金属液内原位反应合成具有不同形状的纳米尺寸陶瓷颗粒的机制

纳米陶瓷颗粒增强金属基复合材料的研究是金属基复合材料研究领域的前沿与热点问题之一。但少见关于在高熔点金属（例如，铁等）液内反应合成球形纳米陶瓷颗粒的报道。因此，本项目揭示出在不同熔点的金属（Al/Cu/Fe）- Ti/Zr- C三元液相内原位反应合成具有不同形状（八面体、多面体、球形）的纳米尺寸的陶瓷颗粒的热力学条件和动力学规律，并提出反应合成机制是一项创新性的研究工作。将为解决一直困扰复合材料界如何解决金属液内原位反应合成出具有不同形状的纳米尺寸的陶瓷颗粒和防止其长大及使其均匀、弥散地分布在基体的晶粒内部的关键难题奠定必需的理论基础。并采用原位合成的方法制备纳米陶瓷颗粒增强金属基复合材料，揭示其制备过程中的动力学规律和组织与性能之间的关系。这将对实现纳米陶瓷颗粒增强金属基复合材料的组织、性能及制备工艺的主动控制，发展纳米陶瓷颗粒增强金属基复合材料的制备新技术具有重要的理论和实际应用意义。

纳米颗粒增强金属基复合材料具有优异的室温与高温性能，尤其是高温。目前，制备纳米颗粒增强金属基复合材料的常见方法是外加法，其难点是纳米颗粒易团聚、表面易污染、与基体结合不好等。原位内生法可以解决外加法的难点，但目前关于原位反应合成纳米陶瓷颗粒的热力学条件与动力学规律，不同形状纳米颗粒的生长动力学、形貌演化规律与机制，原位纳米陶瓷颗粒增强金属基复合材料的制备和组织对性能的影响规律与机制等方面的研究报道很少。因此，研究上述科学问题将为发展先进的纳米颗粒增强金属基复合材料提供重要的实验依据与理论参考。.本项目取得的主要进展如下：①首次采用Cu/Al/Fe-Ti-CNTs体系燃烧合成出不同形状、纳米尺寸TiCx颗粒，冲破了依据Merzhanov等人提出的经验判据计算的SHS完全反应的最高金属含量。②发现燃烧合成的TMCx、TMNx、TMB2x（TM-过渡族金属）颗粒生长成球形的必要条件是其化学计量比x值要有宽的区间，充分条件是x值要大的共性规律。建立了x值由低到高与生长形貌的关系，TMCx、TMNx演变规律：八面体→切角八面体→近球形→球形；TMB2x演变规律：六棱柱→多面体→近球形→球形。揭示出TiCx形貌从八面体转变为球形的临界x值>0.625，{100}表面能低于{111}，生长形貌开始向球形转变的机制。③首次采用中间合金+铸造法制备出纳米TiCp/Al-Cu基复合材料。揭示出纳米TiCp作为α-Al枝晶异质形核核心，使α-Al枝晶、θ'相显著细化；纳米TiCp尺寸越小，越接近球形提高常温、高温强塑性越显著；与基体合金相比，复合材料室温屈服强度、抗拉强度和延伸率分别为374MPa、630MPa和10.8%，分别提高了23.4%、29.9%和63.6%；在220ºC和315ºC抗拉强度分别提高了56.4%和51.6%。提出了强韧化机制。④首次采用Al-Ti-CNTs体系燃烧合成+热压+热挤压成功制备出原位内生纳米TiCp/2009Al复合材料，其室温、高温、抗蠕变性能均高于粉末冶金法+热挤压制备的基体合金，260℃和300℃的抗蠕变性能提高了3-14倍，300℃的断裂应变提高了1.96倍。⑤首次采用Ti-Al-B/Si体系燃烧合成+热压烧结成功制备出原位内生纳米TiB2/Ti5Si3增强TiAl基复合材料，TiAl基体的晶粒显著细化，强塑性明显提高。揭示出强韧化机制。