国家自然基金标书-先进金属基复合材料制备科学基础.DocVIP

PAGE \* MERGEFORMAT 2 项目名称： 先进金属基复合材料制备科学基础 首席科学家： 张荻 上海交通大学 起止年限： 2012.1-2016.8 依托部门： 上海市科委 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 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； 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； 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 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； 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； 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； 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； 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 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； 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； 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 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； 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