高强韧高模量纳米碳金属基复合材料的多级仿生制备

Biomimicry is a novel route to develop high performance materials. Based on the idea of “Biomimetic & Hierarchical Architectured Composites”, nanocarbon reinforced aluminum alloy composites with nacre-like, multi-level laminate structure are fabricated through bottom-up assembly using nanoflakes as building blocks. By this way the alloyed matrix and hybrid reinforcements are incorporated into the hierarchical architectures, which balance the size, shape and orientation of the matrix layers and the interlayer networks of carbon nanotube-graphene, and thus lead to a composition-structure-property harmony via various intrinsic/extrinsic mechanisms under multiple length scales. Fundamental research will be done on the formation/evolvement of composite structure and interface, structure-property relationships and strengthening/toughening mechanisms. The next-generation nanocarbon/metal composites, as well as the prototype of processing technology will be established, which will improve the development of metal matrix composite science and technology.

仿生是人工材料向高性能化发展的新途径。基于“仿生复合/多级建构”理念，本项目参照高强韧、高模量的贝壳结构，以纳米复合片为结构基元进行仿生构筑，同步实现基体合金化、复合多元化和构型多级化，制备出具有多级叠层构型的纳米碳/铝合金复合材料，藉由层间碳纳米管-石墨烯网络及其与超细晶基体的晶粒尺寸、形状和取向间的协同耦合作用，发挥多尺度下内禀/外禀强韧化机制，实现材质-结构-性能的均衡匹配。进而围绕复合组织和界面的形成演变规律、多级叠层的构效关系和强韧化机理等开展研究，建立可工程化的复合制备与变形加工技术原型，形成新型高强韧、高模量金属基复合材料体系，支撑金属材料复合科学与技术的发展。

金属及其合金是人类应用最广泛的工程材料之一，可满足不同的强度/模量设计需求。通常，藉助固溶、细晶、形变及第二相（沉淀或弥散）等合金强化手段可显著提高金属材料的强度，但无法从本质上改变其模量。另一方面，在金属基体中复合高强高模增强体，不但可使强度和模量均得到显著改善，还可集成辐射屏蔽、导电导热、阻尼降噪、耐热耐磨等多功能特性，有利于扩大金属材料的应用领域。但引入高体积含量（>15vol.%）陶瓷增强体（如SiC、Al2O3等），同时也会导致所得金属基复合材料的塑韧性和损伤容限降低，难以形变和机械加工，成为限制其实际推广应用的发展瓶颈。因此，为了通过复合化实现金属材料强度、模量和塑韧性的一致改善，亟需探索新型复合理念和制备技术。.本项目针对结构轻量化和高刚度设计需求，通过改进自主创新的“叠片粉末冶金”技术，发展叠片合金化、多元复合化、叠片造粒技术，同步实现基体合金化和多元复合化，建构仿贝壳的多级叠层复合构型，协同提高材料的强度、模量和塑韧性。项目执行期间，主要针对叠片粉末冶金高效复合制备技术、叠片合金化原理及技术原型及多级构型设计、多级构型界面调控和多级叠层复合构型的构型关系和强韧化机理进行了系统研究。具体的研究内容包括叠片粉末冶金高效复合制备技术研究、叠片合金化原理及技术原型、分级叠层构型基体设计、分级叠层构型界面设计及调控、构效关系和强韧化机理等。.本项目借鉴贝壳中高强韧、高模量的多级叠层复合构型效应，提出仿生复合/多级建构的新理念，将现有的“叠片粉末冶金”技术原型向基体合金化、复合多元化、构型多级化发展，藉由碳纳米管-石墨烯空间互连网络及其与层状超细晶铝合金基体之间的优化配置、协同耦合。系统研究了仿生复合制备及多级建构调控原理、复合组织和复合界面的形成演变规律、多级叠层的构效关系和强韧化机理等关键科学技术问题，建立了可工程化的复合制备与变形加工技术原型，具有重要的科学意义与实用价值。