Ce对原位自生TiB2/Al复合材料界面原子及介观尺度作用机制研究

The interface characteristics of composites are key factors influencing the dispersity of reinforced phase in matrix and the properties of composites. Our previous studies found that Ce introduced by addition of CeO2 could significantly improve the dispersity of in-situ TiB2 particles in Al matrix and mechanical properties of the in-situ TiB2/Al composite. The ab initio molecular dynamics simulation, synchrotron X ray diffraction and high resolution transmission electron microscopy will be employed to study the influence rules of Ce atomic on liquid Al atomic structure within the several layers atomic of TiB2 surface. The interface binding energy of Ce induced Al melt/TiB2 liquid-solid interface will be computed. The relationship of liquid-solid interface structure and interface binding energy will also be studied carefully. As a result, the role mechanism of Ce on improvement in dispersibility of reinforced phase in matrix are made clear on atomic scale. Next, the influence rule of Ce induced Al/TiB2 solid-solid interface structure and spatial distribution pattern of TiB2 particles on the microregion properties of interface and near interface will be studied. The interactive relationship will be established. The role mechanism of Ce on microregion properties of the interface and near interface will be elucidated. All the efforts in the present proposal can provide theoretical foundation for establishing design criteria of dispersing interface and strengthening interface microregion design in composite.

复合材料界面特性是影响增强相在基体中的分散性，以及材料性能的关键因素。申请人前期研究发现，在原位自生TiB2/Al复合材料中通过添加CeO2引入Ce元素可显著改善TiB2颗粒在Al基体中的分散性，且复合材料力学性能大大提高。本项目将利用从头算分子动力学模拟、同步辐射X射线衍射结合高分辨透射电子显微技术，研究Ce原子对TiB2表面附近数层原子范围内液态Al原子结构的影响规律，以及Ce原子诱导的这种液-固界面结构对液-固界面结合能的影响规律，建立液-固界面结构与界面结合能的关系，从原子层次阐明Ce对提高增强相在Al基体中分散性的作用本质；研究Ce诱导的Al/TiB2固-固界面结构、TiB2颗粒多尺度空间分布模式对界面及近界面微区性能的影响规律，建立其相互作用关系，阐明Ce对界面微区性能的影响机制，最终为复合材料分散界面设计准则的建立，以及复合材料强化界面微区设计提供理论依据。

亚微米及纳米级颗粒增强铝基复合材料制备过程中增强相在基体中弥散分布是提高界面结合力，充分发挥其强化效应的关键。然而，长期以来有关颗粒与基体界面之间的液-固界面结构对颗粒弥散分布的影响机理并不清楚，致使实现增强相在基体中润湿与分散可控成为复合材料制备的难题。前期研究发现，CeO2可显著改善原位自生TiB2颗粒在Al基体中的分散性。鉴此，本项目通过从头算分子动力学以及试验研究Ce原子对Al/TiB2液-固界面结构、界面能以及Al/TiB2固-固界面的影响，揭示增强相与Al基体之间界面结构与增强相在基体中润湿和分散之间的关系；此外，研究CeO2对TiB2/Al合金复合材料组织和性能影响，分析其作用机理，为增强相均匀分散的高性能复合材料的制备提供理论基础。从头算分子动力学研究发现，Al/TiB2液-固界面区的Ce原子可以改善界面区Al熔体的结构有序度，在1003K时，Al/TiB2界面区共生成3层Al原子层状有序结构，而Al-Ce/TiB2界面区可生成5层Al原子层状有序结构；当溶质原子Ce靠近Al/TiB2液-固界面处时，在1003K和934K下均在TiB2另一侧的Al熔体形成很大范围的准固相区域；界面能计算表明，添加Ce原子后，TiB2/Al固-液界面能略有降低；Al/TiB2固-固界面实验研究表明，Ce原子主要分布在界面处，TiB2颗粒形貌为六边形，界面处未发现第二相析出。可见，溶质Ce主要是通过改善Al/TiB2液-固界面Al原子层的有序结构以及降低界面能而提高颗粒在基体中的分散性。此外，研究表明在TiB2/A356复合材料中加入CeO2，可提高TiB2颗粒分散性，细化α-Al晶粒，变质共晶Si相，同时显著提高复合材料的力学性能和高温耐磨性，为CeO2在TiB2颗粒增强铝合金基复合材料制备中的应用提供指导。