金屬材料的仿生複合製備與性能研究

《金屬材料的仿生複合製備與性能研究》是依託上海交通大學，由張荻擔任項目負責人的重點項目。

基本介紹

• 中文名：金屬材料的仿生複合製備與性能研究
• 項目類別：重點項目
• 項目負責人：張荻
• 依託單位：上海交通大學

項目摘要

複合化是金屬材料實現高性能化和功能化的有效途徑，但傳統的金屬基複合材料多以均勻的單級複合結構為特徵，不利於發揮不同組分之間的協同、耦合和多功能回響機制；反觀自然生物材料，如貝殼、骨骼等經長期進化成組分簡單、結構精細、巨觀均勻、微觀非均勻的跨尺度、多級次複合結構，從而賦予生物材料優異的力學和功能特性。啟迪於典型的生物材料結構，本項目擬採用自組裝堆砌方法，重點仿生製備具有類貝殼磚砌式疊層結構的金屬基複合材料，通過結構參量（複合構型、特徵尺度、界面結構）的定向調控，研究納米-亞微米-微米級的跨尺度、幾何約束、結構取向、界面結構的協調耦合效應，最佳化出具有高強韌、高導熱、高阻尼等功能特性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化的新技術原型，揭示仿生複合結構的形成機制與性能之間的耦合回響機理，為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

複合構型化是金屬材料實現高性能化和功能化的有效途徑之一，但長期以來金屬基複合材料多以均勻複合結構為特徵，難以充分發揮不同組分之間的協同耦合和多功能回響；如何有效解決該關鍵問題一直是複合材料科學的研究熱點。自然生物材料（如貝殼、骨骼等）經長期進化成組分簡單、結構精細、巨觀均勻、微觀非均勻的跨尺度、多級次複合結構，具有超越人工材料的複合回響。本項目啟迪於貝殼微納疊層結構的高強韌匹配特性，提出了金屬仿生複合化的學術思想，通過研究微納片狀金屬粉末的可控制備、金屬粉末與納米相表面改性、料漿共混複合、疊層組裝與緻密化、形變加工與仿生組織調控等關鍵科學問題與技術，揭示了納米碳與金屬粉末之間的微/納米尺度、幾何形貌及界面化學性質的相容性機制，創製了具有類貝殼微納磚砌疊層結構的碳納米管/鋁、石墨烯/鋁及石墨烯/銅基複合材料，構建了微納磚砌疊層仿生複合技術原型，該學術思想和技術原型開闢了嶄新的研究途徑，並適用於不同金屬基複合材料的創製。 項目通過結構參量（複合構型、特徵尺度、界面結構）的有效調控，研究了幾何約束、結構取向、界面結構、多維尺度的協同耦合效應和材料的力學性能及導電、導熱等功能特性，進而通過界面微納力學與複合構型建模擬實研究，構築了金屬基複合材料仿生複合的理論基礎與技術體系，揭示了仿生複合構型的形成機制與性能耦合回響機理。在基礎研究和理論指導下，開展了仿生複合材料的宏量製備和套用研究，製備了大規格複合材料錠坯和型材，開創了仿生複合設計、製備、表征、套用的全鏈條研究模式，製備的高模量、高強韌碳納米管/鋁合金複合材料在中國標準動車組上得到了套用驗證，為今後仿生金屬基複合材料的套用發展奠定了研究基礎和實用途徑。