项目申报书-先进金属基复合材料制备科学基础

项目名称： 先进金属基复合材料制备科学基础 一、关键科学问题及研究内容 针对国家空天技术、电子通讯和交通运输领域等对先进金属基复合材料的共性重大需求和先进金属基复合材料的国内外发展趋势，本项目以克服制约国内先进金属复合材料制备科学的瓶颈问题为出发点，针对下列三个关键科学问题开展先进金属基复合材料制备科学基础研究：

(1). 先进金属基复合材料复合界面形成及作用机制 界面是是增强相和基体相连接的“纽带”，也是力学及其他功能，如导热、导电、阻尼等特性传递的桥梁，其构造及其形成规律将直接影响复合材料的最终的组织结构和综合性能。因此，界面结构、界面结合及界面微区的调控是调控金属复合材料性能的最为关键的一环。揭示基体成分、添加元素、增强体特性复合工艺对复合过程中的界面的形成、加工变形、服役过程中的界面结构、特征的演变规律和效应，以及在多场下的组织演变规律和对复合材料的性能变化极为关键。复合效应的物理基础正是源于金属基体与增强体的性质差异，而在金属基复合材料复合制备过程中，二者的差异无疑会直接或间接地影响最终的复合组织和界面结构。因此，要想建立行之有效的金属基复合材料组分设计准则和有效调控先进金属基复合材料的结构与性能，就必须从理论上认识先进金属基复合材料的复合界面形成及作用机制。

(2). 先进金属基复合材料复合制备、加工成型中组织形成机制及演化规律 金属基复合材料的性能取决于其材料组分和复合结构，二者的形成不仅依赖于复合制备过程，还依赖于包括塑性变形、连接、热处理等后续加工和处理过程。只有在掌握金属基复合材料的组织结构演变规律的基础上，才有可能通过优化工艺参数精确调控微观组织，进而调控复合材料的性能。

(3). 使役条件下复合材料界面、组织与性能耦合响应机制 先进金属基复合材料中，由于增强体与金属基体的物理和力学性能之间存在巨大差异，造成在界面点阵分布不均匀，同时近界面基体中由于热错配，残余应力等导致晶体学缺陷含量较高。因此，在使役过程中，先进金属基复合材料的力学性能不仅取决于其材料组分，更加取决于增强体在基体中的空间分布模式、界面结合状态和组织与性能之间的耦合响应机制。只有揭示使役条件下复合材料界面、组织与性能耦合响应机制，才能真正体现先进金属基复合材料中增强体与基体的优势互补，充分利用其巨大潜力，也才可能优化复合和界面结构设计。 围绕以上三个关键科学问题，开展以下几方面的研究内容，为先进金属基复合的制备科学提供理论基础。

研究内容一、先进金属基复合材料设计基础理论 （1） 在增强体空间分布特征与增强体/基体界面特性描述与预测基础上，揭示多元多尺度增强体空间分布对宏观力学性能与物理性能影响规律，建立金属基复合材料复合构型设计准则； （2） 根据晶体学参量、机械及物理性能匹配原则选择基体相和增强相，并通过计算机辅助设计、密度泛函分析等手段建立金属基复合材料体系设计准则； （3） 基于材料热力学和动力学理论，从揭示基体与增强体之间的润湿性机理、界面结合能模拟计算、界面化学反应规律入手，建立金属基复合材料界面设计准则；

研究内容二、先进金属基复合材料制备与加工的基础理论 （1） 研究复合材料制备过程中增强体特征调控及其在基体中的分散动力学规律，实现增强体特征与分散可控； （2） 研究复合界面和复合组织的形成机制与演化规律，实现复合界面与复合组织的有效调控； （3） 变形加工过程中增强体尺寸、分布与取向演变规律研究，揭示增强体与基体的相互作用与协调机理； （4） 变形加工过程中基体宏观流变组织如变形带、织构等和近界面微区应力应变场、原有及新生缺陷等演化规律及其对材料性能的影响； （5） 针对典型金属基复合材料，形成高性能化、高可靠性和短流程、低成本可控制备加工技术原型及相应的理论体系。

研究内容三、先进金属基复合材料的界面、组织与性能耦合响应及拟实基础理论 （1） 完善先进金属基复合材料组织和性能演变的表征途径，特别着重于开发各种微区原位（in situ）表征新手段，揭示界面及近界面微区不均匀性、结构参数和热历史对性能影响规律； （2） 先进金属基复合材料在服役条件下的变形行为与破坏机制研究，建立多元多尺度金属基复合材料的力学本构关系模型； （3） 先进金属基复合材料界面、近界面微区结构与宏观力学性能的拟实计算，揭示复合结构与宏观力学行为的耦合规律。 研究内容四、先进金属基复合材料的工程化技术应用基础与典型应用 （1） 提出性能和应用为导向的先进金属基复合材料坯锭制备、构件成型加工处理、质量控制、试验验证等工程化技术调控优化理论基础； （2） 开展典型金属基复合材料合成与加工技术原型研究，建立基于组织和性能全流程调控平台，优化金属基复合材料的综合性能并在空天、电子通讯及交通运输等国家重大领域得到实用和验证。具体应用实例包括： (a). 航天及国防领域所需阻尼减振、耐磨、耐冷焊、抗辐射关键轻质高刚度材料和构件，如嫦娥二号探月卫星及月球车、神舟八号飞船、天宫一号空间实验室、萤火一号火星探测器、国防专用卫星的高精密观测仪器支撑构件，电源供给系统支撑构件，太阳能电池展开支架，直升机旋翼系统关键承力运动结构件等。 (b).电子通讯及大功率半导体照明产业亟需的高效热控材料，如高模量、高导热、与半导体热膨胀匹配的SiC/Al、纳米碳管/Al和金刚石/Al的高效热控材料； (c).在交通领域与节能减排、提高发动机效率相关的结构功能一体化零部件，如SiC/Al用于汽车和高铁的刹车部件、驱动轴、连杆、活塞等。 二、预期目标 2.1总体目标 以铝基、钛基先进金属基复合材料为主要研究对象，针对先进金属基复合材料的制备加工技术水平亟需提高、满足国家空天技术、电子通讯和交通运输领域对先进金属基复合材料的共性重大需求为背景，解决先进金属基复合材料在制备和加工过程中的关键科学问题，建立先进金属基复合材料组分、结构和工艺设计的理论基础和制备、加工、应用基础技术体系，提出以性能为导向的制备加工与组织优化全流程控制模型，实现先进金属基复合材料从技术到科学的跨越。以此为基础，形成具有自主知识产权的先进金属基复合材料合成和加工技术原型，建立先进金属基复合材料基础研究、技术创新与支撑保障平台，在空天技术、电子通讯热控及交通运输等国家重大领域得到实用和验证，打破国际封锁和禁运，有力支撑国家重大需求。

基于先进金属基复合材料制备科学基础研究成果，指导先进金属复合材料的设计、制备及加工工艺优化，在此基础上制备出满足国家不同领域重大应用需求的典型的先进金属基复合材料。

以上研究成果将发表高质量的学术论文160～220篇，出版特色鲜明的学术专著1~2部,申报和获得国家发明专利20～40项；形成几个相互支撑的先进金属基复合材料研究基地，培养造就一支团结合作、富有朝气和创新精神的金属基复合材料研究队伍，其中青年学术带头人10名以上。

2.2 五年预期目标 科学层面： （1） 针对先进金属基复合材料典型复合制备技术中增强体分散、界面结合等制约复合效应发挥的关键科学问题，揭示制备过程中增强体特征调控机制与分散动力学规律、复合界面和复合组织形成机制与演化规律，对典型先进金属基复合材料，形成高性能化、高可靠性和短流程、低成本可控制备原理。

（2） 从微观到原子尺度阐明不同组元间界面的结合模式、位向关系、界面反应产物的形态、微区成分、以及界面结合部分组元的电子结合状态等，揭示不同金属、增强体之间的结合规律，以此为基础，弄清一些重要的复合材料体系中普遍存在的共格-半共格界面原子堆垛模式，为理论模型的构筑提供实验基础。 （3） 针对以往研究作为基本参数的组元性能多采用单组元材料的“常态”性能，而非就位性能，在有效表征组元各种就位性能，包括强度、硬度、杨氏模量、塑性应变硬化指数等的基础上，结合组织表征的研究成果，弄清界面反应产物、增强体种类、大小、含量、分布以及热历史对组元就位性能的影响规律。

（4） 弄清表征界面、近界面微区力学性能（强度、硬度、杨氏模量、塑性应变硬化指数）不均匀分布规律，评价不均匀性程度及不均匀区尺度，弄清组元结构参数（包括增强体种类、形态、尺寸、含量、分布）以及热历史对微区特性（包括力学性能、残余应力等）不均匀分布的影响规律。

（5） 在实现多尺度增强复合材料制备的基础上，对复合材料的强化和失效机制进行系统的实验研究。重点明确微米级和亚微米级复合材料的强化与失效机制，建立跨尺度的数值模型，并揭示复合材料微观结构与宏观性能之间的内在关系，为新型结构-多功能复合材料提供设计平台。

（6） 建立不同复合材料的本构关系模型，实现材料宏观行为的数值模拟。对在不同服役条件下(特别是大范围的温度循环载荷，如航空航天领域) 对新型复合材料的变形行为进行系统的实验研究，重点是温度场和力场协同作用下复合材料材料的变形行为，与服役条件下材料微观结构的变化建立联系，明确其变形机制。在现有理论基础上建立一种可应用于不同尺度增强复合材料的本构关系模型。

（7） 揭示力场，温度场下增强体微区内基体的晶粒尺度，织构、位错密度等非均匀梯度分布对力场下塑变的相容性，及对微屈服，微裂纹扩展等力学性能及热传导、电导等物理性能影响规律，建立材料近界面微结构及物理性能与不同服役条件下力学响应的关系及近界面微区的材料失效演化规律及其计算模型，为复合材料微区设计和调控提供理论平台。

（8） 建立高性能先进金属基复合材料的低成本高可靠性制备技术的工艺理论框架。

技术层面： （1） 针对金属基体—增强体多元多尺度复合体系，完善原位微区观测技术，构筑材料变形与组织观察一体化技术平台，在微米至亚微米尺度建立组织形貌、成分、取向随外界条件动态响应的研究系统，集成原位微观形貌观察、