改善及其他高強高延展性金屬及復合材料的制備提供借鑒和科學啟發(fā)。部分研究進展和成果已發(fā)表論文15篇，申報發(fā)明專利8項，其中5項已獲授權，培養(yǎng)博士生2名，碩士生7名，獲2016年度北京市科技獎二等獎1項（公示已結(jié)束）。

針對Cu基材料應用中高屈服強度高延展性的性能需求，本項目探索一種基于MAX相的納米MXx基團為形核劑和增強體的超細晶Cu基復合材料。主要研究內(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、高溫及外力條件下A位原子容易逃逸的特性，通過對反應引起的MAX相的相變及熱力學和動力學機制、界面反應行為、納米MXx相的生成機制、組織形態(tài)等，MXx基團對Cu的形核細化機理及材料流變特性、變形機理等關鍵科學問題的研究，采用微米粒度的MAX相為先驅(qū)體制備具有高強度超延展性能的納米MXx顆粒增強Cu基復合材料；并通過細化效果及壓縮、拉伸性能的驗證，優(yōu)化相關制備方法及工藝。通過本項目的研究，揭示納米MXx基團對Cu晶粒的形核細化機理和材料的流變特性及機理；揭示反應引起的MAX材料的相變機理；為納米MXx/超細晶Cu復合材料的應用和針對性的性能改善及其他高強高延展性金屬及復合材料的制備提供借鑒和科學啟發(fā)。

碳纖維增強鋁基復合材料是一種重要的復合材料，因具有輕質(zhì)、高強、良好的塑性和導熱性，被認為是理想的功能材料和結(jié)構材料，可廣泛應用于航天航空、軍事和汽車工業(yè)等領域。碳纖維與鋁基體的界面結(jié)合問題是碳纖維增強鋁基復合材料制備過程中最重要也是最難控制的環(huán)節(jié)。本項目以碳纖維布增強鋁基復合材料為研究對象，研究碳纖維布與鋁基體凝固過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程中碳纖維與鋁基體的界面反應、界面形貌及反應產(chǎn)物，研究電磁場、壓力場及表面處理對界面行為的影響機制，研究固態(tài)變形過程中界面結(jié)構的協(xié)同變形機制。掌握碳纖維與鋁基體結(jié)合過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和動力學機制。在此基礎上，解決鋁熔體對碳纖維布的浸滲問題，并實現(xiàn)控制碳纖維與鋁基體的結(jié)合反應過程，為研究碳纖維增強鋁基復合材料的制備方法提供理論指導。

碳纖維增強鋁基復合材料因具有輕質(zhì)、高強、良好的塑性和導熱性等特點，被認為是理想的功能材料和結(jié)構材料，有望應用于航天航空、軍事和汽車工業(yè)等領域。本項目以碳纖維編制布增強鋁基復合材料為研究對象，研究碳纖維與基體結(jié)合過程中的界面反應行為，以及凝固過程中鍍層工藝和外場對界面行為的影響，為碳纖維增強鋁基復合材料的制備方法提供理論指導。本項目經(jīng)過三年研究，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鋁基復合材料的工藝，利用壓力場促使鋁基體和碳纖維編織布的界面結(jié)合。借助模擬計算建立了溫度參數(shù)和塑性變形量間的關系，闡釋變形機制。通過調(diào)控外加壓力和金屬流動性，實現(xiàn)了鋁熔體對碳纖維布的完全滲進。碳纖維編織布增強鋁基復合材料板材能夠在彎曲變形中提供良好的強化效果。 2、得到基體和纖維的滲進規(guī)律，闡釋電磁誘導的滲浸轉(zhuǎn)變機制。在液態(tài)復合過程中引入脈沖磁場，實現(xiàn)了金屬熔體對編織布的滲浸過程由逐層滲浸方式向梯度同步滲浸方式轉(zhuǎn)變。電磁場引入的磁致壓力促進增加熔體滲浸深度。以此為基礎實現(xiàn)了電磁鑄造法制備碳纖維布增強鋁基復合材料。 3、設計針對平紋碳纖維編織布的表面鍍層新工藝。在傳統(tǒng)化學鍍層的工藝基礎上，優(yōu)化了一種針對于平紋碳纖維編織布特點的表面化學鍍鎳方法，將鍍液的穩(wěn)定時間延長至 120min以上，鍍層的含磷量降低至9wt.%。并通過開發(fā)新的氧化劑體系，設計了膠態(tài)鈀鍍液化學鍍鎳工藝和碳纖維表面接枝短鏈羧酸銅的工藝。不僅簡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。

陶瓷增強體的種類、形貌（晶須或顆粒）、尺寸是影響金屬基復合材料（MMCs）性能的關鍵共性基礎科學問題。本項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鈦基復合材料（TMCs）的混雜增強效應與機理。研究原位自生增強TMCs的制備工藝，分析增強體的形貌、尺寸等因素對復合材料微觀組織和各項力學性能的不同影響；從材料學的角度出發(fā)，研究原位自生顆粒與晶須對TMCs材料的混雜增強效應，并探討其混雜增強機理；結(jié)合計算機數(shù)值模擬分析方法建立混雜增強效應對材料不同性能的影響模型，揭示混雜效應與材料力學性能之間的內(nèi)在聯(lián)系與規(guī)律性。本項研究將對TMCs性能優(yōu)化起重要指導作用，為采用材料設計的思想制備高性能TMCs提供理論基礎與指導，對促進鈦基復合材料的發(fā)展與應用有重要意義，并對其它顆粒增強金屬基復合材料的設計與制備具有參考與借鑒意義。 2100433B