項(xiàng)目申報(bào)書-先進(jìn)金屬基復(fù)合材料制備科學(xué)基礎(chǔ)

1、項(xiàng)目名稱：先進(jìn)金屬基復(fù)合材料制備科學(xué)基礎(chǔ)一、關(guān)鍵科學(xué)問題及研究內(nèi)容針對國家空天技術(shù)、電子通訊和交通運(yùn)輸領(lǐng)域等對先進(jìn)金屬基復(fù)合材料的共性重大需求和先進(jìn)金屬基復(fù)合材料的國內(nèi)外發(fā)展趨勢，本項(xiàng)目以克服制約國內(nèi)先進(jìn)金屬復(fù)合材料制備科學(xué)的瓶頸問題為出發(fā)點(diǎn)，針對下列三個關(guān)鍵科學(xué)問題開展先進(jìn)金屬基復(fù)合材料制備科學(xué)基礎(chǔ)研究：(1) .先進(jìn)金屬基復(fù)合材料復(fù)合界面形成及作用機(jī)制界面是是增強(qiáng)相和基體相連接的紐帶”，也是力學(xué)及其他功能，如導(dǎo)熱、導(dǎo)電、阻尼等特性傳遞的橋梁，具構(gòu)造及其形成規(guī)律將直接影響復(fù)合材料的最終的組織結(jié)構(gòu)和綜合性能。因此，界面結(jié)構(gòu)、界面結(jié)合及界面微區(qū)的調(diào)控是調(diào)控金屬復(fù)合材料性能的最為關(guān)鍵的一環(huán)。揭示基

2、體成分、添加元素、增強(qiáng)體特性復(fù)合工藝對復(fù)合過程中的界面的形成、加工變形、服役過程中的界面結(jié)構(gòu)、特征的演變規(guī)律和效應(yīng)，以及在多場下的組織演變規(guī)律和對復(fù)合材料的性能變化極為關(guān)鍵。復(fù)合效應(yīng)的物理基礎(chǔ)正是源于金屬基體與增強(qiáng)體的性質(zhì)差異，而在金屬基復(fù)合材料復(fù)合制備過程中，二者的差異無疑會直接或間接地影響最終的復(fù)合組織和界面結(jié)構(gòu)。因此，要想建立行之有效的金屬基復(fù)合材料組分設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和有效調(diào)控先進(jìn)金屬基復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與性能，就必須從理論上認(rèn)識先進(jìn)金屬基復(fù)合材料的復(fù)合界面形成及作用機(jī)制。(2) .先進(jìn)金屬基復(fù)合材料復(fù)合制備、加工成型中組織形成機(jī)制及演化規(guī)律金屬基復(fù)合材料的性能取決于其材料組分和復(fù)合結(jié)構(gòu)，二者的形

3、成不僅依賴于復(fù)合制備過程，還依賴于包括塑性變形、連接、熱處理等后續(xù)加工和處理過程。只有在掌握金屬基復(fù)合材料的組織結(jié)構(gòu)演變規(guī)律的基礎(chǔ)上，才有可能通過優(yōu)化工藝參數(shù)精確調(diào)控微觀組織，進(jìn)而調(diào)控復(fù)合材料的性能。(3) .使役條件下復(fù)合材料界面、組織與性能耦合響應(yīng)機(jī)制先進(jìn)金屬基復(fù)合材料中，由于增強(qiáng)體與金屬基體的物理和力學(xué)性能之間存在巨大差異，造成在界面點(diǎn)陣分布不均勻，同時近界面基體中由于熱錯配，殘余應(yīng)力等導(dǎo)致晶體學(xué)缺陷含量較高。因此，在使役過程中，先進(jìn)金屬基復(fù)合材料的力學(xué)性能不僅取決于其材料組分，更加取決于增強(qiáng)體在基體中的空間分布模式、界面結(jié)合狀態(tài)和組織與性能之間的耦合響應(yīng)機(jī)制。只有揭示使役條件下復(fù)合材料

4、界面、組織與性能耦合響應(yīng)機(jī)制，才能真正體現(xiàn)先進(jìn)金屬基復(fù)合材料中增強(qiáng)體與基體的優(yōu)勢互補(bǔ)，充分利用其巨大潛力，也才可能優(yōu)化復(fù)合和界面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。圍繞以上三個關(guān)鍵科學(xué)問題，開展以下幾方面的研究內(nèi)容，為先進(jìn)金屬基復(fù)合的制備科學(xué)提供理論基礎(chǔ)。研究內(nèi)容一、先進(jìn)金屬基復(fù)合材料設(shè)計(jì)基礎(chǔ)理論(1)在增強(qiáng)體空間分布特征與增強(qiáng)體/基體界面特性描述與預(yù)測基礎(chǔ)上，揭示多元多尺度增強(qiáng)體空間分布對宏觀力學(xué)性能與物理性能影響規(guī)律，建立金屬基復(fù)合材料復(fù)合構(gòu)型設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；(2)根據(jù)晶體學(xué)參量、機(jī)械及物理性能匹配原則選擇基體相和增強(qiáng)相，并通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、密度泛函分析等手段建立金屬基復(fù)合材料體系設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；(3)基于材料熱力學(xué)和動力學(xué)

5、理論，從揭示基體與增強(qiáng)體之間的潤濕性機(jī)理、界面結(jié)合能模擬計(jì)算、界面化學(xué)反應(yīng)規(guī)律入手，建立金屬基復(fù)合材料界面設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；研究內(nèi)容二、先進(jìn)金屬基復(fù)合材料制備與加工的基礎(chǔ)理論(1)研究復(fù)合材料制備過程中增強(qiáng)體特征調(diào)控及其在基體中的分散動力學(xué)規(guī)律，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)體特征與分散可控；(2)研究復(fù)合界面和復(fù)合組織的形成機(jī)制與演化規(guī)律，實(shí)現(xiàn)復(fù)合界面與復(fù)合組織的有效調(diào)控；(3)變形加工過程中增強(qiáng)體尺寸、分布與取向演變規(guī)律研究，揭示增強(qiáng)體與基體的相互作用與協(xié)調(diào)機(jī)理；(4)變形加工過程中基體宏觀流變組織如變形帶、織構(gòu)等和近界面微區(qū)應(yīng)力應(yīng)變場、原有及新生缺陷等演化規(guī)律及其對材料性能的影響；(5)針對典型金屬基復(fù)合材料，形成高

6、性能化、高可靠性和短流程、低成本可控制備加工技術(shù)原型及相應(yīng)的理論體系。研究內(nèi)容三、先進(jìn)金屬基復(fù)合材料的界面、組織與性能耦合響應(yīng)及擬實(shí)基礎(chǔ)理論(1)完善先進(jìn)金屬基復(fù)合材料組織和性能演變的表征途徑，特別著重于開發(fā)各種微區(qū)原位(insitu)表征新手段，揭示界面及近界面微區(qū)不均勻性、結(jié)構(gòu)參數(shù)和熱歷史對性能影響規(guī)律；(2)先進(jìn)金屬基復(fù)合材料在服役條件下的變形行為與破壞機(jī)制研究，建立多元多尺度金屬基復(fù)合材料的力學(xué)本構(gòu)關(guān)系模型；(3)先進(jìn)金屬基復(fù)合材料界面、近界面微區(qū)結(jié)構(gòu)與宏觀力學(xué)性能的擬實(shí)計(jì)算，揭示復(fù)合結(jié)構(gòu)與宏觀力學(xué)行為的耦合規(guī)律。研究內(nèi)容四、先進(jìn)金屬基復(fù)合材料的工程化技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)與典型應(yīng)用(1)提出性

7、能和應(yīng)用為導(dǎo)向的先進(jìn)金屬基復(fù)合材料坯錠制備、構(gòu)件成型加工處理、質(zhì)量控制、試驗(yàn)驗(yàn)證等工程化技術(shù)調(diào)控優(yōu)化理論基礎(chǔ)；(2)開展典型金屬基復(fù)合材料合成與加工技術(shù)原型研究，建立基于組織和性能全流程調(diào)控平臺，優(yōu)化金屬基復(fù)合材料的綜合性能并在空天、電子通訊及交通運(yùn)輸?shù)葒抑卮箢I(lǐng)域得到實(shí)用和驗(yàn)證。具體應(yīng)用實(shí)例包括：(a) .航天及國防領(lǐng)域所需阻尼減振、耐磨、耐冷焊、抗輻射關(guān)鍵輕質(zhì)高剛度材料和構(gòu)件，如嫦娥二號探月衛(wèi)星及月球車、神舟八號飛船、天宮一號空間實(shí)驗(yàn)室、螢火一號火星探測器、國防專用衛(wèi)星的高精密觀測儀器支撐構(gòu)件，電源供給系統(tǒng)支撐構(gòu)件，太陽能電池展開支架，直升機(jī)旋翼系統(tǒng)關(guān)鍵承力運(yùn)動結(jié)構(gòu)件等。(b) .電子通訊

8、及大功率半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)亟需的高效熱控材料，如高模量、高導(dǎo)熱、與半導(dǎo)體熱膨脹匹配的SiC/Al、納米碳管/Al和金剛石/Al的高效熱控材料；(c) .在交通領(lǐng)域與節(jié)能減排、提高發(fā)動機(jī)效率相關(guān)的結(jié)構(gòu)功能一體化零部件，如SiC/Al用于汽車和高鐵的剎車部件、驅(qū)動軸、連桿、活塞等。二、預(yù)期目標(biāo)2.1 總體目標(biāo)以鋁基、鈦基先進(jìn)金屬基復(fù)合材料為主要研究對象，針對先進(jìn)金屬基復(fù)合材料的制備加工技術(shù)水平亟需提高、滿足國家空天技術(shù)、電子通訊和交通運(yùn)輸領(lǐng)域?qū)ο冗M(jìn)金屬基復(fù)合材料的共性重大需求為背景，解決先進(jìn)金屬基復(fù)合材料在制備和加工過程中的關(guān)鍵科學(xué)問題，建立先進(jìn)金屬基復(fù)合材料組分、結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)和制備、加工

9、、應(yīng)用基礎(chǔ)技術(shù)體系，提出以性能為導(dǎo)向的制備加工與組織優(yōu)化全流程控制模型，實(shí)現(xiàn)先進(jìn)金屬基復(fù)合材料從技術(shù)到科學(xué)的跨越。以此為基礎(chǔ)，形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的先進(jìn)金屬基復(fù)合材料合成和加工技術(shù)原型，建立先進(jìn)金屬基復(fù)合材料基礎(chǔ)研究、技術(shù)創(chuàng)新與支撐保障平臺，在空天技術(shù)、電子通訊熱控及交通運(yùn)輸?shù)葒抑卮箢I(lǐng)域得到實(shí)用和驗(yàn)證，打破國際封鎖和禁運(yùn)，有力支撐國家重大需求?；谙冗M(jìn)金屬基復(fù)合材料制備科學(xué)基礎(chǔ)研究成果，指導(dǎo)先進(jìn)金屬復(fù)合材料的設(shè)計(jì)、制備及加工工藝優(yōu)化，在此基礎(chǔ)上制備出滿足國家不同領(lǐng)域重大應(yīng)用需求的典型的先進(jìn)金屬基復(fù)合材料。以上研究成果將發(fā)表高質(zhì)量的學(xué)術(shù)論文160220篇，出版特色鮮明的學(xué)術(shù)專著12部，中報(bào)和獲

10、得國家發(fā)明專利2040項(xiàng)；形成幾個相互支撐的先進(jìn)金屬基復(fù)合材料研究基地，培養(yǎng)造就一支團(tuán)結(jié)合作、富有朝氣和創(chuàng)新精神的金屬基復(fù)合材料研究隊(duì)伍，其中青年學(xué)術(shù)帶頭人10名以上。2.2 五年預(yù)期目標(biāo)科學(xué)層面：(1)針對先進(jìn)金屬基復(fù)合材料典型復(fù)合制備技術(shù)中增強(qiáng)體分散、界面結(jié)合等制約復(fù)合效應(yīng)發(fā)揮的關(guān)鍵科學(xué)問題，揭示制備過程中增強(qiáng)體特征調(diào)控機(jī)制與分散動力學(xué)規(guī)律、復(fù)合界面和復(fù)合組織形成機(jī)制與演化規(guī)律，對典型先進(jìn)金屬基復(fù)合材料，形成高性能化、高可靠性和短流程、低成本可控制備原理。(2)從微觀到原子尺度闡明不同組元間界面的結(jié)合模式、位向關(guān)系、界面反應(yīng)產(chǎn)物的形態(tài)、微區(qū)成分、以及界面結(jié)合部分組元的電子結(jié)合狀態(tài)等，揭示不

11、同金屬、增強(qiáng)體之間的結(jié)合規(guī)律，以此為基礎(chǔ)，弄清一些重要的復(fù)合材料體系中普遍存在的共格-半共格界面原子堆垛模式，為理論模型的構(gòu)筑提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。(3)針對以往研究作為基本參數(shù)的組元性能多采用單組元材料的“常態(tài)”性能，而非就位性能，在有效表征組元各種就位性能，包括強(qiáng)度、硬度、楊氏模量、塑性應(yīng)變硬化指數(shù)等的基礎(chǔ)上，結(jié)合組織表征的研究成果，弄清界面反應(yīng)產(chǎn)物、增強(qiáng)體種類、大小、含量、分布以及熱歷史對組元就位性能的影響規(guī)律。(4)弄清表征界面、近界面微區(qū)力學(xué)性能(強(qiáng)度、硬度、楊氏模量、塑性應(yīng)變硬化指數(shù))不均勻分布規(guī)律，評價不均勻性程度及不均勻區(qū)尺度，弄清組元結(jié)構(gòu)參數(shù)(包括增強(qiáng)體種類、形態(tài)、尺寸、含量、分布)

12、以及熱歷史對微區(qū)特性(包括力學(xué)性能、殘余應(yīng)力等)不均勻分布的影響規(guī)律。(5)在實(shí)現(xiàn)多尺度增強(qiáng)復(fù)合材料制備的基礎(chǔ)上，對復(fù)合材料的強(qiáng)化和失效機(jī)制進(jìn)行系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究。重點(diǎn)明確微米級和亞微米級復(fù)合材料的強(qiáng)化與失效機(jī)制，建立跨尺度的數(shù)值模型，并揭示復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能之間的內(nèi)在關(guān)系，為新型結(jié)構(gòu)-多功能復(fù)合材料提供設(shè)計(jì)平臺。(6)建立不同復(fù)合材料的本構(gòu)關(guān)系模型，實(shí)現(xiàn)材料宏觀行為的數(shù)值模擬。對在不同服役條件下(特別是大范圍的溫度循環(huán)載荷，如航空航天領(lǐng)域)對新型復(fù)合材料的變形行為進(jìn)行系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，重點(diǎn)是溫度場和力場協(xié)同作用下復(fù)合材料材料的變形行為，與服役條件下材料微觀結(jié)構(gòu)的變化建立聯(lián)系，明確其變形機(jī)制

13、。在現(xiàn)有理論基礎(chǔ)上建立一種可應(yīng)用于不同尺度增強(qiáng)復(fù)合材料的本構(gòu)關(guān)系模型。(7)揭示力場，溫度場下增強(qiáng)體微區(qū)內(nèi)基體的晶粒尺度，織構(gòu)、位錯密度等非均勻梯度分布對力場下塑變的相容性，及對微屈服，微裂紋擴(kuò)展等力學(xué)性能及熱傳導(dǎo)、電導(dǎo)等物理性能影響規(guī)律，建立材料近界面微結(jié)構(gòu)及物理性能與不同服役條件下力學(xué)響應(yīng)的關(guān)系及近界面微區(qū)的材料失效演化規(guī)律及其計(jì)算模型，為復(fù)合材料微區(qū)設(shè)計(jì)和調(diào)控提供理論平臺。(8)建立高性能先進(jìn)金屬基復(fù)合材料的低成本高可靠性制備技術(shù)的工藝?yán)碚摽蚣?。技術(shù)層面：(1)針對金屬基體一增強(qiáng)體多元多尺度復(fù)合體系，完善原位微區(qū)觀測技術(shù)，構(gòu)筑材料變形與組織觀察一體化技術(shù)平臺，在微米至亞微米尺度建立組織形

14、貌、成分、取向隨外界條件動態(tài)響應(yīng)的研究系統(tǒng)，集成原位微觀形貌觀察、原位電子背散射衍射技術(shù)、原位能譜儀技術(shù)，原位準(zhǔn)動態(tài)背散射電子成像技術(shù)等，為驗(yàn)證復(fù)合及變形過程發(fā)生的各種物理、化學(xué)變化的規(guī)律研究提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)與技術(shù)條件。(2)針對先進(jìn)金屬材料基體-界面-增強(qiáng)體三位一體的構(gòu)架關(guān)系，發(fā)展先進(jìn)金屬復(fù)合材料多尺度界面的跨尺度表征與預(yù)測模擬技術(shù)，發(fā)展第一原理、熱力學(xué)、力學(xué)、物理學(xué)等跨學(xué)科、不同層次的綜合表征體系，為揭示界面對先進(jìn)金屬復(fù)合材料的多功能化提供相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)；(3)建立微觀組織與微區(qū)性能一體化表征的技術(shù)手段，發(fā)展、完善一系列組元就位性能研究基本測試技術(shù)，包括改進(jìn)的納米壓痕法(不同形狀、尺寸、

15、材質(zhì)壓頭)表征界面、近界面微區(qū)力學(xué)性能(強(qiáng)度、硬度、楊氏模量、塑性應(yīng)變硬化指數(shù))的技術(shù)，微束XRD技術(shù)，掃描隧道顯微技術(shù)，激光顯微拉曼光譜技術(shù)等多種先進(jìn)方法；建立各種表征方法中實(shí)驗(yàn)信號與待定性能之間轉(zhuǎn)換模型；制定不均勻程度和尺度的評定標(biāo)準(zhǔn)；對各種表征方法進(jìn)行相互驗(yàn)證，針對每一種特定性能篩選出最合適的表征方法。為實(shí)驗(yàn)表征組元結(jié)構(gòu)參數(shù)(包括增強(qiáng)體種類、形態(tài)、尺寸、含量、分布)、熱歷史(包括溫差變化、溫差變化速率、熱循環(huán)等)對微區(qū)特性(包括力學(xué)性能、殘余應(yīng)力等)不均勻分布的影響規(guī)律，形成先進(jìn)金屬復(fù)合材料微區(qū)性能表征評價技術(shù)規(guī)范。(4)突破高性能大型先進(jìn)金屬基復(fù)合材料成型的技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)大規(guī)格金屬基復(fù)

16、合材料制備技術(shù)的跨越，滿足國家重大工程對若干大規(guī)格先進(jìn)金屬基復(fù)合材料構(gòu)件的需求；建立低成本、高效率先進(jìn)金屬基復(fù)合材料塑性加工成型的技術(shù)。(5)根據(jù)國家在空天、電子通訊、交通運(yùn)輸?shù)闹卮髴?zhàn)略需求，構(gòu)筑高性能先進(jìn)金屬基復(fù)合材料的低成本、短流程、高可靠制備工藝技術(shù)平臺，開發(fā)多種典型的金屬基復(fù)合材料構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)全流程有效控制，形成自主創(chuàng)新的技術(shù)原型，為上述應(yīng)用領(lǐng)域提供關(guān)鍵材料及構(gòu)件和技術(shù)支撐。2.3 階段性目標(biāo)研究將分兩個階段進(jìn)行，第一階段(20122013),以鋁基、鈦基先進(jìn)金屬基復(fù)合材料為主要研究對象，首先對先進(jìn)金屬復(fù)合材料的復(fù)合構(gòu)型與界面設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、先進(jìn)金屬復(fù)合材料的可控制備及結(jié)構(gòu)-性能的耦合表征規(guī)律

17、進(jìn)行系統(tǒng)研究，為先進(jìn)金屬復(fù)合材料的復(fù)合化和多功能化提供理論基礎(chǔ)，并對先進(jìn)金屬復(fù)合材料設(shè)計(jì)與合成的相關(guān)技術(shù)和制備理論進(jìn)行初步研究，發(fā)展功能特性的跨尺度數(shù)值模擬技術(shù)、基本性能參數(shù)的實(shí)驗(yàn)表征方法和一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，為進(jìn)一步的深入研究鎖定目標(biāo)和方向，并搭建好具體主攻內(nèi)容的軟硬件工作平臺；第二階段（2014-2016）為系統(tǒng)深入的高級研發(fā)階段，主要針對先進(jìn)金屬復(fù)合材料的共性關(guān)鍵科學(xué)問題展開攻關(guān)，全面實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的五年預(yù)期目標(biāo)。第一階段目標(biāo)：（20122013）充分發(fā)揮先進(jìn)金屬復(fù)合材料復(fù)合構(gòu)型、增強(qiáng)體或功能體的可設(shè)計(jì)性，確定明確的研究對象和具體的結(jié)構(gòu)-功能技術(shù)指標(biāo)；建立具有國內(nèi)外先進(jìn)水平的先進(jìn)金屬復(fù)合材料合

18、成裝備與表征測試的組合實(shí)驗(yàn)平臺,發(fā)展功能特性的跨尺度數(shù)值模擬技術(shù)、基本性能參數(shù)的實(shí)驗(yàn)表征方法和分級結(jié)構(gòu)-功能一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，揭示先進(jìn)金屬復(fù)合材料復(fù)合構(gòu)型及其關(guān)聯(lián)多功能化特性之間的關(guān)系，完成多種針對不同國家重大需求的先進(jìn)金屬復(fù)合材料復(fù)合構(gòu)型-多功能化的導(dǎo)向設(shè)計(jì)理論和合成制備方案；提出基于復(fù)合設(shè)計(jì)理論先進(jìn)金屬復(fù)合材料可控合成制備機(jī)理和微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控機(jī)制；并為進(jìn)一步的深入研究鎖定目標(biāo)和方向。針對先進(jìn)金屬材料基體-界面-增強(qiáng)體三位一體的構(gòu)架關(guān)系，發(fā)展先進(jìn)金屬復(fù)合材料多尺度界面的跨尺度表征與預(yù)測模擬技術(shù)，發(fā)展第一原理、熱力學(xué)、力學(xué)、物理學(xué)等跨學(xué)科、不同層次的綜合表征體系，為揭示界面對先進(jìn)金屬復(fù)合材料的

19、多功能化提供相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)；建立微觀組織與微區(qū)性能一體化表征的技術(shù)手段，發(fā)展、完善一系列組元就位性能研究基本測試技術(shù)，包括改進(jìn)的納米壓痕法（不同形狀、尺寸、材質(zhì)壓頭）表征界面、近界面微區(qū)力學(xué)性能（強(qiáng)度、硬度、楊氏模量、塑性應(yīng)變硬化指數(shù)）的技術(shù)，微束XRD技術(shù)，掃描隧道顯微技術(shù)，激光顯微拉曼光譜技術(shù)等多種先進(jìn)方法；建立各種表征方法中實(shí)驗(yàn)信號與待定性能之間轉(zhuǎn)換模型；制定不均勻程度和尺度的評定標(biāo)準(zhǔn)；對各種表征方法進(jìn)行相互驗(yàn)證，針對每一種特定性能篩選出最合適的表征方法。為實(shí)驗(yàn)表征組元結(jié)構(gòu)參數(shù)（包括增強(qiáng)體種類、形態(tài)、尺寸、含量、分布）、熱歷史（包括溫差變化、溫差變化速率、熱循環(huán)等）對微區(qū)特性（包括

20、力學(xué)性能、殘余應(yīng)力等）不均勻分布的影響規(guī)律，形成先進(jìn)金屬復(fù)合材料微區(qū)性能表征評價技術(shù)規(guī)范。第二階段目標(biāo)：（20142016）針對空天及國防領(lǐng)域?qū)p質(zhì)高強(qiáng)多功能金屬基復(fù)合材料、電子信息及半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)對于高效封裝和熱沉材料、交通運(yùn)輸領(lǐng)域?qū)p量化結(jié)構(gòu)材料的重大而迫切需求，以鋁基、鈦基先進(jìn)金屬基復(fù)合材料為主要研究對象，進(jìn)一步深入研究針對上述背景先進(jìn)金屬基復(fù)合材料大尺寸、高可靠性、全流程控制下的不同制備工藝，建立完整的先進(jìn)金屬基復(fù)合材料復(fù)合化與多功能化的有效合成與加工理論體系,提升和完善大尺寸金屬基復(fù)合材料制備及檢測實(shí)驗(yàn)平臺；根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果,可控合成制備滿足不同需求的大尺寸先進(jìn)金屬基復(fù)合材料；并針對

21、上述背景需求的不同工況條件，開展全流程應(yīng)用基礎(chǔ)研究。基于上述基礎(chǔ)理論和評測方法研究，提供一套先進(jìn)金屬復(fù)合材料跨尺度結(jié)構(gòu)-功能導(dǎo)向性設(shè)計(jì)、預(yù)測方法，與先進(jìn)金屬復(fù)合材料多尺度界面表征的相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范，并在國家空天技術(shù)、電子通訊和交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域方面取得示范性應(yīng)用，同時在項(xiàng)目承擔(dān)單位建立先進(jìn)金屬復(fù)合材料基礎(chǔ)科學(xué)研究平臺。三、研究方案3.1 總體學(xué)術(shù)思路本項(xiàng)目以鋁基、鈦基先進(jìn)金屬基復(fù)合材料為主要研究對象，以提升性能和應(yīng)用為導(dǎo)向，針對先進(jìn)金屬基復(fù)合材料的制備加工技術(shù)水平亟需提高、滿足國家空天技術(shù)、電子通訊熱控和交通運(yùn)輸領(lǐng)域?qū)ο冗M(jìn)金屬基復(fù)合材料的共性重大需求為背景，擬從材料學(xué)、力學(xué)、冶金學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)等多

22、學(xué)科交叉融合的角度，以復(fù)合材料性能取決于結(jié)構(gòu)與成分及制備加工全過程控制為出發(fā)點(diǎn)，主要圍繞先進(jìn)金屬基復(fù)合材料的制備科學(xué)基礎(chǔ)開展研究。科學(xué)問題一，先進(jìn)金屬基復(fù)合材料復(fù)合界面形成及作用機(jī)制；科學(xué)問題二，先進(jìn)金屬基復(fù)合材料復(fù)合制備、加工成型中組織形成機(jī)制及演化規(guī)律；科學(xué)問題三，使役條件下復(fù)合材料界面、組織與性能耦合響應(yīng)機(jī)制。(1)根據(jù)三大科學(xué)問題既相對獨(dú)立又相互關(guān)聯(lián)的特點(diǎn)，綜合考慮從成分、微觀組織到宏觀力學(xué)性能的多尺度因素，從平衡態(tài)到非平衡態(tài)的物理化學(xué)狀態(tài)，服役外場的多樣化過程，以增強(qiáng)體-界面-基體三位一體的構(gòu)架關(guān)系作為主要的研究對象獲得先進(jìn)金屬復(fù)合材料復(fù)合化與多功能化關(guān)鍵科學(xué)問題解決的根本途徑；(2

23、)復(fù)合構(gòu)型與物化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)是先進(jìn)金屬復(fù)合材料的可設(shè)計(jì)性和多功能化的基礎(chǔ)，綜合利用第一原理、熱力學(xué)、力學(xué)、物理學(xué)以及有效介質(zhì)的性能預(yù)測理論作為先進(jìn)金屬復(fù)合材料構(gòu)型-力學(xué)與物理性能設(shè)計(jì)的保障；(3)先進(jìn)金屬基復(fù)合材料可控制備是實(shí)現(xiàn)其復(fù)合化與多功能化的前提，針對典型金屬基復(fù)合材料，發(fā)展關(guān)鍵設(shè)備和裝備，充分積累實(shí)驗(yàn)規(guī)律，采用物理歸納、數(shù)學(xué)演繹和物理模擬等手段，從實(shí)驗(yàn)規(guī)律入手深入揭示并凝練先進(jìn)金屬基復(fù)合材料制備過程中的學(xué)科前沿科學(xué)問題及其物理本質(zhì)；(4)先進(jìn)金屬基復(fù)合材料的大尺寸、大規(guī)格必將依靠塑性變形加工技術(shù)的根本突破，以宏觀變形組織和微觀組織變化為對象，結(jié)合連續(xù)介質(zhì)力學(xué)和能量耗散理論，采用實(shí)驗(yàn)與模擬相

24、結(jié)合的方法，研究金屬基復(fù)合材料的組織、性能與內(nèi)應(yīng)力分布特征，建立大規(guī)格零件流變組織與內(nèi)應(yīng)力形成與演變的宏微觀塑性變形理論，尋求組織均勻性與內(nèi)應(yīng)力的調(diào)控方法，實(shí)現(xiàn)我國高性能大尺寸金屬基復(fù)合材料零件的制備理論與技術(shù)跨越。(5)有效表征金屬材料基體-界面-增強(qiáng)體三位一體的耦合關(guān)系，是先進(jìn)金屬復(fù)合材料多功能化的必要條件。利用跨尺度表征與預(yù)測模擬技術(shù)和集成的原位表征與微區(qū)表征技術(shù)，并發(fā)展第一原理、熱力學(xué)、力學(xué)、物理學(xué)等跨學(xué)科、不同層次的綜合表征體系，為揭示界面對先進(jìn)金屬復(fù)合材料的耦合多功能提供了技術(shù)保障；(6)外場作用下先進(jìn)金屬基復(fù)合材料組織結(jié)構(gòu)與界面的演變規(guī)律的揭示是先進(jìn)金屬復(fù)合材料不同需求和工況條件

25、的應(yīng)用基礎(chǔ)。利用先進(jìn)金屬復(fù)合材料性能為導(dǎo)向的全流程控制為依托，闡明面向應(yīng)用目標(biāo)的金屬基復(fù)合材料構(gòu)件合成制備過程中組織演變規(guī)律及其對復(fù)合材料構(gòu)件性能的作用機(jī)制，從而顯著降低金屬基復(fù)合材料性能的分散度，為建立高性能金屬基復(fù)合材料的低成本、高可靠性制備技術(shù)的理論框架提供了理論依據(jù)和技術(shù)支撐。3.2 技術(shù)途徑(1)充分發(fā)揮先進(jìn)金屬基復(fù)合材料的可設(shè)計(jì)性，以鋁基、鈦基先進(jìn)金屬基復(fù)合材料為主要研究對象，針對空天技術(shù)、電子通訊和交通運(yùn)輸?shù)葒抑卮笮枨髮ο冗M(jìn)金屬復(fù)合材料提出的輕質(zhì)高強(qiáng)、高導(dǎo)熱、低膨脹、耐熱耐磨等多功能要求，充分借助先進(jìn)的方法和基礎(chǔ)理論對先進(jìn)金屬復(fù)合材料進(jìn)行復(fù)合構(gòu)型及其物化基礎(chǔ)合理設(shè)計(jì)，從原子、力

26、學(xué)、物理與化學(xué)等層面考察材料的成分組成、空間結(jié)構(gòu)構(gòu)型、物理性能等重要參數(shù)和性質(zhì)，從而指導(dǎo)后續(xù)實(shí)驗(yàn)。(2)采用組織表征、性能評價、物理歸納、數(shù)學(xué)演繹和物理模擬等手段，從實(shí)驗(yàn)規(guī)律入手深入揭示并凝練先進(jìn)金屬復(fù)合材料制備過程中的學(xué)科前沿科學(xué)問題及其物理本質(zhì)，研究增強(qiáng)體在基體中的分散機(jī)制、增強(qiáng)體形核與生長機(jī)制和動力學(xué)規(guī)律、復(fù)合界面、組織和缺陷的形成機(jī)制與演化規(guī)律；在上述基礎(chǔ)上，優(yōu)化出制備工藝和參數(shù)，形成典型的(如單一顆粒、混雜、三維網(wǎng)狀、局部增強(qiáng))金屬基復(fù)合材料的高性能化、高可靠性和短流程、低成本可控制備技術(shù)。(3)從金屬基復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)在加工過程中的變化行為出發(fā)，通過對基體合金再結(jié)晶、回復(fù)、織構(gòu)形成

27、以及增強(qiáng)相的破碎、轉(zhuǎn)動及缺陷形成與演化，以及對應(yīng)變、應(yīng)力及速度場的研究，揭示不同種類的金屬基復(fù)合材料在外場環(huán)境下的變形機(jī)制和響應(yīng)行為。針對幾種典型加工方法(如擠壓、軋制和鍛造)中金屬基復(fù)合材料的組織性能均勻性與內(nèi)應(yīng)力控制難題，以宏觀變形組織和微觀組織變化為對象，結(jié)合連續(xù)介質(zhì)力學(xué)和能量耗散理論，采用實(shí)驗(yàn)與模擬相結(jié)合的方法，研究金屬基復(fù)合材料的組織、性能與內(nèi)應(yīng)力分布特征，建立大規(guī)格零件流變組織與內(nèi)應(yīng)力形成與演變的宏微觀塑性變形理論，尋求組織均勻性與內(nèi)應(yīng)力的調(diào)控方法，實(shí)現(xiàn)我國高性能大尺寸金屬基復(fù)合材料零件的制備理論與技術(shù)跨越。(4)采用基于掃描電子顯微分析(SEM)的各種分析技術(shù)，在材料拉伸、彎曲等

28、模擬加工、服役過程的變形條件下，原位深入研究包括金屬基體晶粒形狀、尺寸，增強(qiáng)體陶瓷的形狀、尺寸、分布等微觀組織、形貌的演變過程；采用電子背散射衍射（EBSD）、背散射電子（BSE）、X射線能譜（EDS）等實(shí)驗(yàn)手段原位分析材料相應(yīng)的基體晶粒及增強(qiáng)體的取向、微區(qū)成分的變化過程，與其他子課題研究成果相對照，驗(yàn)證所得的各種物理、化學(xué)變化的規(guī)律的客觀性；（5）利用透射電子顯微分析技術(shù)（TEM）、高分辨電子顯微分析技術(shù)（HREM）等，結(jié)合電子能量損失譜（EELS）、EDS等從微觀到原子尺度深入研究不同組元間界面的結(jié)合模式、位向關(guān)系、界面反應(yīng)產(chǎn)物的形態(tài)、微區(qū)成分、以及界面結(jié)合部分組元的電子結(jié)合狀態(tài)等，以研究

29、不同組元間的結(jié)合規(guī)律；采用HREM、透射掃描電子顯微鏡的高角環(huán)形暗場技術(shù)（HAADF-STEM）等研究手段，對共格一一半共格界面的界面原子堆垛模式進(jìn)行研究，探索重構(gòu)原子堆垛模式的途徑。綜合利用上述手段進(jìn)行金屬基復(fù)合材料組元界面結(jié)構(gòu)表征及重構(gòu)研究。（6）采用納米壓痕法表征組元（增強(qiáng)體和基體）的就位性能，包括強(qiáng)度、硬度、楊氏模量、塑性應(yīng)變硬化指數(shù)等；詳細(xì)研究界面反應(yīng)產(chǎn)物、增強(qiáng)體種類、大小、含量、分布以及熱歷史（溫差、冷卻速率、熱循環(huán)等）對組元就位性能的影響規(guī)律，探索微觀組織與微區(qū)性能原位一體化表征的技術(shù)途徑；（7）綜合多種手段進(jìn)行金屬基復(fù)合材料微區(qū)特性的表征及研究。采用納米壓痕法表征界面、近界面微

30、區(qū)力學(xué)性能（強(qiáng)度、硬度、楊氏模量、塑性應(yīng)變硬化指數(shù)）不均勻分布規(guī)律，測定不均勻性程度及不均勻區(qū)尺度；選用微束X射線衍射（XRD）、納米壓痕技術(shù)、掃描隧道顯微技術(shù)、激光顯微拉曼光譜技術(shù)等多種先進(jìn)方法，實(shí)驗(yàn)表征界面、近界面微區(qū)熱殘余應(yīng)力、應(yīng)變的不均勻分布規(guī)律，并相互驗(yàn)證，確定合適、可靠的表征方法；采用選定的1至2種表征方法，詳細(xì)研究組元結(jié)構(gòu)參數(shù)（包括增強(qiáng)體種類、形態(tài)、尺寸、含量、分布）以及熱歷史（包括溫差變化、溫差變化速率、熱循環(huán)等）對微區(qū)特性（包括力學(xué)性能、殘余應(yīng)力等）不均勻分布的影響規(guī)律。（8）綜合多種手段進(jìn)行金屬基復(fù)合材料宏觀性能及靜態(tài)組織表征及研究。利用同步輻射光、光學(xué)顯微鏡、SEM、TE

31、M、XRD等手段研究材料制備、加工、服役過程各步驟中的晶粒尺寸，增強(qiáng)體種類、形態(tài)、數(shù)量、分布，裂紋的萌生、發(fā)展，界面的脫粘、破壞，織構(gòu)等組織的產(chǎn)生及變化，位錯的形態(tài)、性質(zhì)、運(yùn)動、糾纏等；研究材料宏觀性能，包括各種常溫力學(xué)性能、高溫力學(xué)性能、低溫力學(xué)性能、斷裂性能、蠕變性能、疲勞性能、超塑性性能、熱傳導(dǎo)性能等等。(9)以復(fù)合材料不同尺度的增強(qiáng)相的物理性能耦合效應(yīng)及其非均質(zhì)材料的細(xì)觀力學(xué)及第一性原理材料計(jì)算力學(xué)為基礎(chǔ)，針對復(fù)合相的形狀、尺度、分布、取向和強(qiáng)相互作用等，探索復(fù)合材料的增強(qiáng)與失效機(jī)制、服役條件下材料的變形行為，納米尺度下增強(qiáng)體的材料力學(xué)模型及數(shù)值模擬，結(jié)合復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)和界面特征，

32、構(gòu)筑先進(jìn)復(fù)合材料的物理和力學(xué)性質(zhì)的設(shè)計(jì)、表征、評價和驗(yàn)證支撐平臺，實(shí)現(xiàn)材料力學(xué)性能與材料制備相互間的可控設(shè)計(jì)，為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。(10) 以上述基礎(chǔ)理論研究為指導(dǎo)，依據(jù)國家在空天技術(shù)、電子通訊和交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域的重大戰(zhàn)略需求典型金屬基復(fù)合材料成型加工為基礎(chǔ)，揭示金屬基復(fù)合材料合成制備、二次加工、增強(qiáng)體及基體組織調(diào)控、界面優(yōu)化相關(guān)參數(shù)間內(nèi)在聯(lián)系，提出以性能為導(dǎo)向的合成制備加工過程與組織優(yōu)化全流程控制模型，形成高性能金屬基復(fù)合材料構(gòu)件制備加工的調(diào)控平臺，建立組織與性能全流程控制系統(tǒng)，降低金屬基復(fù)合材料性能的分散度，建立高性能金屬基復(fù)合材料的低成本高可靠性制備技術(shù)的工藝?yán)碚摽蚣?，并根?jù)金

33、屬基復(fù)合材料多品種、小批量、性能要求苛刻的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)種金屬基復(fù)合材料典型部件的制造，開發(fā)出幾種高性能化、功能化的先進(jìn)金屬基復(fù)合材料滿足國家戰(zhàn)略需求，并發(fā)展2-3個具有自主知識產(chǎn)權(quán)的金屬基復(fù)合材料，在我國的空天技術(shù)、電子通訊和交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域得到實(shí)用和驗(yàn)證。具體應(yīng)用實(shí)例包括：(a) .航天及國防領(lǐng)域所需阻尼減振、耐磨、耐冷焊、抗輻射關(guān)鍵輕質(zhì)高剛度材料和構(gòu)件，如嫦娥二號探月衛(wèi)星及月球車、神舟八號飛船、天宮一號空間實(shí)驗(yàn)室、螢火一號火星探測器、國防專用衛(wèi)星的高精密觀測儀器支撐構(gòu)件，電源供給系統(tǒng)支撐構(gòu)件，太陽能電池展開支架，直升機(jī)旋翼系統(tǒng)關(guān)鍵承力運(yùn)動結(jié)構(gòu)件等。(b) .電子通訊及大功率半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)亟需

34、的高效熱控材料，如高模量、高導(dǎo)熱、與半導(dǎo)體熱膨脹匹配的SiC/Al、納米碳管/Al和金剛石/Al的高效熱控材料；(c) .在交通領(lǐng)域與節(jié)能減排、提高發(fā)動機(jī)效率相關(guān)的結(jié)構(gòu)功能一體化零部件，如SiC/Al用于汽車和高鐵的剎車部件、驅(qū)動軸、連桿、活塞等。3.3 創(chuàng)新點(diǎn)與特色(1)從設(shè)計(jì)-復(fù)合制備-加工角度系統(tǒng)深入地闡明金屬基復(fù)合材料界面的形成演化和作用機(jī)制關(guān)鍵科學(xué)問題，實(shí)現(xiàn)界面結(jié)構(gòu)及作用的優(yōu)化，引領(lǐng)金屬基復(fù)合材料設(shè)計(jì)-制備-性能有效調(diào)控，使金屬基復(fù)合材料研究由“試錯法”向科學(xué)化跨越。(2)基于增強(qiáng)體-界面-基體三位一體的構(gòu)架關(guān)系，從復(fù)合構(gòu)型與界面之間的耦合響應(yīng)規(guī)律及組織結(jié)構(gòu)與性能演變規(guī)律入手，實(shí)現(xiàn)性

35、能導(dǎo)向設(shè)計(jì)和全流程可控制備，建立金屬材料復(fù)合化和功能化的理論支撐系統(tǒng)。(3)建立微觀組織與微區(qū)性能一體化表征的技術(shù)手段，結(jié)合第一原理、熱/動力學(xué)、宏細(xì)觀力學(xué)等跨學(xué)科理論研究進(jìn)展，發(fā)展金屬復(fù)合材料的跨尺度預(yù)測擬實(shí)技術(shù)。(4)構(gòu)筑若干金屬基復(fù)合材料可控制備加工技術(shù)原型，高效制備高性能、高可靠性的先進(jìn)金屬基復(fù)合材料，并在我國空天、電子通訊和交通等重大領(lǐng)域得到實(shí)用和驗(yàn)證。3.4 可行性分析(1)本項(xiàng)目為上海交通大學(xué)、中國科學(xué)院金屬研究所、北京有色金屬研究總院、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、吉林大學(xué)、華中科技大學(xué)、大連理工大學(xué)、西安工業(yè)大學(xué)、西安交通大學(xué)和上海大學(xué)聯(lián)合申請，各單位在材料科學(xué)與工程領(lǐng)域都有較強(qiáng)的研究力量

36、，符合優(yōu)勢互補(bǔ)，強(qiáng)一強(qiáng)聯(lián)合的要求。(2)聯(lián)合申請單位對項(xiàng)目的科學(xué)問題和研究內(nèi)容進(jìn)行了長期的調(diào)研、分析和討論，除了注重其科學(xué)前沿之外，還密切結(jié)合國家重大戰(zhàn)略需求，瞄準(zhǔn)制約國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的重大、深層次問題，立足于經(jīng)濟(jì)全球化和分布智力資源，制定了可行的進(jìn)度計(jì)劃和保證措施。(3)近年來在國家自然科學(xué)基金、863計(jì)劃等項(xiàng)目資助下，開展了高性能金屬基復(fù)合材料設(shè)計(jì)、制備、加工和相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域的先期研究，并取得了豐碩成果，為本項(xiàng)目的開展打下了堅(jiān)實(shí)的研究基礎(chǔ)。(4)聯(lián)合申請各單位都將材料科學(xué)與工程及相關(guān)的領(lǐng)域列為211工程和985建設(shè)的重點(diǎn)發(fā)展學(xué)科，給予支持，擁有國際先進(jìn)的軟硬件、設(shè)備，為本項(xiàng)目研究奠定了有利

37、的科研環(huán)境。(5)聯(lián)合申請各單位在國家和各省市的科技攻關(guān)和工業(yè)、地方配套項(xiàng)目中取得了較好的應(yīng)用成果，為項(xiàng)目研究提供了外部動力和驗(yàn)證的平臺。(6)在先前舉行的一系列研討會中，國內(nèi)的學(xué)者和專家對本項(xiàng)目進(jìn)行論證和建議。3.5 課題設(shè)置及課題之間的相互關(guān)系本項(xiàng)目共設(shè)置6個子課題，課題之間的相互關(guān)系如后圖所示，并說明如下：課題1充分發(fā)揮復(fù)合材料可設(shè)計(jì)性原則，重點(diǎn)研究不同復(fù)合構(gòu)型、不同相與相復(fù)合及其組合條件下相-相物理與化學(xué)作用的相互規(guī)律、結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料有效性能的設(shè)計(jì)與預(yù)測和界面的設(shè)計(jì)，為課題2可控復(fù)合制備理論提供依據(jù)，為課題3、4、5和6提供理論基礎(chǔ)和設(shè)計(jì)指導(dǎo)；課題2重點(diǎn)根據(jù)課題1復(fù)合構(gòu)型與界面的設(shè)計(jì)的

38、理論結(jié)果，開展先進(jìn)金屬復(fù)合材料多途徑有效可控合成制備，并為課題3、課題4和課題5提供實(shí)驗(yàn)樣品；課題3與課題2配合，是課題4、5、6的有力支撐和基礎(chǔ)，并為課題4、5提供試驗(yàn)樣品，為課題6的實(shí)施提供可行的技術(shù)途徑；課題4主要進(jìn)行先進(jìn)金屬復(fù)合材料界面結(jié)構(gòu)的綜合表征，其結(jié)果將直接反饋課題2,驗(yàn)證課題2可控制備理論的有效性；并與課題1的理論設(shè)計(jì)結(jié)果配合，為課題5的開展和深化提供試驗(yàn)基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)；課題5主要進(jìn)行結(jié)構(gòu)與性能的耦合相應(yīng)機(jī)制，驗(yàn)證課題1的理論設(shè)計(jì)結(jié)果，并反饋結(jié)果給課題2、3、4;而課題6的主要任務(wù)則是綜合上述課題1、2、3、4、5的研究結(jié)果，針對空天高技術(shù)領(lǐng)域、電子通訊的高效封裝和熱控領(lǐng)域以及高速

39、動載的陸上交通和航空運(yùn)輸領(lǐng)域?qū)p質(zhì)高強(qiáng)多功能先進(jìn)金屬復(fù)合材料重大而迫切需求，建立典型應(yīng)用示范，驗(yàn)證先進(jìn)金屬復(fù)合材料設(shè)計(jì)、制備、加工理論。通過以上研究，建立先進(jìn)復(fù)合金屬材料復(fù)合化與多功能化理論體系與技術(shù)實(shí)現(xiàn)手段，打破國外相關(guān)技術(shù)封鎖和材料禁運(yùn)，培育一批創(chuàng)新意識強(qiáng)的高水平研究開發(fā)人才，形成一系列具有前瞻性及自主知識產(chǎn)權(quán)的高新技術(shù)成果。所設(shè)立的六個課題，互相之間有機(jī)關(guān)聯(lián)，各有其研究的重點(diǎn)和側(cè)重，特別是針對所共有的共性關(guān)鍵科學(xué)問題，形成了一個整體。每個課題的具體研究內(nèi)容、目標(biāo)、承擔(dān)單位和主要人員及經(jīng)費(fèi)比例如下所示。材料領(lǐng)域力學(xué)、物理學(xué)等交叉研究領(lǐng)域界面設(shè)計(jì)、可控合成制備、耦合致多功能化機(jī)制領(lǐng)域研究側(cè)重

40、國家空天技術(shù)、電子通訊、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域?qū)p質(zhì)高強(qiáng)多功能先進(jìn)金屬基復(fù)合材料的共性重大需求國家重大需求課題1先進(jìn)金屬復(fù)合材料復(fù)合構(gòu)型及界面設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課題2先進(jìn)金屬復(fù)合材料可控復(fù)合制備理論課題3先進(jìn)金屬基復(fù)合材料塑性加工成型基礎(chǔ)I課題4先進(jìn)金屬基復(fù)合材料界面特性與演化機(jī)制J課題6先進(jìn)金屬基復(fù)合材料工程化應(yīng)用基礎(chǔ)課題5先進(jìn)金屬基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系及擬實(shí)研究研究課題與主要方向預(yù)期研究目標(biāo)以國家空天技術(shù)、電子通訊和交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域?qū)ο冗M(jìn)金屬復(fù)合材料的多重共性迫切和重大需求為背景，以鋁基、鈦基復(fù)合材料為主要研究對象，建立其制備、表征理論框架體系，發(fā)展其設(shè)計(jì)、可控制備和復(fù)合理論和工程應(yīng)用化基礎(chǔ).并實(shí)現(xiàn)典型應(yīng)用

41、。課題1:先進(jìn)金屬復(fù)合材料復(fù)合構(gòu)型及界面設(shè)計(jì)基礎(chǔ)研究目標(biāo)：充分發(fā)揮先進(jìn)金屬復(fù)合材料的可設(shè)計(jì)性，針對空天技術(shù)、交通運(yùn)輸與電子通訊等國家重大需求對先進(jìn)金屬復(fù)合材料提出的輕質(zhì)高強(qiáng)、高導(dǎo)熱低膨脹等多功能要求，充分借助先進(jìn)的方法和基礎(chǔ)理論對先進(jìn)金屬復(fù)合材料進(jìn)行復(fù)合構(gòu)型及其界面合理設(shè)計(jì)，從尺度、力學(xué)、物理與化學(xué)等層面考察材料的成分組成、空間結(jié)構(gòu)構(gòu)型、物理性能等重要參數(shù)和性質(zhì)，為發(fā)展高性能金屬基復(fù)合材料的設(shè)計(jì)與可控復(fù)合制備加工新原理、新技術(shù)提供依據(jù)。研究內(nèi)容：(1)依據(jù)不同應(yīng)用背景對先進(jìn)金屬基復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)-功能特性的不同需求，建立增強(qiáng)體與不同金屬基體物性參數(shù)、晶體學(xué)參量的篩選、體系匹配準(zhǔn)則；(2)多組元復(fù)

42、雜條件下增強(qiáng)體與金屬熔體間的化學(xué)相互作用的理論與實(shí)驗(yàn)研究，包括：外加增強(qiáng)體條件下界面反應(yīng)規(guī)律的預(yù)測，反應(yīng)勢壘涂層與金屬熔體間的化學(xué)作用規(guī)律預(yù)測與抑制方法，多組元復(fù)雜條件下原位自生增強(qiáng)體形成的熱力學(xué)與動力學(xué)機(jī)制的理論與實(shí)驗(yàn)研究；通過計(jì)算熱力學(xué)，配合關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)，建立Al基合金和Si-C的熱力學(xué)和擴(kuò)散系數(shù)數(shù)據(jù)庫，計(jì)算模擬SiC和Al基合金之間的界面反應(yīng)；針對典型的增強(qiáng)體/金屬系統(tǒng)，溫度、合金成分、氣氛、陶瓷類型等因素對潤濕性及其鋪展動力學(xué)、粘著功影響規(guī)律的理論與實(shí)驗(yàn)研究，揭示組元間界面反應(yīng)對潤濕、鋪展動力學(xué)、粘著功的影響機(jī)制；(4)第一原理計(jì)算方法與材料熱動力學(xué)相結(jié)合，不同種類增強(qiáng)體/金屬界面結(jié)合能的

43、計(jì)算與調(diào)控方法研究；(5)增強(qiáng)體的種類、形狀、含量及其組合條件下增強(qiáng)體/基體界面應(yīng)力分布及其性能影響規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究；(6)單相/多相增強(qiáng)體不同空間分布的仿生復(fù)合構(gòu)型下，金屬基復(fù)合材料宏觀力學(xué)與物理性能的計(jì)算、預(yù)測與實(shí)驗(yàn)研究。經(jīng)費(fèi)比例：15%承擔(dān)單位：上海交通大學(xué)、上海大學(xué)課題負(fù)責(zé)人：范同祥學(xué)術(shù)骨干：張帆、顧隹俊、張瀾庭、何國、魯曉剛課題2:先進(jìn)金屬復(fù)合材料可控復(fù)合制備理論研究目標(biāo)：針對先進(jìn)金屬基復(fù)合材料典型復(fù)合制備技術(shù)(熔鑄復(fù)合、粉末復(fù)合和原位自生技術(shù))中增強(qiáng)體分散、界面結(jié)合等制約復(fù)合效應(yīng)發(fā)揮的關(guān)鍵科學(xué)問題，揭示制備過程中復(fù)合組織和界面的形成機(jī)制與演化規(guī)律，優(yōu)化復(fù)合構(gòu)型及其制備工藝，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材

44、料高性能化、高可靠性和短流程、低成本可控制備，形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高性能先進(jìn)金屬基復(fù)合材料制備技術(shù)原型。研究內(nèi)容：(1)研究增強(qiáng)體特征(類型、形狀、尺寸)和數(shù)量、基體成分、增強(qiáng)體與基體熔體的潤濕性以及外場作用等對增強(qiáng)體在基體中分散行為及其對性能的影響規(guī)律，揭示增強(qiáng)體三維分布的動力學(xué)規(guī)律與機(jī)制，實(shí)現(xiàn)制備過程中增強(qiáng)體分散可控。(2)研究增強(qiáng)體與基體界面形成過程中的物理化學(xué)行為及其動力學(xué)規(guī)律，從原子尺度揭示界面結(jié)構(gòu)形成機(jī)制及界面結(jié)構(gòu)對力學(xué)性能的影響規(guī)律，實(shí)現(xiàn)復(fù)合界面結(jié)構(gòu)和結(jié)合強(qiáng)度有效調(diào)控。(3)研究反應(yīng)熱力學(xué)條件和動力學(xué)因素對原位自生增強(qiáng)體特征的影響，揭示增強(qiáng)體形核與生長機(jī)制和動力學(xué)規(guī)律，建立增強(qiáng)

45、體特征與性能的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)體特征的有效調(diào)控。(4)研究增強(qiáng)體特征和數(shù)量、基體成分、制備工藝、外場等對復(fù)合組織和缺陷形成與演化的影響，揭示復(fù)合組織形成機(jī)制與演變規(guī)律，建立復(fù)合組織與性能的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)復(fù)合組織的主動控制。(5)在增強(qiáng)體特征、增強(qiáng)體分散、復(fù)合界面和復(fù)合組織可控的基礎(chǔ)上，優(yōu)化出高性能金屬基復(fù)合材料制備工藝和參數(shù)，形成金屬基復(fù)合材料的高性能化、高可靠性和短流程、低成本可控制備的技術(shù)原型。經(jīng)費(fèi)比例：17%承擔(dān)單位：吉林大學(xué)、上海交通大學(xué)課題負(fù)責(zé)人：姜啟川學(xué)術(shù)骨干：王慧遠(yuǎn)、沈平、呂維潔課題3:先進(jìn)金屬基復(fù)合材料塑性加工成型基礎(chǔ)研究目標(biāo)：針對先進(jìn)金屬基復(fù)合材料加工成本高、大規(guī)格復(fù)雜構(gòu)件制造難、

46、以及高性能材料難加工的現(xiàn)狀，通過塑性加工成型過程中的宏微觀塑變力學(xué)行為與組織研究，揭示增強(qiáng)體/基體協(xié)調(diào)變形與交互作用對流變能力與缺陷演化的作用，在此基礎(chǔ)上闡明先進(jìn)金屬基復(fù)合材料塑性成型的理論與流變和組織調(diào)控原理，發(fā)展出有效的工藝技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)不同種類高性能金屬基復(fù)合材料構(gòu)件的低成本、高效能、多樣化加工成型。研究內(nèi)容：(1)建立復(fù)合材料的塑性變形本構(gòu)關(guān)系，研究復(fù)合材料在變形條件下的應(yīng)力應(yīng)變場與溫度場特征對復(fù)合材料的流變能力的影響，揭示復(fù)合材料變形機(jī)制；(2)研究金屬基復(fù)合材料的流變行為特征，以及增強(qiáng)體對基體合金加工硬化和回復(fù)與再結(jié)晶行為的影響，對由此引起的應(yīng)變軟化、加工硬化等特性進(jìn)行表征，闡明變形

47、過程中增強(qiáng)體與基體的相互作用與協(xié)調(diào)機(jī)理，揭示變形能力的影響因素。(3)研究金屬基復(fù)合材料塑性變形過程中的應(yīng)力應(yīng)變場對裂紋/孔洞萌生和擴(kuò)展、局部晶粒異常長大、顆粒團(tuán)聚或富集等缺陷的形成的影響。揭示加工過程中缺陷的特征種類與演化機(jī)制；(4)研究基體合金、增強(qiáng)相與界面變化行為對輸入能量的耗散行為。研究組織、缺陷形成演化與輸入能量關(guān)系，建立不同復(fù)合材料加工圖，指導(dǎo)變形工藝優(yōu)化和組織控制；(5)研究變形工藝、應(yīng)變量、構(gòu)件形狀等對流變行為、流場的影響以及微觀組織均勻性的影響機(jī)制，研究微觀組織與內(nèi)應(yīng)力的空間分布，尋求微觀結(jié)構(gòu)均勻化和內(nèi)應(yīng)力的調(diào)控機(jī)制。經(jīng)費(fèi)比例：20%承擔(dān)單位：中國科學(xué)院金屬研究所、大連理工大

48、學(xué)課題負(fù)責(zé)人：肖伯律學(xué)術(shù)骨干：馬宗義、張士宏、亢戰(zhàn)課題4:先進(jìn)金屬基復(fù)合材料界面特性與演化機(jī)制研究目標(biāo)：運(yùn)用各種微區(qū)表征新手段，結(jié)合計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，建立金屬基復(fù)合材料制備、加工、服役過程中界面形成和演變的表征和模擬方法，實(shí)現(xiàn)界面特征冶金遺傳性的動態(tài)表征和擬合，探索增強(qiáng)體和合金化元素對界面結(jié)構(gòu)及近界面微區(qū)結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響規(guī)律，闡明界面微區(qū)結(jié)構(gòu)與界面微區(qū)性能之間的關(guān)系，為設(shè)計(jì)和優(yōu)化先進(jìn)金屬基復(fù)合材料界面提供理論依據(jù)，同時為從微觀到宏觀的跨尺度性能計(jì)算擬實(shí)奠定基礎(chǔ)。研究內(nèi)容：（1）金屬基復(fù)合材料界面形成及表征：a）利用透射電子顯微分析技術(shù)（TEM）、高分辨電子顯微分析技術(shù)（HREM）等，結(jié)合電子能量損

49、失譜（EELS）、EDS等從微觀到原子尺度深入研究不同組元間界面的結(jié)合模式、位向關(guān)系、界面反應(yīng)產(chǎn)物的形態(tài)、微區(qū)成分、以及界面結(jié)合部分組元的電子結(jié)合狀態(tài)等，以研究不同組元間的結(jié)合規(guī)律；b）運(yùn)用HREM、透射掃描電子顯微鏡的高角環(huán)形暗場技術(shù)（HAADF-STEM）對共格-半共格界面的界面原子堆垛模式進(jìn)行研究，探索重構(gòu)原子堆垛模式的途徑。（2）金屬基復(fù)合材料界面的理論擬實(shí)：a）根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀測界面特征利用密度泛函理論和分子動力學(xué)方法對界面的原子匹配模式，位向關(guān)系的重構(gòu)，構(gòu)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參數(shù)即界面結(jié)合能及潤濕性對增強(qiáng)體與基體界面之間相互作用機(jī)理和影響規(guī)律；b）通過

50、原子尺度模型的性能參數(shù)建立復(fù)合材料的細(xì)觀力學(xué)和宏觀力學(xué)模型，研究力的傳遞，界面脫粘等因素對復(fù)合材料內(nèi)部微觀性質(zhì)及其宏觀力學(xué)行為的影響規(guī)律，達(dá)到對復(fù)合材料力學(xué)性能的跨尺度研究。（3）金屬基復(fù)合材料界面的冶金遺傳特性的研究：a）利用同步輻射衍射、高溫X射線衍射、共聚焦光學(xué)金相顯微鏡、配高溫臺的掃描電鏡、高溫透射電鏡等先進(jìn)測試手段，并結(jié)合瞬時中斷等技術(shù)，分析金屬基復(fù)合材料界面的冶金遺傳性特征，揭示金屬基復(fù)合材料界面形成、演變規(guī)律；b）詳細(xì)研究界面反應(yīng)產(chǎn)物、增強(qiáng)體種類、大小、含量、分布以及加工歷史（加工工藝、熱處理工藝等）等影響復(fù)合材料界面的因素對金屬基復(fù)合材料性能的影響規(guī)律。探索復(fù)合材料界面微觀組織

51、與性能原位一體化表征的技術(shù)途徑；c）利用計(jì)算機(jī)擬合技術(shù)、熱力學(xué)、動力學(xué)、第一原理等理論分析復(fù)合材料界面形成、演變規(guī)律。（4）金屬基復(fù)合材料界面微區(qū)特性的表征及研究：a）采用納米壓痕法表征界面、近界面微區(qū)力學(xué)性能（強(qiáng)度、硬度、楊氏模量、塑性應(yīng)變硬化指數(shù)）不均勻分布規(guī)律，測定不均勻性程度及不均勻區(qū)尺度；b）選用彳t束X射線衍射（XRD）、納米壓痕技術(shù)、掃描隧道顯微技術(shù)、激光顯微拉曼光譜技術(shù)等多種先進(jìn)方法，實(shí)驗(yàn)表征界面、近界面微區(qū)熱殘余應(yīng)力、應(yīng)變的不均勻分布規(guī)律，并相互驗(yàn)證，確定合適、可靠的表征方法；c）采用選定的1至2種表征方法，詳細(xì)研究組元結(jié)構(gòu)參數(shù)（包括增強(qiáng)體種類、形態(tài)、尺寸、含量、分布）以及熱

52、歷史（包括溫差變化、溫差變化速率、熱循環(huán)等）對微區(qū)特性（包括力學(xué)性能、殘余應(yīng)力等）不均勻分布的影響規(guī)律。（5）金屬基復(fù)合材料界面的性能響應(yīng)特征：a）利用同步輻射光、光學(xué)顯微鏡、SEM、TEM、XRD等手段研究材料制備、加工、服役過程各步驟中的晶粒尺寸，增強(qiáng)體種類、形態(tài)、數(shù)量、分布，裂紋的萌生、發(fā)展，界面的脫粘、破壞，織構(gòu)等組織的產(chǎn)生及變化，位錯的形態(tài)、性質(zhì)、運(yùn)動、糾纏等；b）研究材料宏觀性能，包括各種常溫力學(xué)性能、高溫力學(xué)性能、低溫力學(xué)性能、斷裂性能、蠕變性能、疲勞性能、超塑性性能、熱傳導(dǎo)性能等等，揭示復(fù)合材料界面與性能之間的內(nèi)在關(guān)系。經(jīng)費(fèi)比例：10%承擔(dān)單位：哈爾濱工業(yè)大學(xué)、西安交通大學(xué)課題

53、負(fù)責(zé)人：耿林學(xué)術(shù)骨干：張學(xué)習(xí)、李愛濱、張國君課題5:先進(jìn)金屬基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系及擬實(shí)研究研究目標(biāo)：以研究復(fù)合結(jié)構(gòu)與性能內(nèi)在關(guān)系：耦合響應(yīng)及非均質(zhì)材料的細(xì)觀力學(xué)為基礎(chǔ)，表征不同增強(qiáng)體種類、含量、形狀、尺度、分布、取向和不同復(fù)合狀態(tài)，探索復(fù)合材料的增強(qiáng)與失效機(jī)制、服役條件下材料的變形行為，建立不同增強(qiáng)體特征的復(fù)合材料力學(xué)、物理模型，結(jié)合復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)、性能及界面特征，擬實(shí)復(fù)合響應(yīng)規(guī)律，預(yù)測復(fù)合材料性能，構(gòu)筑先進(jìn)復(fù)合材料的物理和力學(xué)性質(zhì)的設(shè)計(jì)、表征、評價和驗(yàn)證支撐平臺，實(shí)現(xiàn)材料力學(xué)性能與材料制備相互間的可控設(shè)計(jì)，為先進(jìn)金屬基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。研究內(nèi)容：(1)材料的增強(qiáng)與失效機(jī)制

54、，包括：在實(shí)現(xiàn)各尺度增強(qiáng)復(fù)合材料制備的基礎(chǔ)上，對復(fù)合材料的強(qiáng)化和失效機(jī)制進(jìn)行系統(tǒng)地實(shí)驗(yàn)研究。重點(diǎn)明確不同構(gòu)型復(fù)合材料的強(qiáng)化與失效機(jī)制。在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，揭示增強(qiáng)體特征、含量、分布對復(fù)合材料力學(xué)性能和物理性能的影響規(guī)律，闡明界面的結(jié)合狀態(tài)(機(jī)械/物理結(jié)合界面、化學(xué)結(jié)合界面)對復(fù)合材料性能的影響機(jī)理。(2)服役條件下材料的變形行為，包括：對新型復(fù)合材料的變形行為進(jìn)行系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，在現(xiàn)有理論基礎(chǔ)上建立一種可應(yīng)用于不同尺度增強(qiáng)復(fù)合材料的本構(gòu)關(guān)系模型。研究非連續(xù)增強(qiáng)復(fù)合材料材料在不同服役條件下的力學(xué)行為，重點(diǎn)是溫度場和力場協(xié)同作用下復(fù)合材料材料的變形行為，與服役條件下材料微觀結(jié)構(gòu)的變化建立聯(lián)系，明確其變

55、形機(jī)制。（3）近界面微區(qū)結(jié)構(gòu)與宏觀力學(xué)行為的耦合規(guī)律，包括：復(fù)合材料近界面基體微區(qū)結(jié)構(gòu)（界面相、基體織構(gòu)、亞結(jié)構(gòu)等）在塑性變形過程中的演化規(guī)律，近界面微區(qū)結(jié)構(gòu)與特性（模量、硬度等）的梯度分布對復(fù)合材料宏觀力學(xué)行為（微屈服、塑性流變、裂紋萌生和擴(kuò)展）的影響規(guī)律，近界面微區(qū)結(jié)構(gòu)及特性的梯度分布對復(fù)合材料物理性能（熱導(dǎo)、熱膨脹、電導(dǎo)）的影響規(guī)律。力學(xué)、物理建模及復(fù)合響應(yīng)行為的擬實(shí)研究，包括：對非連續(xù)增強(qiáng)復(fù)合材料代表性體積單元（RVE）進(jìn)行表征，通過隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生的方法確定均勻和非均勻分布下材料增強(qiáng)相的位置。在RVE的層次上進(jìn)行力學(xué)性能分析，理解增強(qiáng)相的形狀、體積分?jǐn)?shù)等因素在復(fù)合材料中的具體作用?；贑a

56、uchy-Born準(zhǔn)則建立原子尺度到連續(xù)介質(zhì)尺度下材料分析的多尺度模型。實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的彈塑性分析及破壞的數(shù)值模擬，明確其增強(qiáng)和失效機(jī)制。實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料材料在服役條件下的復(fù)合響應(yīng)行為的擬實(shí)計(jì)算和性能預(yù)測。經(jīng)費(fèi)比例：15%承擔(dān)單位：上海交通大學(xué)、華中科技大學(xué)課題負(fù)責(zé)人：張荻學(xué)術(shù)骨干：李志強(qiáng)、王浩偉、張德良、張文龍、曾小勤、吳樹森課題6:先進(jìn)金屬基復(fù)合材料工程化技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)研究目標(biāo)：針對國家重大戰(zhàn)略需求、選擇在關(guān)鍵場合下服役所要求的典型先進(jìn)金屬基復(fù)合材料，以上述先進(jìn)金屬復(fù)合材料設(shè)計(jì)、制備、加工理論為指導(dǎo)，建立滿足工程應(yīng)用需求的高效率、低成本、高可靠性批量化制備加工技術(shù)的理論框架，實(shí)現(xiàn)數(shù)種典型先進(jìn)金屬基復(fù)合材料的全流程可控制備技術(shù)原型，研制和提供高性能、高可靠性、大尺寸及形狀復(fù)雜的輕質(zhì)高強(qiáng)多功能的先進(jìn)金屬基復(fù)合材料構(gòu)件，并在我國的空天、電子通訊及交通領(lǐng)域得到應(yīng)用和驗(yàn)證。研究內(nèi)容：(1)面向國家重大需求的典型金屬基復(fù)合材料坯錠的制備加工與質(zhì)量控制技術(shù)研究。以先進(jìn)金屬基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與性能耦合及調(diào)控理論成果為基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計(jì)復(fù)合材料構(gòu)型、組分及界面等，以目標(biāo)構(gòu)件性能、尺寸規(guī)格和使用工況為導(dǎo)向，基于基礎(chǔ)研究成果，優(yōu)化先進(jìn)金屬基復(fù)合材料實(shí)用構(gòu)件坯錠的制備工藝；以超聲波無損探傷技術(shù)為主，結(jié)合其它檢測手段，系統(tǒng)研究復(fù)合材料內(nèi)部缺陷表征及其與性能的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)工程化大尺寸復(fù)合材