先进金属基复合材料制备科学基础.doc

1 项目名称： 先进金属基复合材料制备科学基础先进金属基复合材料制备科学基础 首席科学家： 起止年限： 2012.1-2016.82012.1-2016.8 依托部门： 上海市科委上海市科委 2 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). 先先进进金属基复合材料复合界面形成及作用机制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). 先先进进金属基复合材料复合制金属基复合材料复合制备备、加工成型中、加工成型中组织组织形成机制及演化形成机制及演化规规律律 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、使役条件下复合材料界面、组织组织与性能耦合响与性能耦合响应应机制机制 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。 3 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、先研究内容一、先进进金属基复合材料金属基复合材料设计设计基基础础理理论论 （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、先研究内容二、先进进金属基复合材料制金属基复合材料制备备与加工的基与加工的基础础理理论论 （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、先研究内容三、先进进金属基复合材料的界面、金属基复合材料的界面、组织组织与性能耦合响与性能耦合响应应及及拟实拟实基基础础 理理论论 （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。 4 研究内容四、先研究内容四、先进进金属基复合材料的工程化技金属基复合材料的工程化技术应术应用基用基础础与典型与典型应应用用 （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。 5 二、预期目标 2.1 总总体目体目标标 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 160220 篇，出版特色鲜明的学术 专著 12 部,申报和获得国家发明专利 2040 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 五年五年预预期目期目标标 科学科学层层面：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。 6 （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。 技技术层术层面：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 7 察、原位电子背散射衍射技术、原位能谱仪技术，原位准动态背散射电子 成像技术等，为验证复合及变形过程发生的各种物理、化学变化的规律研 究提供实验基础与技术条件。 （2（针对先进金属材料基体-界面-增强体三位一体的构架关系，发展先进金属 复合材料多尺度界面的跨尺度表征与预测模拟技术，发展第一原理、热力 学、力学、物理学等跨学科、不同层次的综合表征体系，为揭示界面对先 进金属复合材料的多功能化提供相应的技术规范和标准； （3（建立微观组织与微区性能一体化表征的技术手段，发展、完善一系列组元 就位性能研究基本测试技术，包括改进的纳米压痕法（不同形状、尺寸、材 质压头）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）的技术，微束 xrd 技术，扫描隧道显微技术，激光显微拉曼 光谱技术等多种先进方法；建立各种表征方法中实验信号与待定性能之间 转换模型；制定不均匀程度和尺度的评定标准；对各种表征方法进行相互 验证，针对每一种特定性能筛选出最合适的表征方法。为实验表征组元结 构参数（包括增强体种类、形态、尺寸、含量、分布）、热历史（包括温差变 化、温差变化速率、热循环等）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，形成先进金属复合材料微区性能表征评价技术规 范。 （4（突破高性能大型先进金属基复合材料成型的技术瓶颈，实现大规格金属 基复合材料制备技术的跨越，满足国家重大工程对若干大规格先进金属 基复合材料构件的需求；建立低成本、高效率先进金属基复合材料塑性加 工成型的技术。 （5（根据国家在空天、电子通讯、交通运输的重大战略需求，构筑高性能先进 金属基复合材料的低成本、短流程、高可靠制备工艺技术平台，开发多种 典型的金属基复合材料构件，实现全流程有效控制，形成自主创新的技术 原型，为上述应用领域提供关键材料及构件和技术支撑。 2.3阶阶段性目段性目标标 研究将分两个阶段进行，第一阶段（20122013），以铝基、钛基先进金属基 复合材料为主要研究对象，首先对先进金属复合材料的复合构型与界面设计基 础、先进金属复合材料的可控制备及结构-性能的耦合表征规律进行系统研究， 为先进金属复合材料的复合化和多功能化提供理论基础，并对先进金属复合材 8 料设计与合成的相关技术和制备理论进行初步研究，发展功能特性的跨尺度数 值模拟技术、基本性能参数的实验表征方法和一体化优化设计方法，为进一步的 深入研究锁定目标和方向，并搭建好具体主攻内容的软硬件工作平台；第二阶段 （20142016）为系统深入的高级研发阶段，主要针对先进金属复合材料的共性 关键科学问题展开攻关，全面实现项目的五年预期目标。 第一第一阶阶段目段目标标：（：（20122013） ） 充分发挥先进金属复合材料复合构型、增强体或功能体的可设计性，确定明 确的研究对象和具体的结构功能技术指标；建立具有国内外先进水平的先进金 属复合材料合成装备与表征测试的组合实验平台，发展功能特性的跨尺度数值 模拟技术、基本性能参数的实验表征方法和分级结构功能一体化优化设计方 法，揭示先进金属复合材料复合构型及其关联多功能化特性之间的关系，完成多 种针对不同国家重大需求的先进金属复合材料复合构型-多功能化的导向设计理 论和合成制备方案；提出基于复合设计理论先进金属复合材料可控合成制备机理 和微观结构调控机制；并为进一步的深入研究锁定目标和方向。 针对先进金属材料基体-界面-增强体三位一体的构架关系，发展先进金属复 合材料多尺度界面的跨尺度表征与预测模拟技术，发展第一原理、热力学、力学、 物理学等跨学科、不同层次的综合表征体系，为揭示界面对先进金属复合材料的 多功能化提供相应的技术规范和标准； 建立微观组织与微区性能一体化表征的技术手段，发展、完善一系列组元就 位性能研究基本测试技术，包括改进的纳米压痕法（不同形状、尺寸、材质压头） 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）的 技术，微束 xrd 技术，扫描隧道显微技术，激光显微拉曼光谱技术等多种先进方 法；建立各种表征方法中实验信号与待定性能之间转换模型；制定不均匀程度和 尺度的评定标准；对各种表征方法进行相互验证，针对每一种特定性能筛选出最 合适的表征方法。为实验表征组元结构参数（包括增强体种类、形态、尺寸、含量、 分布）、热历史（包括温差变化、温差变化速率、热循环等）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，形成先进金属复合材料微区性能表 征评价技术规范。 第二第二阶阶段目段目标标：（：（20142016） ） 针对空天及国防领域对轻质高强多功能金属基复合材料、电子信息及半导 体照明产业对于高效封装和热沉材料、交通运输领域对轻量化结构材料的重大 而迫切需求，以铝基、钛基先进金属基复合材料为主要研究对象，进一步深入研 究针对上述背景先进金属基复合材料大尺寸、高可靠性、全流程控制下的不同制 9 备工艺，建立完整的先进金属基复合材料复合化与多功能化的有效合成与加工 理论体系，提升和完善大尺寸金属基复合材料制备及检测实验平台；根据优化设 计结果，可控合成制备满足不同需求的大尺寸先进金属基复合材料；并针对上述 背景需求的不同工况条件，开展全流程应用基础研究。 基于上述基础理论和评测方法研究，提供一套先进金属复合材料跨尺度结 构功能导向性设计、预测方法，与先进金属复合材料多尺度界面表征的相应的 技术规范，并在国家空天技术、电子通讯和交通运输等领域方面取得示范性应用， 同时在项目承担单位建立先进金属复合材料基础科学研究平台。 10 三、研究方案 3.1 总总体学体学术术思路思路 本项目以铝基、钛基先进金属基复合材料为主要研究对象，以提升性能和应 用为导向，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、电子通讯热控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，拟从材料学、力学、冶金学、化学、物理学等多学科交叉融合的角度，以 复合材料性能取决于结构与成分及制备加工全过程控制为出发点，主要围绕先 进金属基复合材料的制备科学基础开展研究。科学问题一，先进金属基复合材料 复合界面形成及作用机制；科学问题二，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；科学问题三，使役条件下复合材料界面、组织与 性能耦合响应机制。 (1) 根据三大科学问题既相对独立又相互关联的特点，综合考虑从成分、微观组 织到宏观力学性能的多尺度因素，从平衡态到非平衡态的物理化学状态，服 役外场的多样化过程，以增强体-界面-基体三位一体的构架关系作为主要的 研究对象获得先进金属复合材料复合化与多功能化关键科学问题解决的根 本途径； (2) 复合构型与物化设计基础是先进金属复合材料的可设计性和多功能化的基 础，综合利用第一原理、热力学、力学、物理学以及有效介质的性能预测理论 作为先进金属复合材料构型-力学与物理性能设计的保障； (3) 先进金属基复合材料可控制备是实现其复合化与多功能化的前提，针对典型 金属基复合材料，发展关键设备和装备，充分积累实验规律，采用物理归纳、 数学演绎和物理模拟等手段，从实验规律入手深入揭示并凝练先进金属基复 合材料制备过程中的学科前沿科学问题及其物理本质； (4) 先进金属基复合材料的大尺寸、大规格必将依靠塑性变形加工技术的根本突 破，以宏观变形组织和微观组织变化为对象，结合连续介质力学和能量耗散 理论，采用实验与模拟相结合的方法，研究金属基复合材料的组织、性能与 内应力分布特征，建立大规格零件流变组织与内应力形成与演变的宏微观塑 性变形理论，寻求组织均匀性与内应力的调控方法，实现我国高性能大尺寸 金属基复合材料零件的制备理论与技术跨越。 (5) 有效表征金属材料基体-界面-增强体三位一体的耦合关系，是先进金属复合 材料多功能化的必要条件。利用跨尺度表征与预测模拟技术和集成的原位表 征与微区表征技术，并发展第一原理、热力学、力学、物理学等跨学科、不同 层次的综合表征体系，为揭示界面对先进金属复合材料的耦合多功能提供了 11 技术保障； (6) 外场作用下先进金属基复合材料组织结构与界面的演变规律的揭示是先进 金属复合材料不同需求和工况条件的应用基础。利用先进金属复合材料性能 为导向的全流程控制为依托，阐明面向应用目标的金属基复合材料构件合成 制备过程中组织演变规律及其对复合材料构件性能的作用机制，从而显著降 低金属基复合材料性能的分散度，为建立高性能金属基复合材料的低成本、 高可靠性制备技术的理论框架提供了理论依据和技术支撑。 3.2 技技术术途径途径 (1) 充分发挥先进金属基复合材料的可设计性，以铝基、钛基先进金属基复合材 料为主要研究对象，针对空天技术、电子通讯和交通运输等国家重大需求对 先进金属复合材料提出的轻质高强、高导热、低膨胀、耐热耐磨等多功能要 求，充分借助先进的方法和基础理论对先进金属复合材料进行复合构型及其 物化基础合理设计，从原子、力学、物理与化学等层面考察材料的成分组成、 空间结构构型、物理性能等重要参数和性质，从而指导后续实验。 (2) 采用组织表征、性能评价、物理归纳、数学演绎和物理模拟等手段，从实验规 律入手深入揭示并凝练先进金属复合材料制备过程中的学科前沿科学问题 及其物理本质，研究增强体在基体中的分散机制、增强体形核与生长机制和 动力学规律、复合界面、组织和缺陷的形成机制与演化规律；在上述基础上， 优化出制备工艺和参数，形成典型的（如单一颗粒、混杂、三维网状、局部增 强）金属基复合材料的高性能化、高可靠性和短流程、低成本可控制备技术。 (3) 从金属基复合材料微观结构在加工过程中的变化行为出发，通过对基体合金 再结晶、回复、织构形成以及增强相的破碎、转动及缺陷形成与演化，以及对 应变、应力及速度场的研究，揭示不同种类的金属基复合材料在外场环境下 的变形机制和响应行为。针对几种典型加工方法（如挤压、轧制和锻造）中金 属基复合材料的组织性能均匀性与内应力控制难题，以宏观变形组织和微观 组织变化为对象，结合连续介质力学和能量耗散理论，采用实验与模拟相结 合的方法，研究金属基复合材料的组织、性能与内应力分布特征，建立大规 格零件流变组织与内应力形成与演变的宏微观塑性变形理论，寻求组织均匀 性与内应力的调控方法，实现我国高性能大尺寸金属基复合材料零件的制备 理论与技术跨越。 (4) 采用基于扫描电子显微分析（sem）的各种分析技术，在材料拉伸、弯曲等模 拟加工、服役过程的变形条件下，原位深入研究包括金属基体晶粒形状、尺 寸，增强体陶瓷的形状、尺寸、分布等微观组织、形貌的演变过程；采用电子 12 背散射衍射（ebsd）、背散射电子（bse）、x 射线能谱（eds）等实验手段原 位分析材料相应的基体晶粒及增强体的取向、微区成分的变化过程，与其他 子课题研究成果相对照，验证所得的各种物理、化学变化的规律的客观性； (5) 利用透射电子显微分析技术（tem）、高分辨电子显微分析技术（hrem）等， 结合电子能量损失谱（eels）、eds 等从微观到原子尺度深入研究不同组元 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，以研究不同组元间的结合规律；采用 hrem、透射扫描电子显微镜的高角环形暗场技术（haadf-stem）等研究 手段，对共格半共格界面的界面原子堆垛模式进行研究，探索重构原子 堆垛模式的途径。综合利用上述手段进行金属基复合材料组元界面结构表征 及重构研究。 (6) 采用纳米压痕法表征组元（增强体和基体）的就位性能，包括强度、硬度、杨 氏模量、塑性应变硬化指数等；详细研究界面反应产物、增强体种类、大小、 含量、分布以及热历史（温差、冷却速率、热循环等）对组元就位性能的影响 规律，探索微观组织与微区性能原位一体化表征的技术途径； (7) 综合多种手段进行金属基复合材料微区特性的表征及研究。采用纳米压痕法 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，测定不均匀性程度及不均匀区尺度；选用微束 x 射线衍射 （xrd）、纳米压痕技术、扫描隧道显微技术、激光显微拉曼光谱技术等多种 先进方法，实验表征界面、近界面微区热残余应力、应变的不均匀分布规律， 并相互验证，确定合适、可靠的表征方法；采用选定的 1 至 2 种表征方法，详 细研究组元结构参数（包括增强体种类、形态、尺寸、含量、分布）以及热历史 （包括温差变化、温差变化速率、热循环等）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。 (8) 综合多种手段进行金属基复合材料宏观性能及静态组织表征及研究。利用同 步辐射光、光学显微镜、sem、tem、xrd 等手段研究材料制备、加工、服役 过程各步骤中的晶粒尺寸，增强体种类、形态、数量、分布，裂纹的萌生、发 展，界面的脱粘、破坏，织构等组织的产生及变化，位错的形态、性质、运动、 纠缠等；研究材料宏观性能，包括各种常温力学性能、高温力学性能、低温力 学性能、断裂性能、蠕变性能、疲劳性能、超塑性性能、热传导性能等等。 (9) 以复合材料不同尺度的增强相的物理性能耦合效应及其非均质材料的细观 力学及第一性原理材料计算力学为基础，针对复合相的形状、尺度、分布、取 向和强相互作用等，探索复合材料的增强与失效机制、服役条件下材料的变 13 形行为，纳米尺度下增强体的材料力学模型及数值模拟，结合复合材料的微 观结构和界面特征，构筑先进复合材料的物理和力学性质的设计、表征、评 价和验证支撑平台，实现材料力学性能与材料制备相互间的可控设计，为复 合材料结构优化设计奠定基础。 (10)以上述基础理论研究为指导，依据国家在空天技术、电子通讯和交通运 输等领域的重大战略需求典型金属基复合材料成型加工为基础，揭示金属基 复合材料合成制备、二次加工、增强体及基体组织调控、界面优化相关参数 间内在联系，提出以性能为导向的合成制备加工过程与组织优化全流程控制 模型，形成高性能金属基复合材料构件制备加工的调控平台，建立组织与性 能全流程控制系统，降低金属基复合材料性能的分散度，建立高性能金属基 复合材料的低成本高可靠性制备技术的工艺理论框架，并根据金属基复合材 料多品种、小批量、性能要求苛刻的特点，实现数种金属基复合材料典型部 件的制造，开发出几种高性能化、功能化的先进金属基复合材料满足国家战 略需求，并发展 2-3 个具有自主知识产权的金属基复合材料，在我国的空天 技术、电子通讯和交通运输等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。 3.3 创创新点与特色新点与特色 (1) 从设计-复合制备-加工角度系统深入地阐明金属基复合材料界面的形成演化 和作用机制关键科学问题，实现界面结构及作用的优化，引领金属基复合材 料设计-制备-性能有效调控，使金属基复合材料研究由“试错法”向科学化跨 越。 (2) 基于增强体-界面-基体三位一体的构架关系，从复合构型与界面之间的耦合 响应规律及组织结构与性能演变规律入手，实现性能导向设计和全流程可控 制备，建立金属材料复合化和功能化的理论支撑系统。 14 (3) 建立微观组织与微区性能一体化表征的技术手段，结合第一原理、热/动力学、 宏细观力学等跨学科理论研究进展，发展金属复合材料的跨尺度预测拟实技 术。 (4) 构筑若干金属基复合材料可控制备加工技术原型，高效制备高性能、高可靠 性的先进金属基复合材料，并在我国空天、电子通讯和交通等重大领域得到 实用和验证。 3.4 可行性分析可行性分析 (1) 本项目为上海交通大学、中国科学院金属研究所、北京有色金属研究总院、 哈尔滨工业大学、吉林大学、华中科技大学、大连理工大学、西安工业大学、 西安交通大学和上海大学联合申请，各单位在材料科学与工程领域都有较强 的研究力量，符合优势互补，强强联合的要求。 (2) 联合申请单位对项目的科学问题和研究内容进行了长期的调研、分析和讨论， 除了注重其科学前沿之外，还密切结合国家重大战略需求，瞄准制约国民经 济和社会发展的重大、深层次问题，立足于经济全球化和分布智力资源，制 定了可行的进度计划和保证措施。 (3) 近年来在国家自然科学基金、863 计划等项目资助下，开展了高性能金属基 复合材料设计、制备、加工和相关学科领域的先期研究，并取得了丰硕成果, 为本项目的开展打下了坚实的研究基础。 (4) 联合申请各单位都将材料科学与工程及相关的领域列为 211 工程和 985 建 设的重点发展学科，给予支持，拥有国际先进的软硬件、设备，为本项目研究 奠定了有利的科研环境。 (5) 联合申请各单位在国家和各省市的科技攻关和工业、地方配套项目中取得了 较好的应用成果，为项目研究提供了外部动力和验证的平台。 (6) 在先前举行的一系列研讨会中，国内的学者和专家对本项目进行论证和建议。 15 3.5 课题设课题设置及置及课题课题之之间间的相互关系的相互关系 本项目共设置 6 个子课题，课题之间的相互关系如后图所示，并说明如下： 课题 1 充分发挥复合材料可设计性原则，重点研究不同复合构型、不同相与 相复合及其组合条件下相-相物理与化学作用的相互规律、结构与复合材料有效 性能的设计与预测和界面的设计，为课题 2 可控复合制备理论提供依据，为课 题 3、4、5 和 6 提供理论基础和设计指导；课题 2 重点根据课题 1 复合构型与界 面的设计的理论结果，开展先进金属复合材料多途径有效可控合成制备，并为课 题 3、课题 4 和课题 5 提供实验样品； 课题 3 与课题 2 配合，是课题 4、5、6 的有力支撑和基础，并为课题 4、5 提 供试验样品，为课题 6 的实施提供可行的技术途径；课题 4 主要进行先进金属复 合材料界面结构的综合表征，其结果将直接反馈课题 2，验证课题 2 可控制备理 论的有效性；并与课题 1 的理论设计结果配合，为课题 5 的开展和深化提供试验 基础和数据；课题 5 主要进行结构与性能的耦合相应机制，验证课题 1 的理论设 计结果，并反馈结果给课题 2、3、4；而课题 6 的主要任务则是综合上述课题 1、2、3、4、5 的研究结果，针对空天高技术领域、电子通讯的高效封装和热控领 域以及高速动载的陆上交通和航空运输领域对轻质高强多功能先进金属复合材 料重大而迫切需求，建立典型应用示范，验证先进金属复合材料设计、制备、加 工理论。 通过以上研究，建立先进复合金属材料复合化与多功能化理论体系与技术 实现手段，打破国外相关技术封锁和材料禁运，培育一批创新意识强的高水平研 究开发人才，形成一系列具有前瞻性及自主知识产权的高新技术成果。所设立的 六个课题，互相之间有机关联，各有其研究的重点和侧重，特别是针对所共有的 共性关键科学问题，形成了一个整体。每个课题的具体研究内容、目标、承担单 位和主要人员及经费比例如下所示。 16 课题间相互关系 预预期研究目期研究目标标 研究研究课题课题与主要方向与主要方向 领领域研究域研究侧侧重重 国家重大需求国家重大需求 研究研究领领域域 以国家空天技术、电子通讯和交通运输等领域对先 进金属复合材料的多重共性迫切和重大需求为背景，以 铝基、钛基复合材料为主要研究对象，建立其制备、表征 理论框架体系，发展其设计、可控制备和复合理论和工程 应用化基础，并实现典型应用。 发表一系列有重要影响的高质量学术论文和专著， 形成一批先进金属复合材料和专有技术。 培养一支从事先进金属复合材料研究及应用研究的 高层次队伍，其中中青年学术带头人 10 名以上。 课题 1 先进金属复合材料复合构型及界面设计基础 课题 2 先进金属复合材料可控复合制备理论 课题 6 先进金属基复合材料工程化应用基础 国家空天技术、电子通讯、交通运输等领域 对轻质高强多功能先进金属基复合材料的 共性重大需求 课题 5先进金属基复合材料结构与性能关系及拟实研究 先进金属基复合材料 界面设计、可控合成制 备、耦合致多功能化机 制 材料材料领领域域力学、物理学等交叉力学、物理学等交叉 课题 3 先进金属基复合材料塑性加工成型基础 课题 4 先进金属基复合材料界面特性与演化机制 17 课题课题 1：先进金属复合材料复合构型及界面设计基础：先进金属复合材料复合构型及界面设计基础 研究目研究目标标： ： 充分发挥先进金属复合材料的可设计性，针对空天技术、交通运输与电 子通讯等国家重大需求对先进金属复合材料提出的轻质高强、高导热低膨 胀等多功能要求，充分借助先进的方法和基础理论对先进金属复合材料进 行复合构型及其界面合理设计，从尺度、力学、物理与化学等层面考察材料 的成分组成、空间结构构型、物理性能等重要参数和性质，为发展高性能金 属基复合材料的设计与可控复合制备加工新原理、新技术提供依据。 研究内容：研究内容： (1) 依据不同应用背景对先进金属基复合材料的结构-功能特性的不同需求， 建立增强体与不同金属基体物性参数、晶体学参量的筛选、体系匹配准 则； (2) 多组元复杂条件下增强体与金属熔体间的化学相互作用的理论与实验 研究，包括：外加增强体条件下界面反应规律的预测，反应势垒涂层与 金属熔体间的化学作用规律预测与抑制方法，多组元复杂条件下原位自 生增强体形成的热力学与动力学机制的理论与实验研究；通过计算热力 学，配合关键实验，建立 al 基合金和 si-c 的热力学和扩散系数数据库， 计算模拟 sic 和 al 基合金之间的界面反应； (3) 针对典型的增强体/金属系统，温度、合金成分、气氛、陶瓷类型等因素 对润湿性及其铺展动力学、粘着功影响规律的理论与实验研究，揭示组 元间界面反应对润湿、铺展动力学、粘着功的影响机制； (4) 第一原理计算方法与材料热动力学相结合，不同种类增强体/金属界面 结合能的计算与调控方法研究； (5) 增强体的种类、形状、含量及其组合条件下增强体/基体界面应力分布及 其性能影响规律的实验研究； (6) 单相/多相增强体不同空间分布的仿生复合构型下，金属基复合材料宏 观力学与物理性能的计算、预测与实验研究。 经费比例：15% 承担单位：上海交通大学、上海大学 课题负责人：范同祥 学术骨干：张帆、顾佳俊、张澜庭、何国、鲁晓刚 18 课题课题 2 ：先进金属复合材料可控复合制备理论：先进金属复合材料可控复合制备理论 研究目标：研究目标： 针对先进金属基复合材料典型复合制备技术（熔铸复合、粉末复合和原 位自生技术）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， 揭示制备过程中复合组织和界面的形成机制与演化规律，优化复合构型及 其制备工艺，实现复合材料高性能化、高可靠性和短流程、低成本可控制备， 形成具有自主知识产权的高性能先进金属基复合材料制备技术原型。 研究内容：研究内容： (1) 研究增强体特征（类型、形状、尺寸）和数量、基体成分、增强体与基体 熔体的润湿性以及外场作用等对增强体在基体中分散行为及其对性能 的影响规律，揭示增强体三维分布的动力学规律与机制，实现制备过 程中增强体分散可控。 (2) 研究增强体与基体界面形成过程中的物理化学行为及其动力学规律， 从原子尺度揭示界面结构形成机制及界面结构对力学性能的影响规律， 实现复合界面结构和结合强度有效调控。 (3) 研究反应热力学条件和动力学因素对原位自生增强体特征的影响，揭 示增强体形核与生长机制和动力学规律，建立增强体特征与性能的关 系，实现增强体特征的有效调控。 (4) 研究增强体特征和数量、基体成分、制备工艺、外场等对复合组织和 缺陷形成与演化的影响，揭示复合组织形成机制与演变规律，建立复 合组织与性能的关系，实现复合组织的主动控制。 (5) 在增强体特征、增强体分散、复合界面和复合组织可控的基础上，优 化出高性能金属基复合材料制备工艺和参数，形成金属基复合材料的 高性能化、高可靠性和短流程、低成本可控制备的技术原型。 经费比例：17% 承担单位：吉林大学、上海交通大学 课题负责人：姜启川 学术骨干：王慧远、沈平、吕维洁 19 课题课题3 ： 先进金属基复合材料塑性加工成型基础先进金属基复合材料塑性加工成型基础 研究目研究目标标： ： 针对先进金属基复合材料加工成本高、大规格复杂构件制造难、以及高 性能材料难加工的现状，通过塑性加工成型过程中的宏微观塑变力学行为 与组织研究，揭示增强体/基体协调变形与交互作用对流变能力与缺陷演化 的作用，在此基础上阐明先进金属基复合材料塑性成型的理论与流变和组 织调控原理，发展出有效的工艺技术，以实现不同种类高性能金属基复合材 料构件的低成本、高效能、多样化加工成型。 研究内容：研究内容： (1) 建立复合材料的塑性变形本构关系，研究复合材料在变形条件下的应 力应变场与温度场特征对复合材料的流变能力的影响，揭示复合材料 变形机制； (2) 研究金属基复合材料的流变行为特征，以及增强体对基体合金加工硬 化和回复与再结晶行为的影响，对由此引起的应变软化、加工硬化等 特性进行表征，阐明变形过程中增强体与基体的相互作用与协调机理， 揭示变形能力的影响因素。 (3) 研究金属基复合材料塑性变形过程中的应力应变场对裂纹/孔洞萌生 和扩展、局部晶粒异常长大、颗粒团聚或富集等缺陷的形成的影响。 揭示加工过程中缺陷的特征种类与演化机制； (4) 研究基体合金、增强相与界面变化行为对输入能量的耗散行为。研究 组织、缺陷形成演化与输入能量关系，建立不同复合材料加工图，指 导变形工艺优化和组织控制； (5) 研究变形工艺、应变量、构件形状等对流变行为、流场的影响以及微 观组织均匀性的影响机制，研究微观组织与内应力的空间分布，寻求 微观结构均匀化和内应力的调控机制。 经费比例：20% 承担单位：中国科学院金属研究所、大连理工大学 课题负责人：肖伯律 学术骨干：马宗义、张士宏、亢战 20 课题课题4 ： 先进金属基复合材料界面特性与演化机制先进金属基复合材料界面特性与演化机制 研究目研究目标标： ： 运用各种微区表征新手段，结合计算机模拟技术，建立金属基复合材料 制备、加工、服役过程中界面形成和演变的表征和模拟方法，实现界面特征 冶金遗传性的动态表征和拟合，探索增强体和合金化元素对界面结构及近 界面微区结构参数的影响规律，阐明界面微区结构与界面微区性能之间的 关系，为设计和优化先进金属基复合材料界面提供理论依据，同时为从微观 到宏观的跨尺度性能计算拟实奠定基础。 研究内容：研究内容： (1) 金属基复合材料界面形成及表征金属基复合材料界面形成及表征： a）利用透射电子显微分析技术（tem）、 高分辨电子显微分析技术（hrem）等，结合电子能量损失谱（eels）、eds等从 微观到原子尺度深入研究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，以研究不同 组元间的结合规律；b）运用hrem、透射扫描电子显微镜的高角环形暗场技术 （haadf-stem）对共格-半共格界面的界面原子堆垛模式进行研究，探索重构 原子堆垛模式的途径。 (2) 金属基复合材料界面的理金属基复合材料界面的理论拟实论拟实：a)根据实验观测界面特征利用密度泛函 理论和分子动力学方法对界面的原子匹配模式，位向关系的重构，构建原子尺 度下的界面模型；b)利用原子尺度模型研究界面性能参数即界面结合能及润湿 性对增强体与基体界面之间相互作用机理和影响规律；b)通过原子尺度模型的 性能参数建立复合材料的细观力学和宏观力学模型，研究力的传递，界面脱粘 等因素对复合材料内部微观性质及其宏观力学行为的影响规律，达到对复合材 料力学性能的跨尺度研究。 (3) 金属基复合材料界面的冶金金属基复合材料界面的冶金遗传遗传特性的研究特性的研究：a) 利用同步辐射衍射、高温x 射线衍射、共聚焦光学金相显微镜、配高温台的扫描电镜、高温透射电镜等先 进测试手段，并结合瞬时中断等技术，分析金属基复合材料界面的冶金遗传性 特征，揭示金属基复合材料界面形成、演变规律；b）详细研究界面反应产物、增 强体种类、大小、含量、分布以及加工历史（加工工艺、热处理工艺等）等影响复 合材料界面的因素对金属基复合材料性能的影响规律。探索复合材料界面微观 组织与性能原位一体化表征的技术途径；c)利用计算机拟合技术、热力学、动力 学、第一原理等理论分析复合材料界面形成、演变规律。 21 (4) 金属基复合材料界面微区特性的表征及研究金属基复合材料界面微区特性的表征及研究：a）采用纳米压痕法表征界面、 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，测定不均匀性程度及不均匀区尺度；b）选用微束x射线衍射（xrd）、纳米 压痕技术、扫描隧道显微技术、激光显微拉曼光谱技术等多种先进方法，实验 表征界面、近界面微区热残余应力、应变的不均匀分布规律，并相互验证，确定 合适、可靠的表征方法；c）采用选定的1至2种表征方法，详细研究组元结构参 数（包括增强体种类、形态、尺寸、含量、分布）以及热历史（包括温差变化、温差 变化速率、热循环等）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) 金属基复合材料界面的性能响金属基复合材料界面的性能响应应特征特征：a）利用同步辐射光、光学显微镜、 sem、tem、xrd等手段研究材料制备、加工、服役过程各步骤中的晶粒尺寸， 增强体种类、形态、数量、分布，裂纹的萌生、发展，界面的脱粘、破坏，织构等 组织的产生及变化，位错的形态、性质、运动、纠缠等；b）研究材料宏观性能，包 括各种常温力学性能、高温力学性能、低温力学性能、断裂性能、蠕变性能、疲 劳性能、超塑性性能、热传导性能等等，揭示复合材料界面与性能之间的内在 关系。 经费比例：10% 承担单位：哈尔滨工业大学、西安交通大学 课题负责人：耿林 学术骨干：张学习、李爱滨、张国君 22 课题课题5：先进金属基复合材料结构与性能关系及拟实研究：先进金属基复合材料结构与性能关系及拟实研究 研究目研究目标标： ： 以研究复合结构与性能内在关系：耦合响应及非均质材料的细观力学为 基础，表征不同增强体种类、含量、形状、尺度、分布、取向和不同复合状态， 探索复合材料的增强与失效机制、服役条件下材料的变形行为，建立不同增 强体特征的复合材料力学、物理模型，结合复合材料的微观结构、性能及界 面特征，拟实复合响应规律，预测复合材料性能，构筑先进复合材料的物理 和力学性质的设计、表征、评价和验证支撑平台，实现材料力学性能与材料 制备相互间的可控设计，为先进金属基复合材料结构优化设计奠定基础。 研究内容：研究内容： (1) 材料的增材料的增强强与失效机制，与失效机制，包括：在实现各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地实验研究。重点明确不 同构型复合材料的强化与失效机制。在实验的基础上，揭示增强体特 征、含量、分布对复合材料力学性能和物理性能的影响规律，阐明界面的 结合状态（机械/物理结合界面、化学结合界面）对复合材料性能的影响机 理。 (2) 服役条件下材料的服役条件下材料的变变形行形行为为， ，包括：对新型复合材料的变形行为进行 系统的实验研究，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。研究非连续增强复合材料材料在不同服役条 件下的力学行为，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。 (3) 近界面微区近界面微区结结构与宏构与宏观观力学行力学行为为的耦合的耦合规规律，律，包括：复合材料近界面 基体微区结构（界面相、基体织构、亚结构等）在塑性变形过程中的演化 23 规律，近界面微区结构与特性（模量、硬度等）的梯度分布对复合材料 宏观力学行为（微屈服、塑性流变、裂纹萌生和扩展）的影响规律，近 界面微区结构及特性的梯度分布对复合材料物理性能（热导、热膨胀、电 导）的影响规律。 (4) 力学、物理建模及复合响力学、物理建模及复合响应应行行为为