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重大成果之三:航天用非连续增强金属基复合材料制备科学研究
发布日期:2016-6-8
 

     金属基复合材料国家重点实验室张荻教授主持项目“航天用非连续增强金属基复合材料制备科学研究”荣获2015年度国家自然科学奖二等奖。

      航天用非连续增强金属基复合材料长期以来发达国家一直对我国禁运,只有自主开展制备科学理论研究并在其指导下用于航天金属基复合材料的研制,才能打破国际封锁、不受制于人。制约我国航天用金属基复合材料制备科学发展瓶颈问题有:(1)复合调控难;(2)界面匹配难;(3)形变加工难。研究从复合调控难入手,建立了铝基、钛基复合材料复合制备过程中的热力学与动力学理论模型,揭示了铝、钛复合材料的热力学复合规律,成功实现了金属基复合材料界面反应的控制与增强体的均匀分布。以此为基础,针对界面匹配难问题,对增强体/基体非共格界面提出了“缓解增强体/基体界面微区力学不均匀性”的界面设计准则,建立了钛基复合材料的微观-细观-宏观跨尺度拟实模型,并基于此模型,发现并揭示了非连续增强铝基、钛基复合材料塑性和超塑性变形机理与规律,建立了超塑性断裂失效预测模型,为铝、钛基复合材料及构件大变形、精密成形加工提供了理论依据。解决了非连续增强铝基、钛基复合材料塑性低、易开裂、成形难的困扰,为航天装备型号的大量应用奠定了基础,推动了材料学科的发展。


      国际金属基复合材料领域先驱R.M.Pillai教授在其研究中大篇幅引用、采纳本研究提出的“复合热力学模型与计算方法”用以指导金属基复合材料的设计。全球顶尖材料专家C. Suryanarayana教授说:“通过原位自生法制备的复合材料,增强体分布均匀,且会生成不同的形状”。美国工程院院士E.J.Lavernia教授对作者在界面调控方面的研究说:“变形始于界面微区继而扩展的观点已被国际上所认可”。西班牙皇家科学院院士Javier LIorca教授认为“缓解基体在近界面微区不均匀性设计原则”是金属基复合材料领域最重要的进展之一。国际著名复合材料学者香港城市大学教授S.C.Tjong高度评价了作者的研究“原位合成钛基复合材料有着非常高的界面结合强度以及很高的力学性能”。美国空军实验室首席材料科学家D.B Miracle教授证实了(TiB+TiC)/Ti6Al4V具有较好的超塑性,且超塑性特性与Ti6Al4V相似。澳大利亚科学院和工程院两院院士Yiu-Wing Mai教授说“相比粉末冶金方法,作者研制的方法的优势在于提高工艺效率和工艺适应性,实现简洁低成本、规模化生产”。以及日本金属学会,德国马普学会等20多个国家和地区200多个研究机构相机开展跟踪报道和拓展研究。研究成果制备出系列航天用非连续增强金属基复合材料及构件,为“嫦娥三号”及“玉兔号”月球车为代表(图a)的探月工程、卫星、空间站和固体发动机等航天装备20余种典型型号提供高品质、轻质高强多功能铝、钛基复合材料及构件6000余件,为“中国在月球上的第一行足迹”、航天高科技发展和维护国家安全做出重要贡献,取得了系统性的创新成果。

图1,铝基复合材料-月球上的中国足迹

图2,月球车行走机构用铝基复合材料棘爪