《遺態法製備仿貝殼金屬基複合材料及斷裂機制研究》是依託上海交通大學，由熊定邦擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：遺態法製備仿貝殼金屬基複合材料及斷裂機制研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：熊定邦
- 依託單位：上海交通大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
層狀複合結構是自然界長期進化而優選的強韌化解決方案，其中貝殼珍珠層仿生製備是高強超韌材料的開發重點。針對仿貝殼金屬基複合材料製備困難這一關鍵科學問題，本項目擬採用遺態法，即以銅為代表金屬，複製杉木的層狀多孔結構，隨後在該多孔金屬前驅結構中均勻分散碳納米管，並通過變形加工的緻密化工藝，來製備仿貝殼橋聯疊層結構的碳納米管/銅基複合材料。通過結構參量（特徵尺度、界面結構）的定向調控，研究層間橋聯強韌化、疊層韌化、基體細晶強化和碳納米管承載等機制的協調耦合效應，最佳化出具有高強韌兼顧功能的仿生金屬基複合材料的製備方法，構築金屬基複合材料仿生複合的新技術原型。同時，結契約步輻射光源位相襯度顯微斷層技術，原位研究力場作用下橋聯疊層結構的斷裂行為和組織演變規律，揭示構型與性能之間的耦合回響機理，為高性能金屬基複合材料的仿生複合化提供理論依據和實用途徑。
結題摘要
層狀複合結構是自然界長期進化而優選的強韌化解決方案，其中貝殼珍珠層仿生製備是高強超韌材料的開發重點。針對仿貝殼金屬基複合材料製備困難這一關鍵科學問題，本項目採用了遺態法，即以銅為代表金屬，複製杉木的層狀多孔結構，隨後在該多孔金屬前驅結構中均勻分散納米碳增強體，並通過熱壓與變形加工的緻密化工藝，製備仿貝殼橋聯疊層結構的納米碳/銅基複合材料。通過對合成和製備條件的最佳化，建立了遺態層狀多孔金屬製備和“磚-泥-橋”精細仿生複合技術原型。同時，通過結構參量的定向調控，以及與基於片狀粉末冶金技術路線製備的仿貝殼疊層同體系複合材料的比較，探討研究了特徵尺度、複合構型、界面結構、增強體種類、含量和尺寸等參量對強韌化的影響規律，建立了構型與性能之間的耦合回響機理和複合材料強韌化機制。實驗結果表明，“磚-泥-橋”精細仿生結構由於層狀結構的韌化和三維連通的金屬基體，更好地發揮了構型韌化作用和保留了基體塑性；同時因為納米層狀結構的強化效應和石墨烯高的強化效率，複合材料拉伸強度得到大幅提高。所製備的複合材料表現出強度和延伸率同時增加的力學性能，為金屬基複合材料的強韌化提供了設計準則。通過較寬參數範圍內石墨烯含量和尺寸的調控發現：1、大尺寸石墨烯片徑有利於複合材料的強度與韌性的平衡；2、高體積含量石墨烯可以大幅提高複合材料可恢復形變數，較純金屬基體增加將近一個數量級。較氧化石墨烯的外加複合而言，催化生長石墨烯的原位複合具有更高的界面結合強度，以及更高的界面位錯密度，可以更好地平衡包括強度、延伸率和電導率等在內的綜合性能。對同一體系和構型複合材料的功能特性研究顯示，通過對複合構型和界面結合的調控，可以獲得了較純銀更高的體電導率和超過純銅三個數量級的超高石墨烯電導率，為設計製備結構/功能一體化的金屬基納米複合材料提供了實驗參考和理論依據。
