武高輝

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 金屬?gòu)?fù)合材料與工程研究所，黑龍江 哈爾濱150001)

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金屬基復(fù)合材料性能設(shè)計(jì)
——?jiǎng)?chuàng)新性思維的嘗試

武高輝

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 金屬?gòu)?fù)合材料與工程研究所，黑龍江 哈爾濱150001)

摘要：空間技術(shù)、信息技術(shù)等現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展對(duì)材料性能提出了前所未有的挑戰(zhàn)。金屬基復(fù)合材料可以通過(guò)選擇不同種類(lèi)、不同形態(tài)的增強(qiáng)體和不同力學(xué)、化學(xué)、物理特性的基體，通過(guò)調(diào)整二者的分布和結(jié)合方式，便可以獲得豐富多彩的材料性能和功能。金屬基復(fù)合材料的可設(shè)計(jì)性是迎接這種挑戰(zhàn)的巨大優(yōu)勢(shì)，因此其性能與功能的設(shè)計(jì)研究會(huì)是金屬基復(fù)合材料研究的大趨勢(shì)。從研究思路和實(shí)際效果等方面簡(jiǎn)要介紹了近期在金屬基復(fù)合材料性能設(shè)計(jì)研究中的幾項(xiàng)典型案例，包括高尺寸穩(wěn)定性設(shè)計(jì)、自潤(rùn)滑功能設(shè)計(jì)和高溫恒剛度設(shè)計(jì)等，證明了金屬基復(fù)合材料性能與功能設(shè)計(jì)對(duì)促進(jìn)材料研究進(jìn)步的有效性，相關(guān)深入的基礎(chǔ)理論分析將在其他研究論文中詳述。

關(guān)鍵詞：金屬基復(fù)合材料；性能設(shè)計(jì)；尺寸穩(wěn)定性；自潤(rùn)滑；恒彈性

1前言

1963年，美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)成功制備了鎢絲增強(qiáng)銅復(fù)合材料[1]，以此為標(biāo)志，人類(lèi)開(kāi)辟了金屬基復(fù)合材料的新時(shí)代。經(jīng)過(guò)50余年的發(fā)展，金屬基復(fù)合材料出現(xiàn)了連續(xù)纖維增強(qiáng)、不連續(xù)增強(qiáng)與顆粒增強(qiáng)以及混合強(qiáng)化等形式。作為一種性能優(yōu)異的新型材料，已經(jīng)在國(guó)防、能源、交通運(yùn)輸、電子、通訊等領(lǐng)域起到了輕量化、高性能化的重要作用。

金屬基復(fù)合材料是采用人工的方法，將不同尺寸、不同形態(tài)(包括纖維、晶須、顆粒、納米增強(qiáng)體等)的增強(qiáng)體加入到金屬基體中制成的新型材料，能夠發(fā)揮出基體金屬和增強(qiáng)體各自的優(yōu)點(diǎn)，通常期望的性能大多是合金材料所不具有的，包括高比剛度、高比強(qiáng)度、尺寸穩(wěn)定性、自潤(rùn)滑特性、低膨脹、高導(dǎo)熱等。金屬基復(fù)合材料最大的特點(diǎn)就是可以根據(jù)應(yīng)用背景需求對(duì)材料性能進(jìn)行設(shè)計(jì)。多數(shù)增強(qiáng)體為無(wú)機(jī)非金屬材料、碳材料等，基體為有特定強(qiáng)塑性和熱物理性能的輕金屬。兩者的種類(lèi)形態(tài)多種多樣，通過(guò)對(duì)其分布和結(jié)合方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，便可以獲得所需的材料性能和功能。這種基于應(yīng)用需求的性能可設(shè)計(jì)性，正是金屬基復(fù)合材料的生命力所在。

本文簡(jiǎn)要介紹了在金屬基復(fù)合材料性能設(shè)計(jì)方面的幾項(xiàng)實(shí)踐與體會(huì)，有關(guān)詳細(xì)的理論表述請(qǐng)參見(jiàn)作者的相關(guān)論文。

2金屬基復(fù)合材料性能與功能設(shè)計(jì)

2.1儀表級(jí)SiCp/Al復(fù)合材料尺寸穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

航天飛行器的高制導(dǎo)精度和長(zhǎng)壽命對(duì)慣性器件的尺寸穩(wěn)定性要求越來(lái)越高，世界先進(jìn)技術(shù)國(guó)家均競(jìng)相致力于開(kāi)發(fā)適用于慣性器件的新材料。理想的慣性器件材料應(yīng)具有高彈性模量、高微屈服強(qiáng)度、高動(dòng)態(tài)尺寸穩(wěn)定性、與鋼匹配的熱膨脹系數(shù)、高導(dǎo)熱率以及易于精密加工等性能。第一代慣性器件材料(鋁合金)由于彈性模量低、微屈服強(qiáng)度低、熱膨脹系數(shù)大，動(dòng)態(tài)尺寸穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)，已不能滿足慣性系統(tǒng)高精度的要求。美國(guó)于20世紀(jì)70年代初開(kāi)始使用第二代慣性器件材料(鈹材)，使陀螺儀表的精度提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。但由于鈹材存在“毒、貴、脆”等本質(zhì)缺陷，使其應(yīng)用受到局限。20世紀(jì)80年代初，美國(guó)開(kāi)始在慣性系統(tǒng)中使用SiCp/Al復(fù)合材料。值得說(shuō)明的是，美國(guó)依據(jù)其性能特點(diǎn)，將SiCp/Al復(fù)合材料劃分為結(jié)構(gòu)級(jí)、電子級(jí)、儀表級(jí)和光學(xué)級(jí)4類(lèi)。美國(guó)的應(yīng)用表明儀表級(jí)SiCp/Al復(fù)合材料具有高彈性模量、與鋼匹配的熱膨脹系數(shù)、微屈服抗力甚至超過(guò)鈹，被稱(chēng)為第三代慣性?xún)x表材料。但是其設(shè)計(jì)原理、成分配比以及穩(wěn)定化處理工藝未見(jiàn)公開(kāi)報(bào)導(dǎo)。作者研究分析了鋁合金尺寸穩(wěn)定性的基本原理，從材料設(shè)計(jì)角度出發(fā)，開(kāi)發(fā)了我國(guó)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的儀表級(jí)金屬基復(fù)合材料。

通過(guò)對(duì)鋁合金尺寸不穩(wěn)定的機(jī)理研究，作者發(fā)現(xiàn)析出相析出引起的比容變化、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和熱殘余應(yīng)力的釋放是導(dǎo)致鋁合金尺寸發(fā)生變化的主要原因。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合慣性?xún)x表材料的性能要求，確定了以下設(shè)計(jì)要素：①組織穩(wěn)定：位錯(cuò)密集、形態(tài)穩(wěn)定或者無(wú)位錯(cuò)；②相穩(wěn)定：設(shè)計(jì)合金成分使之產(chǎn)生的析出相比容變化小,在服役之前的處理中使時(shí)效析出盡量充分,抑制界面反應(yīng)；③應(yīng)力穩(wěn)定：材料的宏觀應(yīng)力、微觀應(yīng)力都要均勻且穩(wěn)定；④材料微屈服強(qiáng)度要高；⑤界面潔凈、結(jié)合良好；⑥晶粒細(xì)化；⑦優(yōu)良的熱處理性能。

經(jīng)過(guò)大量的理論分析與實(shí)踐總結(jié)，作者發(fā)現(xiàn)，儀表級(jí)復(fù)合材料設(shè)計(jì)的首要條件是采用細(xì)小的顆粒強(qiáng)化，這項(xiàng)設(shè)計(jì)要素帶來(lái)的是豐富的尺寸效應(yīng)[2]:

微屈服強(qiáng)度提高顆粒尺寸減小直接引起顆粒間距減小,從而增加幾何必需位錯(cuò)的密度，這對(duì)于細(xì)小顆粒來(lái)說(shuō)表現(xiàn)得更加顯著，以幾何必需位錯(cuò)的增殖為依據(jù)，作者團(tuán)隊(duì)推導(dǎo)出微屈服強(qiáng)度與顆粒尺寸的關(guān)系如式(1)：

(1)

金屬基復(fù)合材料的微變形集中發(fā)生在基體中，因此可以將問(wèn)題集中在基體的變形問(wèn)題上。基體的拉伸變形抗力σm正比于基體剪切模量Gm，其和基體中總位錯(cuò)密度ρT的關(guān)系，如式(2)：

(2)

總位錯(cuò)密度分為兩部分，統(tǒng)計(jì)儲(chǔ)存位錯(cuò)密度ρS和幾何必需位錯(cuò)密度ρG，而幾何必需位錯(cuò)密度對(duì)顆粒尺寸十分敏感，ρG可以表示為式(3)：

(3)

(4)

殘余應(yīng)力的均勻化研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)SiC顆粒的尺寸大于一定尺寸之后便喪失了尺寸穩(wěn)定性特性，主要原因是微觀熱錯(cuò)配應(yīng)力大，導(dǎo)致基體中殘余拉應(yīng)力，如圖1a所示。細(xì)小顆粒引起的微觀組織結(jié)構(gòu)和應(yīng)力分布的巨大變化如圖1b所示。

圖1　SiCp/Al復(fù)合材料微觀組織：(a)微米級(jí)顆粒和(c)亞微米級(jí)顆粒,(b)和(d)分別為微米級(jí)和亞微米級(jí)顆粒周?chē)臍堄鄳?yīng)力模擬結(jié)果Fig.1　Microstructure of SiCp/Al composites：(a)micron and(c)sub-micron particles,(b)and(d)are the simulation results of the residual thermal stress in micron and sub-micron SiCp/Al composites, respectively

在相同的體積分?jǐn)?shù)下，顆粒尺寸減小10倍(如20 μm減小到2 μm)，單位體積內(nèi)的顆粒數(shù)量增加1 000倍，顆粒間距減小100倍，彌散度大大增加，復(fù)合材料增強(qiáng)體邊界的熱殘余應(yīng)力分布更加均勻，微觀應(yīng)力集中得到大大緩解，這對(duì)于材料應(yīng)力穩(wěn)定是必要的。

顆粒界面活性增加、界面結(jié)合強(qiáng)度提高顆粒越小表面積越大，裸露于表面的不完整晶面越多，這給與基體金屬的界面結(jié)合提供了更大的概率。配合制備工藝的優(yōu)化控制，使液態(tài)鋁合金與SiC顆粒界面實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的界面結(jié)合 (如圖2b和c所示)，保證了較高的微屈服強(qiáng)度和良好的機(jī)械加工性[3]。

圖2　儀表級(jí)SiCp/Al復(fù)合材料微觀組織：(a)組織形貌，(b)和(c)界面Fig.2 Microstructure of instrument grade SiCp/Al composites：(a)morphology，(b) and (c)interface between SiC particulates and Al matrix

基體被硬質(zhì)點(diǎn)詳細(xì)地分割顆粒細(xì)小的尺寸效應(yīng)使得基體被硬質(zhì)點(diǎn)詳細(xì)地分割，從而在微變形過(guò)程中的應(yīng)變分布更加廣闊。減小應(yīng)變集中是提高基體微屈服強(qiáng)度、提高蠕變抗力的有效組織條件。

此外，復(fù)合材料的尺寸穩(wěn)定性主要是在低應(yīng)力下微小變形的問(wèn)題，這取決于基體的組織穩(wěn)定性和相穩(wěn)定性。通過(guò)熱處理工藝的優(yōu)化，一方面使析出相充分且細(xì)小彌散析出(圖3b和d)，另一方面使線性位錯(cuò)纏結(jié)或演化為胞狀位錯(cuò)，提高可動(dòng)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)阻力，減少可動(dòng)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)距離，從而提高材料的相穩(wěn)定和組織穩(wěn)定性。

目前作者團(tuán)隊(duì)研制的儀表級(jí)SiCp/Al復(fù)合材料的微屈服強(qiáng)度已高于國(guó)外進(jìn)口的第二代慣性?xún)x表材料(鈹材)，其在交變溫度下的尺寸穩(wěn)定性比鋁合金高出一個(gè)數(shù)量級(jí)，且優(yōu)于鈹材。就儀表級(jí)復(fù)合材料的實(shí)用性來(lái)說(shuō)，精密加工特性是首要的，它與材料設(shè)計(jì)相關(guān)，需要較小的顆粒尺寸和良好的界面結(jié)合。圖4是精密加工的液浮陀螺浮筒，主體部位厚度為0.5 mm，旁邊是加工的車(chē)屑，呈連續(xù)狀，表明精密加工特性良好，證明了儀表級(jí)復(fù)合材料設(shè)計(jì)是成功的。

圖3　SiCp/Al復(fù)合材料微觀組織：(a)T6處理后析出相形貌,(b)穩(wěn)定化工藝處理后的析出相形貌，(c)T6處理后基體中的線性位錯(cuò),穩(wěn)定化工藝處理后的位錯(cuò)纏結(jié)(d)和胞狀位錯(cuò)(e)Fig.3　Microstructure of SiCp/Al composites： precipitates (a) after T6 treatment and (b) after stabilization treatment；(c)linear dislocations after T6 treatment and (d)dislocation tangles and (e)cellular dislocations after stabilization treatment

圖4　儀表級(jí)SiCp/Al復(fù)合材料薄壁零件Fig.4　Thin-walled parts of instrument grade SiCp/Al composites

2.2TiB2/Al復(fù)合材料自潤(rùn)滑功能設(shè)計(jì)

很多高精度滑動(dòng)摩擦副要求高潔凈環(huán)境(如氣浮動(dòng)壓軸承不允許使用潤(rùn)滑劑)。傳統(tǒng)的固體潤(rùn)滑劑一般采用石墨、二硫化鉬、聚四氟乙烯(PTFE)等物質(zhì)作為潤(rùn)滑相，這類(lèi)摩擦副在使用和長(zhǎng)期貯存過(guò)程中存在磨損物濺落和失效的問(wèn)題[4]。進(jìn)行軸承表面改性，如表面生成類(lèi)金剛石自潤(rùn)滑膜層是一種有效的方法，但是膜層厚度較薄，對(duì)使用壽命和可靠性有影響。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者期望有一種材料既具有較高的力學(xué)性能，又具有自潤(rùn)滑特性。針對(duì)這一需求，作者團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了在整體復(fù)合材料上，原位生成潤(rùn)滑劑，解決這一難題。

受到TiB2陶瓷具有自潤(rùn)滑特性的啟發(fā)，作者團(tuán)隊(duì)嘗試制備了TiB2顆粒增強(qiáng)Al復(fù)合材料，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)驗(yàn)總結(jié)和理論分析[5-6]，發(fā)現(xiàn)了如下的材料設(shè)計(jì)規(guī)律：

TiB2在空氣中與氧氣發(fā)生如式(5)所示的反應(yīng)，生成TiO2和B2O3，B2O3遇水生成H3BO3，起到了減磨自潤(rùn)滑效果，并且TiO2本身具有一定的潤(rùn)滑作用。

TiB2+5/2O2→B2O3+TiO2

(5)

實(shí)驗(yàn)首先對(duì)TiB2顆粒進(jìn)行預(yù)氧化處理，再用壓力浸滲法制備TiB2p/Al復(fù)合材料。圖5為T(mén)iB2顆粒氧化前后的形貌對(duì)比以及氧化后表面產(chǎn)物分析[7-8]。氧化前的TiB2顆粒呈等軸狀,顆粒表面干凈且棱角清晰(圖5a)，經(jīng)預(yù)氧化處理后，顆粒的表面出現(xiàn)了細(xì)小的氧化物(圖5b)[7]。通過(guò)TEM和HRTEM分析可知，TiB2顆粒發(fā)生氧化后，在表面生成了一層由微晶TiO2和非晶B2O3組成的氧化層。

在制備TiB2p/Al復(fù)合材料中，預(yù)氧化處理的TiB2顆粒與Al基體的邊界已不清晰，顆粒周?chē)鷧^(qū)域存在大量的細(xì)小物質(zhì)，部分散落在近界面區(qū)內(nèi)(圖6a)[8]。經(jīng)過(guò)HRTEM觀察分析，在TiB2顆粒與Al基體的界面區(qū)發(fā)現(xiàn)了由于預(yù)氧化而產(chǎn)生的微晶TiO2和非晶B2O3。同時(shí)，在近B2O3區(qū)，還觀察到了Al2O3和AlB2等界面產(chǎn)物。微晶TiO2和非晶B2O3具有自潤(rùn)滑作用，其中B2O3會(huì)與空氣中的H2O 接觸形成H3BO3，進(jìn)一步降低了復(fù)合材料摩擦系數(shù)[9]。在復(fù)合材料微觀組織中生成了三維網(wǎng)狀分布的潤(rùn)滑劑，按照顆粒尺寸為1.6 μm，體積分?jǐn)?shù)為32%，氧化層厚度為7 nm計(jì)算，網(wǎng)狀分布的B2O3潤(rùn)滑劑含量約為0.42%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。

圖6　TiB2p/Al復(fù)合材料界面顯微結(jié)構(gòu):(a)TEM照片和(b)HRTEM像[9]Fig.6　Microstructure of interface in TiB2p/Al composites： (a) TEM image and (b) HRTEM image[9]

對(duì)自潤(rùn)滑膜的可靠性和磨損機(jī)理進(jìn)行了分子動(dòng)力學(xué)的模擬計(jì)算，基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算結(jié)果如圖7所示，雙層H3BO3在TiB2(110)表面吸附時(shí)，H3BO3-H3BO3層面間距為3.66 ?，處于范德華力作用范圍;H3BO3-TiB2層面間距為2.55 ?，相對(duì)單層間距增大。單一層面上的鍵能，上層與下層相同，H3BO3內(nèi)的O-H鍵為0.99 ?，H3BO3間的氫鍵為1.68 ?。由此可以明確，H3BO3與TiB2的吸附能較大，可以穩(wěn)定吸附；H3BO3網(wǎng)層氫鍵作用力強(qiáng)，網(wǎng)層可以穩(wěn)定；H3BO3層間的吸附能小、層間距大，相對(duì)滑移勢(shì)壘小，可自由滑動(dòng)。可見(jiàn)自潤(rùn)滑作用發(fā)生在H3BO3層間。

圖7　TiB2p/Al復(fù)合材料中H3BO3層和TiB2層的結(jié)合模型Fig.7　Binding model between H3BO3 and TiB2 in TiB2p/Al composites

圖8為T(mén)iB2p/Al 復(fù)合材料和SiCp/Al復(fù)合材料在100 g 載荷作用下的摩擦曲線[10]。由圖8可知，TiB2p/Al 復(fù)合材料的摩擦系數(shù)低于0.2，呈現(xiàn)自潤(rùn)滑特性，同時(shí)抗彎強(qiáng)度超過(guò)600 MPa[11]。 因此通過(guò)功能性界面的設(shè)計(jì)，使TiB2p/Al 復(fù)合材料同時(shí)兼具較高力學(xué)性能和自潤(rùn)滑特性。

圖8　TiB2p/Al復(fù)合材料和SiCp/Al復(fù)合材料在100 g載荷作用下的摩擦曲線[10]Fig.8　Friction curves of TiB2p/Al and SiCp/Al composites under 100 g load[10]

進(jìn)一步的研究表明[12]，TiB2p/Al復(fù)合材料的自潤(rùn)滑主要來(lái)源于兩個(gè)過(guò)程：①?gòu)?fù)合過(guò)程中的一次界面產(chǎn)物B2O3，在加工表面形成H3BO3；②在摩擦過(guò)程中，在閃溫作用下,TiB2增強(qiáng)體與空氣中的氧和水發(fā)生微區(qū)化學(xué)反應(yīng)，生成H3BO3。值得說(shuō)明的是，只有當(dāng)TiB2增強(qiáng)體含量較高，生成的H3BO3數(shù)量足夠多時(shí)，TiB2p/Al才具有自潤(rùn)滑作用。實(shí)驗(yàn)和計(jì)算表明，對(duì)于平均粒徑為1.6 μm顆粒的TiB2p/Al復(fù)合材料，只有其體積分?jǐn)?shù)高于32.2%時(shí)，才表現(xiàn)出自潤(rùn)滑特性。圖9是采用TiB2p/Al復(fù)合材料加工出的動(dòng)壓氣浮自潤(rùn)滑軸承照片。但是，體積分?jǐn)?shù)的增加、耐磨性的提高都造成了加工難度增加，限制了它的推廣應(yīng)用。因此設(shè)計(jì)一種即耐磨又易加工的自潤(rùn)滑復(fù)合材料是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師們向我們材料工作者提出的更高要求。

圖9　動(dòng)壓氣浮自潤(rùn)滑軸承Fig.9　Flotation hydrodynamic bearings

2.3TiNif/Al復(fù)合材料高溫恒彈性設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的鋁合金、鎂合金艙體構(gòu)件在飛行器高速飛行過(guò)程中，氣動(dòng)熱的作用使構(gòu)件溫度升高、彈性模量隨之降低，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度下降以及諧振頻率降低，影響飛行器控制精度，甚至引起危險(xiǎn)的顫振。為避免這些現(xiàn)象的發(fā)生，目前的主要方法是改善結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，比如增加構(gòu)件的尺寸等。但這一方法不可避免地帶來(lái)結(jié)構(gòu)重量的增加。如果能有一種隨著溫度上升，彈性模量不變或者彈性模量上升的材料，則可以為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者提供一種更有效的技術(shù)途徑，為裝備的輕量化提供有力支撐。

作者團(tuán)隊(duì)注意到TiNi形狀記憶合金的超彈性特性，升溫時(shí)溫度誘發(fā)馬氏體向奧氏體轉(zhuǎn)變的同時(shí)，該合金的彈性模量發(fā)生躍升[13-14]，通過(guò)調(diào)整合金中Ti和Ni元素的原子百分比可以改變引起躍升的相變溫度[15]。如果采用這種合金纖維與鋁合金制成復(fù)合材料，有希望獲得在高溫下彈性模量不下降的恒剛度特性。作者團(tuán)隊(duì)選用馬氏體逆相變的開(kāi)始溫度分別為15，85和114 ℃的TiNi50.6，TiNi50.3，TiNi50合金纖維加入到鋁合金基體之中，制成TiNif/Al復(fù)合材料[16]。復(fù)合材料截面組織形貌如圖10所示。采用動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析法測(cè)試了從室溫～300 ℃、頻率為1 Hz時(shí)基體Al合金和3種不同相變溫度TiNi/Al復(fù)合材料的儲(chǔ)能模量，發(fā)現(xiàn)當(dāng)TiNi合金纖維體積分?jǐn)?shù)達(dá)到40%～50%時(shí)，復(fù)合材料在一定溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出恒彈性特征。圖11所示體積分?jǐn)?shù)為50%的一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。溫度處于相變溫度之前，TiNi50f/Al和TiNi50.3f/Al復(fù)合材料的儲(chǔ)能模量隨溫度的變化趨勢(shì)與基體鋁合金相似，呈下降趨勢(shì)；達(dá)到相變溫度后，TiNi50.3f/Al和TiNi50f/Al復(fù)合材料的儲(chǔ)能模量分別在85 ℃和114 ℃附近發(fā)生躍升，并在隨后的升溫過(guò)程中基本維持在同一水平，從而實(shí)現(xiàn)了恒彈性性能。TiNi50.6/Al復(fù)合材料設(shè)計(jì)的初衷是獲得從室溫開(kāi)始一直保持恒剛度特性的材料，于是選擇相變溫度為15 ℃的TiNi50.6合金絲，結(jié)果表明，TiNi50.6f/Al復(fù)合材料在室溫～300 ℃測(cè)試溫度范圍內(nèi)儲(chǔ)能模量不變或略有提高，獲得了該溫度范圍內(nèi)的恒剛度特性。

圖10　不同體積分?jǐn)?shù)TiNi50f/Al復(fù)合材料的截面組織形貌：(a) 20%, (b) 30%, (c) 40%和(d) 50%Fig.10　Micrographs of TiNi50f/Al composites with different volume fraction of TiNi fiber:(a) 20%, (b) 30%, (c) 40% and (d) 50%

圖11　3種不同相變溫度的TiNi/Al復(fù)合材料的儲(chǔ)能模量隨溫度變化關(guān)系Fig.11　Storage modulus vs. temperature curves of three TiNi/Al composites with different phase transition temperature

研究證明，復(fù)合材料儲(chǔ)能模量相對(duì)值隨溫度的變化與TiNi合金的相變過(guò)程密切相關(guān)。TiNi合金相變前，不同溫度復(fù)合材料的儲(chǔ)能模量相對(duì)值符合混合定律；TiNi合金相變后，不同溫度復(fù)合材料的儲(chǔ)能模量相對(duì)值取決于TiNi合金中馬氏體和奧氏體的相對(duì)含量。

針對(duì)復(fù)合材料的實(shí)際服役溫度范圍，可以通過(guò)選用不同相變溫度的TiNi合金纖維，制備在不同溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)恒彈性的復(fù)合材料。通過(guò)對(duì)單向增強(qiáng)復(fù)合材料的研究結(jié)果分析，將TiNi纖維編織成布，再對(duì)鋁合金進(jìn)行增強(qiáng)，可以獲得二維準(zhǔn)各向同性的、具有恒剛度性質(zhì)的復(fù)合材料及其構(gòu)件。這對(duì)于一些對(duì)振動(dòng)有著敏感要求的場(chǎng)合很有意義。例如飛行器的精密儀器固定支架，在溫度升高之后不會(huì)因模量降低而發(fā)生較大的振動(dòng)，從而保證儀表的精度。因此這種材料的發(fā)明將會(huì)對(duì)高溫工作部件帶來(lái)減振以及保持振動(dòng)模態(tài)特性不變的“天地一致性”安全保障。

3結(jié)語(yǔ)

金屬基復(fù)合材料是一種在工程需求牽引下發(fā)展起來(lái)的新材料。同時(shí)，復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展同時(shí)牽引了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者的思維變換。針對(duì)工程需求進(jìn)行材料性能設(shè)計(jì)是金屬基復(fù)合材料可持續(xù)發(fā)展的生命力所在。金屬基復(fù)合材料的增強(qiáng)體可以選擇金屬氧化物、金屬碳化物、金屬氮化物等種類(lèi)繁多的無(wú)機(jī)非金屬材料以及碳材料等，其形態(tài)可以是顆粒、長(zhǎng)短纖維、空心球等等；其尺寸涵蓋納米到無(wú)限長(zhǎng)的纖維。這種種類(lèi)、形態(tài)、尺度和性能的多樣性賦予了金屬基復(fù)合材料的性能與功能設(shè)計(jì)豐富多彩的想象與可能，特別是納米材料、石墨烯材料的誕生為金屬基復(fù)合材料的性能與功能設(shè)計(jì)帶來(lái)了更加誘人的設(shè)計(jì)空間。以上工作證明，針對(duì)特定的應(yīng)用需求或者研究者的興趣，進(jìn)行的金屬基復(fù)合材料性能和功能設(shè)計(jì)是可行的且有效的，這些工作的進(jìn)展勢(shì)必推動(dòng)金屬基復(fù)合材料基礎(chǔ)理論的重大突破和飛躍。隨著低成本制備工藝的日臻成熟，金屬基復(fù)合材料性能與功能的多元化設(shè)計(jì)、材料制備成型一體化、結(jié)構(gòu)功能一體化等將是滿足不斷涌現(xiàn)的技術(shù)挑戰(zhàn)有效的解決途徑。

編者注：本文是作者根據(jù)2014年9月在西安召開(kāi)的“新材料國(guó)際發(fā)展趨勢(shì)高層論壇”邀請(qǐng)報(bào)告整理，相關(guān)部分基礎(chǔ)理論分析內(nèi)容曾發(fā)表于《復(fù)合材料學(xué)報(bào)》(2014，31(5))。

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(編輯王方)

中國(guó)工程院2015年院士增選進(jìn)入第二輪評(píng)審的部分候選人名單

(化工、冶金與材料工程學(xué)部)

2015年中國(guó)工程院院士增選第一輪評(píng)審工作已經(jīng)結(jié)束，各學(xué)部經(jīng)過(guò)候選人材料審閱、專(zhuān)業(yè)組評(píng)審、全學(xué)部評(píng)審和投票等程序(醫(yī)藥衛(wèi)生學(xué)部采用通信評(píng)審、工程管理學(xué)部候選人在相關(guān)專(zhuān)業(yè)背景學(xué)部評(píng)審)，從521位有效候選人中產(chǎn)生了進(jìn)入第二輪評(píng)審的候選人203位。下表列出了化工、冶金與材料工程學(xué)部進(jìn)入第二輪評(píng)審的23位候選人名單(名單按照姓名拼音排序)。

序號(hào)姓名年齡專(zhuān)業(yè)工作單位01陳芬兒57精細(xì)化工復(fù)旦大學(xué)02陳建峰49化學(xué)工程北京化工大學(xué)03顧松青68有色金屬冶金中國(guó)鋁業(yè)公司04黃小衛(wèi)(女)53有色金屬冶金北京有色金屬研究總院05李賀軍57復(fù)合材料西北工業(yè)大學(xué)06李衛(wèi)57功能材料鋼鐵研究總院07劉中民50煤化工中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所08龍軍58石油與天然氣化工中國(guó)石油化工股份有限公司09呂劍51有機(jī)化工中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)公司10毛新平50金屬壓力加工武漢鋼鐵(集團(tuán))公司11潘峰51功能材料清華大學(xué)12潘復(fù)生52金屬材料重慶大學(xué)13彭金輝50冶金工程與技術(shù)云南民族大學(xué)14錢(qián)鋒54化工系統(tǒng)工程華東理工大學(xué)15沈政昌55礦物加工北京礦冶研究總院16王富恥66金屬材料北京理工大學(xué)17王迎軍(女)60生物材料華南理工大學(xué)18王玉忠54有機(jī)高分子材料四川大學(xué)19吳鋒64功能材料北京理工大學(xué)20謝建新57金屬壓力加工北京科技大學(xué)21張聯(lián)盟60功能材料武漢理工大學(xué)22張新明69金屬壓力加工中南大學(xué)23鄭裕國(guó)53生物化學(xué)工程浙江工業(yè)大學(xué)

The Development Trend of Metal Matrix Composites:Design of Performance

WU Gaohui

(School of Materials Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

Abstract：The updating and upgrading of space technology, information technology and other modern industry technologies have brought great challenge to the material properties. Lots of properties and functions of metal matrix composites (MMCs) can be acquired by choosing reinforcements with different kinds and morphology, matrixes with different mechanical, chemical and physical properties, and adjusting the distribution and bonding type of them. The design ability of MMCs is an advantage to meet this challenge. Therefore the design of MMCs properties and functions will be an important trend. This paper briefly introduced several typical cases of the author’s group from research thought to actual effects, including the design of high dimensional stability, self-lubricating properties and constant stiffness at high temperatures, which have proved the effect of performance design of MMCs. Relating theory analysis were described in other papers of the author.

Key words：metal matrix composites; performance design; dimensional stability; self-lubricating; constant stiffness

中圖分類(lèi)號(hào)：TB331

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-3962(2015)06-0432-07

DOI:10.7502/j.issn.1674-3962.2015.06.03

作者簡(jiǎn)介：武高輝，男，1955年生，教授，博士生導(dǎo)師，Email：wugh@hit.edu.cn

收稿日期：2015-04-16