不锈钢/FeAl金属间化合物叠层复合材料设计、制备及动态力学性能研究

Metal-Intermetallic-Laminate (MIL) is designed to mimic the shells structure, which optimizes the unique properties of the constituent components by incorporating the high stiffness of the intermetallic phase with the high toughness of the residual metal. The lower cost with multi-layer structure of the Stainless Steel (SS)-based MIL composites makes them an attractive material for military protection structural applications. However, brittle Al-rich intermetallic phases such as Fe4Al13 or Fe2Al5 formed in the SS-based MIL by low temperature eutectic reaction, which leads to its brittle properties and stress concentration at metal/intermetallic interface...This study develop a ductile MIL composites: SS/FeAl-based MIL composites which will be fabricated by eutectic reaction together with high temperature annealing process. The study includes: design the stack structure of initial foils, interface reaction mechanism of high temperature annealing in Fe-Al system, dynamic properties of ductile SS/FeAl-based MIL. The research involved thermodynamic and kinetic of reactive diffusion, dynamic behavior of multilayered structure, which will provide theory guidance for preparing and properties characterization of MIL composites.

金属间化合物叠层复合材料（简称MIL）是模拟贝壳结构，将高硬度的金属间化合物与韧性良好的金属交替叠加获得的新型层状复合材料。成本较低且兼具多层化合物结构的不锈钢基MIL材料是极具潜力的叠层复合材料之一，其有望在武器装备防护领域获得应用。然而低温共晶反应获得的不锈钢基MIL材料中化合物层由Fe4Al13、Fe2Al5等富铝脆性化合物构成，使得MIL材料表现出脆性材料的特性，引起金属/金属间化合物界面应力集中。.本研究通过材料设计，以韧性FeAl相作为金属间化合物层与不锈钢交替叠加，利用共晶反应结合高温扩散退火的方式制备韧性不锈钢/FeAl基MIL材料。从初始箔材叠层结构设计、高温扩散退火界面反应机理以及韧性铁基MIL材料动态力学性能表现等方面开展研究。研究涉及扩散反应热力学、动力学以及层状结构动态力学行为等，将为层状复合材料制备及性能表征提供理论指导。

金属/金属间化合物微叠层复合材料（Metal-Intermetallic-Laminate，简称MIL）是依据仿生学原理，模拟自然界贝壳的结构，以高硬度的金属间化合物作为强性层与韧性较好的金属交替叠加获得的新型层状复合材料。该材料通过较小的层间距和多界面效应，能有效提高金属间化合物的断裂韧性，获得兼具高比模量和良好韧性的结构功能一体化材料。MIL材料有望在空间碎片高速碰撞防护、地面装甲车和武器装备防护等领域获得应用。.本研究主要通过建立基于热/动力学相关性扩散方程的不锈钢/FeAl金属间化合物微叠层复合材料组织结构设计和预测体系；获得了不锈钢/FeAl金属间化合物微叠层复合材料的最优化制备工艺；探索了具有多层、韧性相结构的不锈钢/FeAl金属间化合物微叠层复合材料在高速冲击载荷作用下的动态力学行为及损伤机理。.项目通过结构设计及工艺优化，获得了由韧性FeAl金属间化合物层与力学性能及耐蚀性能良好的不锈钢材料交替叠加的铁基微叠层复合材料，改善了传统MIL材料中金属间化合物/金属层界面应力集中以及金属层与金属间化合物层力学性能差异巨大的问题，获得了成本低廉且韧性优于传统钛基或铁基MIL材料的新型不锈钢/FeAl金属间化合物微叠层复合材料。