《鈦基合金材料低溫負熱膨脹性能研究》是依託中國科學院理化技術研究所，由王維擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：鈦基合金材料低溫負熱膨脹性能研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：王維
- 依託單位：中國科學院理化技術研究所
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
鈦合金因具有優異的力學性能和方便的可加工性而在低溫工程、航天工程等領域具有廣泛的套用性。目前，國內外對鈦合金的研究主要集中在力學性能上，對這類合金材料的熱膨脹性能，尤其是低溫下的負熱膨脹(NTE)性能，及熱膨脹機理尚未被充分系統地認識。因此，本項目擬以具有低熱膨脹係數的鈦合金（含有Zr、Hf、Nb、Sn等合金元素）為研究對象，分析元素含量、相結構以及製備工藝對熱膨脹性能的影響。採用XRD、掃描電鏡、高分辨透射電鏡、PPMS（物理性能測試系統）等設備表征材料微觀結構、熱學和力學性能，分析材料的微觀結構與熱膨脹性能的關係，闡明材料成分---微觀結構---熱膨脹性能的關係，掌握鈦合金熱膨脹行為的機理。最終實現力學性能增強、在一定溫度範圍內（特別是低溫條件下）熱膨脹係數可控的效果，得到具有負熱膨脹係數甚至是近零膨脹係數的鈦基合金材料，從而為未來鈦合金的進一步廣泛套用提供參考。
結題摘要
在航空航天航海、機械工程、精密儀器等領域大量套用的部件和設施中，材料因溫度變化而發生熱脹冷縮的現象很大程度地制約著結構和部件的適用範圍和使用壽命。由於熱膨脹和熱應力引起的器件可靠性問題已經引起了廣泛的關注並且有待解決。同時因為在精密儀器，光學裝置，結構部件中的實際套用的重要性，零膨脹材料作為一種特殊的功能材料，已經成為當今的研究熱點。 鈦及鈦合金具有密度小、比強度高、耐蝕性強、耐高低溫、透聲性好、無磁性、可冷熱成形、焊接性能好等優異性能，是航天航空技術和低溫工程中優選的的金屬材料之一。但是，國內外關於鈦合金的研究報導主要集中在力學研究方面，而關於熱學性能尤其是低熱膨脹係數的金屬材料研究報導寥寥無幾。同時，目前國內外對金屬材料負熱膨脹機理的研究仍處於起步階段，關於Ti合金負熱膨脹行為及相關機理研究的詳實報導也是少之又少。所以，為開發新型低膨脹Ti合金材料，對Ti合金的負熱膨脹行為及其相關機理的研究也必然非常關鍵。 本項目以具有低熱膨脹係數的鈦合金為研究對象，分析了相結構以及製備工藝對熱膨脹性能的影響，採用XRD、PPMS（物理性能測試系統）等設備表征材料微觀結構、熱學和力學性能分析材料的微觀結構與熱膨脹性能的關係。通過研究發現300 K該材料抗拉強度達到1155.9MPa，而楊氏模量只有60.4GPa。而4.2 K時抗拉強度達到1961.9MPa，而楊氏模量只有76.2GPa。這種高強度低模量的鈦合金在實際生活中有著非常廣泛的套用。同時對材料熱膨脹性能做了深入的研究。通過調節製備工藝，最終製備出了具有負熱膨脹的鈦合金。並對熱膨脹係數進行了調節。最終實現了100 K 到623 K的寬溫區零膨脹鈦合金。十多次的循環熱膨脹測試證明這種零膨脹性質是可以重複的，同時這種方法也適用於獲得超過20 × 10-6 K-1的高熱膨脹係數鈦合金。由於具有寬溫區零膨脹性質和多種超級性能，這種材料會在低溫閥門，大型液化系統，超導磁體等工程套用中具有很大的潛力。
