ZrW2O8/Al复合材料中ZrW2O8的相变特性及其对复合材料的热膨胀调控机理

The adding of Negative Thermal Expansion (NTE) ZrW2O8 particles into Al alloys can create aluminum matrix composites with very low thermal expansion, but the phase constitution and phase transformation characteristics of ZrW2O8 particles will influence the thermal expansion of ZrW2O8/Al composites. Based on the decomposition stability analysis of ZrW2O8, the ZrW2O8/Al composites will be fabricated by pressure infiltration process. The residual stress in the composites will be analyzed. With the combination of in-situ XRD, in-situ Raman analysis and first-principle calculations, the effect of stress, temperature on the phase transformation of ZrW2O8 will be discussed, then to illustrate the constraint phase transformation behavior, products and mechanisms of ZrW2O8. The thermal expansion and thermal cycling properties will be investigated in ZrW2O8/Al composites after heat treatments. Combined with the phase and microstructure analysis, it is aimed to reveal the correlation between thermal expansion and phase constitution. The three dimensional image-based models, representing the actural microstructure features of ZrW2O8/Al composites, will also be established to predict the thermal expansion property and simulate the dimensional change during thermal cycling. It is expected to illustrate the constraint phase transformation characteristics of ZrW2O8 and thermal expansion tailoring mechanisms of ZrW2O8/Al composites, and then provide scientific foundation and theoretical supports for the design theories, heat treatment principles, and performance optimization of ZrW2O8/Al composites.

将负膨胀特性的钨酸锆加入到铝合金中可赋予铝合金超低膨胀特性，但是其相组成和相变特性将影响ZrW2O8/Al复合材料的热膨胀性能。本项目在分析钨酸锆化学稳定性的基础上，采用压力浸渗方法制备ZrW2O8/Al复合材料；对复合材料残余应力进行分析，结合原位XRD、原位拉曼分析和第一性原理计算，阐述应力、温度等因素对复合材料中钨酸锆相变行为的影响，研究受铝基体约束的钨酸锆颗粒的相变行为、相变产物和相变机理；研究不同热处理状态下复合材料的热膨胀和热循环性能，结合复合材料的相组成和显微组织分析，揭示复合材料热膨胀性能与钨酸锆结构变化的相关性；同时，建立基于复合材料实际组织的三维模型，进行热膨胀性能预测和热循环过程中尺寸变化的模拟计算。通过项目的研究，揭示钨酸锆的约束相变特性及ZrW2O8/Al复合材料的热膨胀调控机理，为ZrW2O8/Al复合材料的设计理论、热处理原理和性能优化提供科学依据和理论支持。

本项目系统研究了ZrW2O8粉体的固相反应制备和化学稳定性、ZrW2O8/Al复合材料制备、三维组织表征和界面结构特征、复合材料中ZrW2O8的相变行为与相变机理、复合材料的热膨胀性能及其有限元模拟等基本科学问题。.通过固相反应法制备了高纯ZrW2O8粉体，确定了最优的烧结温度、WO3与ZrO2配比、烧结次数、烧结时间等工艺条件。温度高于690℃时，ZrW2O8发生失稳分解，随着温度的升高和时间的延长，分解量增大。优化了压力浸渗制备工艺，在避免ZrW2O8分解和复合材料开裂的基础上，制备了ZrW2O8/Al复合材料。采用同步辐射X射线显微CT技术，表征了复合材料中各组元（弥散分布ZrW2O8颗粒和连续铝基体）的三维空间分布和定量化信息。Al基体与ZrW2O8颗粒之间存在20~100nm厚的纳米界面层，其厚度随制备温度的升高而增加；基于第一性原理计算揭示了其形成机制：ZrW2O8晶格内的多面体间隙可以容纳基体中的铝原子，是一种自发的行为。.ZrW2O8/Al复合材料制备后的热错配应力诱导了高压相γ-ZrW2O8的形成，负膨胀效应显著下降。基于Grüneisen参数、拉曼峰偏移，以及第一性原理计算得到的压力与频率偏移量之间的关系，表征了复合材料内部的残余应力。确定了复合材料中γ-ZrW2O8→α-ZrW2O8的相转变温度和复合材料热处理工艺，从而消除复合材料中高压相γ-ZrW2O8，并调控复合材料的热膨胀性能。热处理后的ZrW2O8/Al复合材料具有超低热膨胀性能，200次冷热循环后热膨胀系数保持稳定，具有很好的热稳定性。基于ZrW2O8/Al复合材料的实际微观组织，进行了热膨胀性能的数值模拟计算，与实验值吻合良好；同时证实了热处理可以进一步降低复合材料的热膨胀系数。.经过四年的研究，本项目共发表SCI论文14篇，获得授权发明专利1项、申请发明专利3项；参加了7次国内、外会议，含国际会议邀请报告3次、国内会议邀请报告1次；培养博士后1名、博士1名、硕士2名；获得2018年国防技术发明一等奖。项目通过理论研究，阐述了ZrW2O8/Al复合材料热残余应力、温度等因素对复合材料中钨酸锆相变行为的影响，揭示了受铝基体约束的钨酸锆相变特性、复合材料相组成与ZrW2O8/Al复合材料热膨胀性能的相关性，为超低膨胀铝基复合材料的设计、热处理原理和热膨胀调控提供了试验数据和理论依据。