新一代金属材料-Next+Generation+Metal+Ma王自东

新一代金属结构材料—NextGenerationMetalMaterials王自东北京科技大学材料学院北京科技大学UniversityofScienceandTechnologyBeijing

汇报提纲研究室名称和人员组成研究室定位发展目标和主要任务研究方向对学科发展的作用研究室成员工作业绩和成果水平拟任首席教授的综合能力和贡献

金属功能材料制备与成形研究室二、定位发展目标和主要任务

主要从事金属凝固、加工成形过程中的理论与工艺控制研究工作，包括：胞、球晶生长理论；高性能纳米弥散相增强合金；连续定向凝固技术，制备高性能铜及铜合金管线材、铝及铝合金丝材，陀螺仪上用银包铝丝，特种功能用银包铜丝等特种丝材和超细丝材；特种铸造技术，如制备高强高导铜合金铸件等；结构与功能一体化高性能阻尼钢——结构用高阻尼减振钢板，框架用高阻尼减振工字钢，减振降噪用声子晶体材料等。北京科技大学UniversityofScienceandTechnologyBeijing

金属功能材料制备与成形研究室

金属功能材料制备与成形研究室北京科技大学UniversityofScienceandTechnologyBeijing三、研究方向对学科发展的作用

金属凝固理论纳米弥散相增强金属材料制备技术声子晶体材料连续定向凝固制备技术（铜管材等）

主要研究方向北京科技大学UniversityofScienceandTechnologyBeijing

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1.金属凝固理论用解析的方法对材料制备加工中常见的生长过程（如定向凝固与自由凝固系统内）发生的强非线性阶段的胞、枝晶生长和球晶生长中的动力学过程以及界面稳定性等进行深入细致的研究。该项研究是应用数学、材料科学与凝聚态物理学交叉领域的前沿课题。其解决对材料制备加工工艺的改进与终端产品质量的提高等均具有重大而深远的意义。

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2.纳米弥散相增强金属材料制备技术金属材料的增强、增韧是一对矛盾增强——强度提高塑性下降增韧——塑性提高强度下降如何做到增强同时增韧或增强时塑性不下降？纳米增强技术20nm

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3.声子晶体制备及其振动带隙特性研究机械振动广泛存在于航空航天、机械动力、交通运输等各个领域中，抑制有害振动一直是工程技术中迫切需要解决的问题,其中小尺寸、低频减振降噪仍然是难以解决的问题之一,而声子晶体有望解决这一难题。北京科技大学UniversityofScienceandTechnologyBeijing

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4.连续定向凝固制备技术制备具有连续柱状晶或单晶组织的铜管材铜及铜合金杆线材铝及铝合金线材等北京科技大学UniversityofScienceandTechnologyBeijing

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ZidongWang,XuewenWang,QiangsongWang,IShihandJJXu.Fabricationofananocompositefrominsituironnanoparticlereinforcedcopperalloy，Nanotechnology，2009,20:075605;SCI收录,EI收录

ChenMingwen,WangZidong,Xu

Jian-Jun,Xie

Jianxin,Theeffectoffarfieldflowonasphericalcrystalgrowthintheundercooledmelt,Acta

Mechanica

Sinica,2008,24:681~689.(DOI:10.1007/s10409-008-0169-7)ISSN:0567-7718;SCI收录,EI收录

代表性论文北京科技大学UniversityofScienceandTechnologyBeijing

金属功能材料制备与成形研究室ChenMingwen,WangZidong,Xu

Jian-Jun,Theevolutionandmorphologicalstabilityofasphericalcrystal,ScienceinChinaE,2008,51(3):225~243.ISSN:1006-9321;SCI收录,EI收录

陈明文,王自东,孙仁济,远场来流对过冷熔体中球晶生长的影响,物理学报,2007,56(3):1819~1823.ISSN:1000-3290.SCI收录EI收录ZhangHong,WangZidong,Xie

Jianxin,ChenYajun,WangYingwei.CrystalPreferentialOrientationAnalysisofAl-1.0wt%SiAlloyinContinuousUnidirectionalSolidificationProcess.TransactionsofNonferrousMetalsSocietyofchina.2006,16(S3):s1518-s1522;

SCI收录

陈明文，王自东，徐鉴君.球晶的演化和形态稳定性.中国科学E辑：技术科学.2007,

36(5):644-660

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金属功能材料制备与成形研究室王自东等.一种在钢液中形成纳米颗粒的制备技术.200910089679.5林国标,王自东,张鸿等.一种提高Cu-Cr系铜合金强度和导电率的热处理方法.200910085266.X林国标,王自东等.一种铜合金反重力铸造升液管.20091009685.0王强松，王自东，谢建新，张鸿等.一种耐高压铸造铜合金.专利号:200710176461.申请日：2007年10月29日.公开号:CN101148714王强松,王自东,谢建新,张鸿等.一种高强耐压铸造铜合金.申请号：200810114812.申请日：2008.6.12.公开号:CN101289715

专利北京科技大学UniversityofScienceandTechnologyBeijing

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短流程高效制备铜管技术的项目已完成中试阶段、工程化技术与设备研究开发工作，已在中铝洛铜公司设计、制造并安装了工程化装备及相应的工装。完成了六流、拉坯速度2.5～4m/h制备铜管坯的有负荷试车工作。

成果应用北京科技大学UniversityofScienceandTechnologyBeijing

金属功能材料制备与成形研究室提纲1、定义2、候选材料3、纳米复合材料4、纳米弥散相获得的理论基础5、铜基纳米复合材料的微观组织6、铜基纳米复合材料的力学性能7、结论一、定义新一代金属结构材料：从应用最广泛的铝、钢和铜材料来看，需要材料的抗拉强度提高50~100%，延伸率和其他的力学性能、物理性能、化学性能保持在原有材料的水平。制备方法简单、可靠，要与现在的大工业生产结合起来环境友好、节约资源和能源研究新一代金属结构材料的意义据计算，材料的强度提高0.5~1倍，制造同样件，可节约10~20%的材料，这就相当5~10年，可以节约一座炼铜厂、炼铝厂和炼钢厂对提高武器装备的档次，对提高武器装备的可靠性、安全性有着重要的实际意义减小环境污染、节能、减排、节约资源等都有重要的意义2、候选材料细晶、微晶材料纳米晶金属材料金属基复合材料非晶材料金属纳米复合材料2.1细晶、微晶材料材料的抗拉强度提高20~30%，延伸率有下降，但下降的幅度较小

从制备工艺来看，快速凝固方法大变形的方法机械合金化的方法与大工业生产的接轨，难度较大2.2纳米材料A纳米材料的定义B纳米材料的基本效应C纳米材料的性能与应用D

纳米材料基本特征纳米材料的制备方法纳米材料定义和分类

纳米材料定义组成相或晶粒结构长度尺寸控制在100nm以下的材料。纳米材料组成的基本（组成）单元可以是原子团簇、纳米微粒、纳米线、或纳米膜。它既包括金属材料，也可以包括无机非金属材料和高分子材料。纳米材料的四大特点:尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子比例大。从结构角度看，纳米材料可分为：①零维纳米材料：纳米颗粒、原子团簇②一维纳米材料：纳米丝、纳米棒、纳米管等③二维纳米材料：超薄膜、多层膜等④三维纳米材料：纳米相材料纳米材料的基本效应表面效应量子效应

小尺寸效应

当纳米材料组成相的尺寸较小时，材料的性能会发生变化，当组成相的尺寸小到某一临界尺寸时，材料性能将发生明显的变化。纳米晶粒尺寸降到一定程度，其声、电、光、磁、热及超导性与宏观特性有着显著地不同。纳米微粒具有尺寸小、比表面积大、表面能高等特点，其活性极高，遇到其他原子很快结合，使其稳定化。纳米材料的力学性能弹性模量比常规晶粒材料的弹性模量降低了30%～50%

硬度或强度是同成分传统晶体(晶粒＞1μm)金属硬度或强度的2～7倍在拉应力状态下，纳米晶金属塑性很低，但在压应力状态下，纳米晶金属表现出很高的塑性和韧性名称屈服强度(MPa)抗拉强度(MPa)断后延伸率(%)弹性模量(GPa)粗晶铜8413040127纳米晶体铜(36nm)118237~4502~684纳米材料的性能

力学性能：

纳米晶强化效应；强度大；纳米陶瓷材料具有超塑性

光学性能：

纳米晶粒吸光能力强；光吸收率大电学性能：电阻高于同类粗晶材料，甚至发生尺寸诱导，金属向绝缘体转变，磁场中材料电阻的减小非常明显磁学性能：纳米晶粒的磁各向异性与粗晶粒材料有显著的区别

热学性能：纳米微粒的熔点、烧结温度和晶化温度均比常规粉体低得多纳米材料的制备方法气相合成与制备纳米材料将高温的蒸汽在冷阱中冷凝或者在衬底上沉积和生长出低维纳米材料的方法。主要包括物理气象沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)。用来制备纳米粉体、纳米丝和生长出超晶格薄膜和量子点。液相法合成与制备纳米材料特点：将材料所需组分溶解在液体中形成均相溶液，然后通过反应沉淀得到所需要的组分的前驱物，再经过热分解得到所需物质。主要包括沉淀法、微乳液法、溶胶-凝胶法、电解沉积法、水解法、溶剂蒸发法。多用来制备纳米粉体。固相法合成与制备纳米材料：机械合金化(MechanicalAlloying,MA)、固相反应(SolidReaction,SR)、大塑性变形(SeverePlasticDeformation,SPD)SPD法可以采用压力扭转和等通道挤压两种方式实现。非晶晶化(CrystallizationofAmorphousMaterials,CAM)表面纳米化由卢柯等人提出。特点：固体材料在不发生熔化、气化的情况下使原始晶体细化或反应生成纳米晶体的过程机械合金化法(MechanicalAlloying,MA)又可以称为机械研磨(MechanicalMilling,MA)，指的是利用机械球磨方法制备纳米材料的方法。MA常用的设备为高能研磨机，有搅拌式、振动式、振摆式等。MA法的优点：操作简单、实验室规模的设备投资较少、适用材料范围广。将球磨形成的纳米结构粉末利用热挤压、冲击波压制、热等静压、烧结锻造等技术固结，从而得到块体纳米材料。压力扭转法(TorsionStraining,TS)实验原理：将置于支撑砧槽中的原始样品

(块或粉)施加几个GPa的压力，并相对转动上下两砧使之发生剪切变形。此法制备的纳米晶体样品一般为圆片状直径介于10～20mm，厚度约为0.2～0.5mm压力扭转法示意图等通道角挤压（Equal-ChannelPressing）实验原理：施加一定的压力使原始棒材在具有一定角度Φ的通道中通过而发生剪切变形，将变形后的样品旋转一定角度再重新复压入管道，以使变形在不同滑移面、滑移方向上发生，经过数次变形后可形成具有高角晶界的块体纳米晶体材料。等通道角挤压示意图纳米材料研究发展史纳米材料研究现状仍是一个崭新的研究和应用领域，总体看来还不够系统全面，必须深入进行理论研究和技术攻关，采用新的和改进的方法来控制纳米材料的组成单元及其尺寸，改善纳米尺度的评价方法，以及从新的角度更深入理解纳米结构与性能之间的关系。21世纪以来实验室技术成熟，走向产业化20世纪80初-90年代末纳米材料和科研技术迅猛发展20世纪50年代Feynman提出纳米科技的朝前设想19世纪前人们非自觉地应用纳米材料，例如碳黑研究学科交叉化，不断深入发展展望2.3金属基复合材料用陶瓷颗粒或晶须增强铝基、铜基金属抗拉强度能提高20~30%，但延伸率下降较大耐磨、弹性模量高界面存在污染，界面结合不是共格或半共格关系与现代大工业生产有一定距离2.4非晶材料耐磨、耐腐蚀抗压强度高但塑性较差以上材料要想成为下一代金属结构材料，都有一定的难度，必须进行大量的科研工作来解决现有材料存在的问题3纳米复合材料定义：增强相为纳米尺度，数量要足够多，基体金属的晶粒为微米级现有金属弥散相的尺寸为微米级，如钢中的碳化物、铝合金中的第二相等减小弥散强化相的尺寸到纳米级，直到几个纳米其抗拉强度就会大幅度提高，与此同时延伸率不会降低，其他的各种性能不低于现在使用的合金获得纳米弥散相的途径

金属凝固过程中获得纳米尺度的颗粒热处理过程中析出纳米尺度的颗粒4、纳米弥散相形成的理论基础

凝固过程纳米相的形成纳米尺度的物质基本方程是否适用？如：传热方程、传质方程经典的热力学形核理论是否适用？4.1弱流场、压力场下球晶的演化及形态稳定性

过冷熔体中球晶凝固的几何图

建立数学模型

温度场方程连续性方程和拟稳态Navier-Stokes方程建立数学模型

其中

界面条件：

研究在过冷熔体中远场来流远小于界面的特征速度的情形球晶生长的演化和形态稳定性.

将凝固系统的物理量按小参数作级数展开,求出凝固系统的近似解(称之为基态解）代入球晶凝固系统得到关于小参数的各阶近似渐近展开：

其中界面方程满足初值问题：首阶近似其中温度场有两种情形：一阶近似解

在迎风方向对流使得正在生长的界面加速非对称生长;

分析：在背风方向减缓非对称生长,在界面两侧没有受到影响.

取参数

t=10，t=20，t=30，

t=40，t=70，t=90，

取参数

t=110，t=150，

从前面求出的一阶近似解可以看出流场的流速对于界面形态的影响,但是这与熔体的粘性无关.为了反映熔体的粘性对于界面形态的影响,在求出了流场的二阶近似解后,需要进一步求出温度场的二阶近似解.

代入温度场的二阶近似项方程，得到

流场的二阶近似解

界面条件:

温度场二阶近似方程：界面的初始条件:

当其它情形时,

分三种情况求出凝固系统的二阶近似解

将远场区域的温度场外解与在界面附近的区域温度场内解进行匹配,可以确定待定常数或函数,

在远离界面的远场区域温度场的外解

相应的界面生长速度为

求出球晶凝固系统的近似解

选择参数作图

结果分析

No.1

取参数

t=10，t=20，t=30，

t=40，t=50，t=60，

取参数

t=70，t=90，t=110，

t=120，Fig.2MicrostructureofCu-Znalloybyordinarycasting北京科技大学UniversityofScienceandTechnologyBeijingFirstdendriteSeconddendriteThirddendriteForthdendrite5、铜基纳米复合材料的微观组织Fig.3MicrostructureoftheCu-Znalloy(containsequiaxedgrainswiththeaveragediameterfrom20to60microns)北京科技大学UniversityofScienceandTechnologyBeijingFig.5Athighmagnification,nano-particlesofironsarevisible(theaveragediameter2to20nm)HRTEM20nm北京科技大学UniversityofScienceandTechnologyBeijingFig.6Ironnanoparticleswithwelldefinedinterfacewithcopper–effectivenucleationcenters.HRTEM北京科技大学UniversityofScienceandTechnologyBeijing(110)(111)0.201nm0.208nm2nmFig.7FurtherconfirmationofphasesrelationbetweenanironnanoparticleandcoppermatrixunderTEMCuFe北京科技大学UniversityofScienceandTechnologyBeijing

Cu-0.43Cr-0.22Zr-0.092Mg合金的铸态组织（TEM）及相应的衍射斑点（a）形貌；（b）衍射斑点；（c）衍射斑点标定示意图。

200nm5.1纳米Cr相的形成(1)CTEM分析(a)(b)(c)Cu-0.43Cr-0.22Zr-0.092Mg合金[100]晶带轴衍射矢量g=200的微观组织（TEM）