凝固组织调控对协调变形Cu-Ag复合材料结构与性能的影响

国民经济发展对高强高导Cu-Ag纤维复合材料的综合性能提出更高要求。本申请项目针对Cu-Ag纤维复合材料研究中的凝固微观组织调控，纳米级Ag纤维对复合材料强化与导电机制等关键问题，采用强磁场与定向凝固相耦合的方法，控制Cu-Ag合金定向凝固前沿熔体流动、溶质迁移与再分布、液固界面形态等，优化合金凝固组织的共晶相分布、生长形貌及取向等，揭示强磁场对定向凝固Cu-Ag合金微观组织演变的影响规律与作用机制；基于Cu-Ag复合材料协调变形的特征，揭示强磁场与定向凝固调控凝固组织对Cu-Ag复合材料的结构与性能的影响规律和作用机制；揭示纳米级Ag纤维对Cu-Ag复合材料强化与导电的影响规律和作用机制。以探索实现Cu-Ag纤维复合材料强度与导电性能良好匹配的新方法和新工艺，为高性能Cu-Ag纤维复合材料的开发提供新方法和新理论。

CuAg合金是一种典型的模型材料。在基础研究中，它可以作为开发新工艺、研究新方法、建立新理论的模型材料；在应用上，更高强度直流电阻磁体和脉冲磁体需要更高强度更高导电性能的Cu-Ag 纤维复合材料。已有的文献表明CuAg合金的性能与初始凝固组织密切相关，本项目正是利用强磁场、强磁场与定向凝固复合作用以及交变磁场对熔体对流、溶质分配及固溶析出行为的影响，调控Cu-Ag 纤维复合材料研究中初始凝固微观组织（包括枝晶间距、共晶片层间距，尤其是先共晶Cu中纳米Ag 析出相间距等），主要研究了1）强磁场作用下CuAg合金凝固组织演变及其对形变性能的影响；2）强磁场与定向凝固复合作用下Cu-Ag合金液固界面形态与微观组织演变；3）调控后协调变形Cu-Ag纤维复合材料的结构特征、强度与导电率及其评价；4）纳米级Ag纤维对复合材料强化与导电机制的影响和模拟；5）交变磁场控制CuAg合金凝固组织演变规律；6）CuAg合金在高强磁场下的磁致电阻。结果表明1）凝固过程中强磁场的施加会影响到熔体对流，进而改变界面前沿温度梯度分布及其溶质分配，这引起先共晶Cu枝晶形貌的改变；强磁场的引入也影响了热力学系统，致使相图发生偏移；在协调变形时这些改变会影响到其形变性能的改变；2）施加稳恒磁场会改变先共晶Cu的树枝晶生长方向，其生长方向和温度梯度之间的角度由无磁场时的平行转变为10°；强磁场与定向凝固复合作用下合金显微硬度和导电率都是由Cu、Ag两相层片间距所控制，随层片间距减小，合金硬度值升高，导电率下降；3）0.8T直流磁场100μm/s时共晶AgCu合金和Cu6Ag合金的强度与导电性能较优；4）施加强磁场会增加也会降低其性能，这主要由强磁场对纳米Ag析出相间距的影响所决定，并且模拟了微观组织特征与强度及导电性能的关系；5）交变磁场的引入会细化初生先共晶Cu枝晶，增加材料的塑性，存在最佳的交变磁场的电流和频率；6）强磁场凝固带来的微观组织改变会影响到其磁致电阻，在31T时最大磁致电阻达到30%。以上重要的研究结果为深入研究CuAg合金系统奠定了良好的基础，为高性能Cu-Ag 纤维复合材料的开发提供新方法和新理论。