铜基复合材料的构型多功能化

金属基复合材料(MMCs)由于其优异的性能,在空天、交通、电子、能源等领域的应用中具有不可替代的作用。随着科学技术的发展,单一高性能的金属基复合材料常不能满足越来越复杂的使役条件,亟需发展综合性能优异、多功能协同的新型金属基复合材料。然而,不同性能之间由于多种增强机制耦合,其解耦调控困难,使得它们呈现倒置关系。近年来,通过调控增强体在金属基体中的空间分布,即对复合构型开展研究,充分发挥复合材料的可设计性,最终实现金属基复合材料的多性能之间的协同,已成为该领域发展的重要趋势。本文在本研究团队前期关于金属材料构型化复合的研究基础上,以纳米碳/铜基复合材料为典型范例,对我们在该类新型材料研究中通过复合构型设计实现结构-功能一体化的最新进展,即"微纳砖砌"构型对强度-塑韧性-导电性能的协同进行了总结和介绍,并对该领域的发展趋势进行了展望。     

面向未来应用的金属基复合材料

规模化应用促使金属基复合材料研发向更高强度、良好塑韧性和工艺性的方向迈进。围绕该目标,近年来的研究重点主要以多尺度强化、纳米碳材料增强以及非均质构型设计等为特点。介绍了金属基复合材料相关的研究进展,指出超细晶、超细颗粒协同强化可以获得高强度与良好塑韧性,进一步通过双尺度增强相强化可以兼顾模量等综合性能;纳米碳材料综合性能极高,对金属的强化具有高效与多样化特性;非均质构型在充分发挥纳米碳和陶瓷相的增强作用、挖掘复合材料性能极限方面体现了极高的可行性。同时也指出了这些研究面临的挑战,以及未来开展构型仿真、纳米碳-金属界面模拟研究以及发展必须的宏量制备技术的必要性。可以预见,金属基复合材料的研发已经进入新阶段,并已成为高性能材料发展的一个重要方向。     

混杂增强金属基复合材料增强相预制块的研究进展

混杂增强金属基复合材料是一种刚刚发展起来的新材料，它在各个领域已得到应用。对混杂增强金属基复合材料增强相预制块从不同方面进行了详细的介绍，对混杂增强金属基复合材料增强相预制块制备工艺技术、粘结剂类别、烘干烧结工艺等研究现状进行了综述，指出了预制块制备中存在的问题，提出了今后的发展方向。     

金属基混杂复合材料的研究进展

本文综述了金属基混杂复合材料的研究进展。着重介绍了各种金属基混杂复合材料的发展背景、组成、工艺方法和性能特点,并对其发展前景作了分析,认为纤维与颗粒混杂增强的金属基复合材料和树脂基复合材料与铝合金的超混杂复合材料是最具活力的品种。     

金属基复合材料的力学行为及失效方式(中)

2 金属基复合材料的断裂性能及其测定方法 2.1 金属基复合材料的韧性及其测量方法 (1) 金属基复合材料的韧性金属基复合材料具有高的强度和工作温度等优异性能已被人们广泛认识,尤其是铝基复合材料。但从目前金属基复合材料的研究和发展来看,有一个共同的特点,就是韧性较低(见表4)。因此,如何通过设计及工艺参数优化提高金属基复合材料的韧性是金属基     

金属材料的构型复合化

复合化是金属材料实现高性能化的有效途径,但传统的金属基复合材料多以相与组织在空间的均匀分布为特征,没有充分考虑到材料的复合构型效应,因此不能最大程度地发挥不同组分之间的协同、耦合和多功能响应机制。近年来,国内外的材料科学家逐渐认识到复合构型(Architecture)对于金属基复合材料强韧化的重要作用,并进行了一些探索研究,发现"非均匀"复合构型更有利于发挥复合设计的自由度和复合材料中不同组元间的协同耦合效应,从而发掘金属基复合材料的性能潜力。首先综述了金属材料构型复合化的研究进展,进而以复合构型的优化设计为切入点,提出可以通过借鉴生物结构材料中的精细复合构型,来制备具有优异综合力学性能的金属基复合材料。该研究理念在石墨烯-Al,碳纳米管-Al等材料体系中得到了验证,所制备的复合材料具有良好的强度与塑性/韧性匹配。最后,展望了金属材料构型复合化的发展趋势,指出可采用先进的微纳米尺度测量技术结合显微结构表征的方法,以准确揭示非均匀复合结构的性能响应机理,阐明其构-效关系,为复合构型的进一步优化设计与精确"剪裁"提供途径与方法。     

热管理用金属基复合材料的应用现状及发展趋势

从不同种类金属基复合材料的性能特点、国内外主流企业与主要产品、典型热管理应用等几方面,综述了近年来金属基复合材料在热管理领域的实际应用现状,并展望了金属基复合材料在应对未来高功率密度热管理需求的发展方向。基于高导热、低膨胀的共性特征,硅/铝、碳化硅/铝、碳纤维/铝等铝基复合材料以轻质、低成本、可加工的性能优势,在航空航天、交通运输领域得到了广泛应用;而碳纤维、碳化硅、金刚石等增强铜基复合材料则凭其高的环境耐受性和稳定性,在军事国防领域逐渐崭露头角。针对电子器件功率密度的持续攀高,国家重点研发计划已立项专门开展超高热导率(≥800 W/(m·K))金属基复合材料的研制,纳米尺度复合界面改性设计、新型复合构型化及超高导热增强体的发展,可能引领热管理领域新的研究热点。     

含脆性界面相的颗粒增强金属基复合材料的损伤

通过引入双夹杂模型,将传统增量损伤理论扩展应用到三相复合材料颗粒尺寸效应问题,同时提出一个可以研究颗粒增强金属基复合材料的弹塑性变形及渐进式脱黏损伤模型,该模型还可以研究含脆性界面相的颗粒增强金属基复合材料弹塑性损伤变形行为的颗粒尺寸效应。研究发现,包含各种不同颗粒尺寸的颗粒增强金属基复合材料的脱黏损伤按照颗粒尺寸从大到小的顺序先后发生,并且该模型与SiC/Al复合材料的试验结果比较一致。     

高效热管理用金属基复合材料研究进展

从高导热复合构型、高导热复合界面及新型高导热纳米碳增强体3个方面,综述了热管理用铜基和铝基功能复合材料的研究进展,并对高导热金属基复合材料的未来发展方向进行了预测与展望.在材料组分相同的情况下,基于金属基体与导热增强体之间复合构型和复合界面的差异,制备的金属基复合材料的导热与热膨胀性能会发生显著变化.此外,由于纳米增强体与基体在形貌、尺寸及表面化学性质等方面的不相容性,在新型高导热金属基纳米复合材料的研发过程中,更需要兼顾高导热复合构型与复合界面的优化设计.可以预言,采用碳纳米管、石墨烯纳米片等新型纳米碳增强体,设计与制备具有微/纳米跨尺度分级复合构型的金属基复合材料将成为未来的研究热点.     

金属基复合材料的构型强韧化研究进展

构型设计是解决金属基复合材料强度与塑性(韧性)倒置关系的一种重要途径,揭示构型设计对复合材料力学行为的影响规律是实现复合材料可设计、可调控的关键。金属基复合材料的构型设计不仅产生了组元相的微观组织的变化,同时也导致了受载条件下局域应变(应力)状态的改变,局域应变(应力)状态的变化将会明显影响金属基复合材料的力学特性。同步辐射X射线、中子衍射、数字图像关联技术的快速发展为我们原位分析复合材料的局域应变(应力)演化行为提供了有力手段,使我们可以建立起"局域应变(应力)演化"-"强韧化机制"-"构型化设计"三者的关系,将有助于提升调控复合材料性能的能力。本文介绍了构型强韧化金属基复合材料的研究进展,提出基于局域应变测量的复合材料构型强韧化机制研究思路,并论述了构型化设计在金属间化合物基复合材料中的典型应用。     

石墨烯增强金属基复合材料界面研究进展

金属基复合材料是由高强度增强相与金属基体组成,因具备优良的综合性能,在各领域内展现出广阔的应用潜力。与常规增强相不同,石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角呈蜂巢状晶格的二维碳纳米材料,因其独特的结构而具有优异的电学、力学、热学和光学等特性。石墨烯增强金属基复合材料已经成为先进复合材料领域的研究热点,而对于金属基复合材料,其综合性能与界面的结构和性质关联密切。从近年来石墨烯增强金属基复合材料界面微观组织及理论研究出发,对常见石墨烯增强金属基复合材料体系的界面结构及力学性能进行总结,同时总结计算机模拟手段在分析界面结构、界面结合强度以及界面微观断裂机制等方面的进展,为设计和优化金属基复合材料界面提供理论依据。     

金属基复合材料的高应变速率超塑性

综述并评论了金属基复合材料的高应变速率超塑变形机制，描述了金属基复合材料在高应变速率超塑变形中的一些理化现象，说明了变形过程中的各种影响因素，总结了具有高应变速率超塑性能的金属基复合材料及其性能，并指出了在金属基复合材料的高应变速率超塑性研究方面的不足。     

构型化金属基复合材料有限元建模技术

越来越多的研究发现增强体空间构型分布有望成为金属基复合材料强韧性倒置问题的有效解决办法。然而,构型设计要素种类繁多,除传统结构设计要素外,还包括增强体分布特征等结构参数。因此,仅靠传统的实验手段已无法满足复合材料构型设计的研究需求,借助有限元模拟探索各构型要素对复合材料性能的影响规律可作为试验研究的前提和有效补充。基于三维几何模型的有限元模拟技术,将增强体分布特征引入复合材料三维几何模型中,再引入各组分的物理及力学性能,则能够对构型化复合材料的变形与断裂行为进行模拟,并预测其力学性能。首先回顾了数值模拟颗粒增强金属基复合材料的几何和数值模型构建方法,然后对网状结构构型化复合材料有限元模拟工作的研究现状进行了介绍,最后对构型化复合材料有限元模拟工作的未来发展进行了展望。     

纤维/混杂纤维-矿渣地质聚合物复合材料的弯曲强度与弯曲韧性

碱激发矿渣地质聚合物存在脆性大、韧性差、易开裂等缺陷。利用纤维/混杂纤维对矿渣地质聚合物进行改性,以纤维-矿渣地质聚合物复合材料的弯曲强度与弯曲韧性作为考察指标,分析了3种单一纤维及2种混杂纤维对矿渣地质聚合物的增强与增韧效果。研究结果表明,碳纤维增强效果优于钢纤维、玄武岩纤维,钢纤维增韧效果优于碳纤维、玄武岩纤维,而玄武岩纤维增强及增韧效果相对较差;碳纤维与钢纤维混杂,可充分发挥碳纤维的增强效应和钢纤维的增韧效应,适当掺量下混杂纤维较单一纤维具有更好的增强与增韧效果;纤维与浆料的容重差对矿渣地质聚合物硬化体的均质性具有重要影响,碳纤维与钢纤维混杂可显著降低不同加载方向下矿渣地质聚合物弯曲强度与弯曲韧性的离散性。     

喷射共沉积颗粒增强金属基复合材料的研究现状与进展

作为一种综合了铸造与粉末冶金优点制备近成形颗粒增强金属基复合材料的方法,喷射共沉积技术及其应用受到了广泛的关注。本文综述了喷射沉积颗粒增强金属基复合材料的发展现状;介绍了喷射共沉积技术的原理;讨论了喷射共沉积过程中金属液体对增强相的捕获机理和凝固前沿对颗粒的捕获问题;介绍了喷射沉积颗粒增强金属基复合材料的装置及工艺参数的控制;着重介绍了喷射沉积材料的组织性能及致密化工艺,提出通过旋球同步预致密后再分别进行往复镦-挤和等径角挤压实现沉积坯的大塑性变形达到完全致密与冶金结合;指出了喷射沉积金属基复合材料将向组织均匀化、韧性化、完全致密化方向发展。     

纳米碳/铝复合材料强韧化研究现状及展望

以碳纳米管、石墨烯为代表的超高性能纳米碳,具有优越的力、热、电等综合性能,是复合材料的理想增强体,以纳米碳为强化相少量加入到铝中,有望开发出高强、高模、低热膨胀的复合材料,并使复合材料保持轻质、易加工等特性,在航空、航天、国防等领域具有重大的应用前景,因而以纳米碳/铝为代表的新一代铝基复合材料备受关注。然而,碳纳米管等纳米碳易团聚,与铝等大多数金属并不浸润,且容易分布在晶界上诱导显著的晶粒细化,使得复合材料的强韧性等关键性能指标提升困难,或者使强度提高的同时使塑韧性下降显著,限制了其工程应用潜力。综述近年来国内外研究者在纳米碳/铝复合材料强韧化方面的策略和方法,包括纳米碳分散、界面和构型调控等,以期推动新一代轻质高强纳米碳/铝复合材料的发展,支撑国家未来重大工程应用。     

石墨烯增强金属基航空复合材料研究进展

本文综述了石墨烯增强金属基航空复合材料的研究现状,归纳了该种复合材料的制备方法,讨论了石墨烯对其性能的影响及机制。指出目前高含量、排列石墨烯增强金属基航空复合材料的研究还比较缺乏,涉及的工艺参数、组织结构、界面化学及高温物理性能等相关问题仍需进一步研究,并提出未来的研究重点应由制备方法等工艺性探讨向微观复合构型设计的思路转变。     

碳纳米管增强铜基复合材料性能及产业化应用研究现状

碳纳米管(CNT)增强铜基复合材料作为一种新型金属基复合材料,在集成电路、航天航空、汽车运输等领域展现了广阔的应用前景。综述了碳纳米管增强铜基复合材料摩擦学、电学、热物理学等性能方面的研究及应用状况;分析了国内外产业化应用及其发展状况;指出了目前研究中存在的问题及其解决办法。     

颗粒增强金属基复合材料涂层的制备及其特性与应用

针对复合材料涂层的相关问题, 综述了颗粒增强金属基复合材料涂层的制备技术及其特性的研究进展。重点描述了电热爆炸超高速喷涂技术及电刷镀技术制备颗粒增强金属基复合材料涂层的发展现状、涂层组织结构和力学性能研究进展, 概述了颗粒增强金属基复合材料涂层的工程应用领域及其未来发展方向。     

金属基复合材料的世界市场

在过去20年里,金属基复合材料经历了很多变化。整个80年代,这个领域处在一片匆忙之中,研究机构取得了各种金属基复合材料有前景的数据,建立新公司,很多公司着手复合材料的开发规划,一些个别的早期复合材料零件在商业和军事上取得成功,所有这一切给人们带来了这样的希望:到2000年MMCs金属基复合材料的市场规模达到1.5亿美元。下面介绍一下金属基复合材料的工业结构及市场。 工业结构 北美大约有15家公司生产铝基复合材料。其中大部分公司采用各种略有不同的浸渗浇铸法制造SiC颗粒增强铝基复台材料。阿尔坎（AIcan）工程铸造产品公