新型二维MXenes诱导铜超细晶材料的细化机理及结构调控

New structural materials with high strength and toughness are vital significance to high technical equipment fields, such as aerospace field, rail transport industry, ship and ocean engineering, and so on. In view of the deficiencies of existing preparation process of ultrafine grain copper matrix materials and their properties, a new two-dimensional MXenes reinforced ultrafine grain copper matrix composites with high strength and toughness will be explored and studied in the project, which have a good wettability with copper at high temperature. The controllable preparation of the ultrafine grain copper matrix composites will be achieved by regulation of microstructure, morphology and distribution of the MXenes, by optimization of the key process parameters influencing wetting behavior, and by heterogeneous nucleation effect of the MXenes on crystallization of copper. Influence factors on the wetting behavior and its working mechanism will be focused in the project. The morphology and distribution of the MXenes, the grain refinement of copper matrix and the interface structure between the MXenes and copper matrix will be studied and illuminated. The interrelation among the preparation process, microstructure and mechanical properties of the ultrafine grain copper matrix composites will be revealed. The project will not only develop a new ultrafine grain copper matrix composites with high strength and toughness, but also open up a new strategy for strengthening and toughening other metal matrix materials.

高强高韧新型结构材料的设计与开发对于航空航天、轨道交通、船舶与海洋等高技术装备领域的发展具有重要意义。鉴于现有铜基材料强韧化制备工艺及性能的局限性，本项目制备了一种与铜具有良好高温润湿性的新型二维MXenes材料作为增强相，通过调控MXenes的结构，优化影响MXenes与铜润湿行为的关键工艺参数，利用MXenes在铜结晶时的非均匀形核作用，最终制备了一种晶粒内分布二维纳米增强相的超细晶铜复合材料，实现了材料的强化和韧化。本项目着重研究MXenes与铜的高温润湿行为及其影响因素和作用机理，阐明增强相MXenes的形态及分布、铜基体晶粒超细化以及MXenes与铜基体界面结构的影响因素及其作用机制和调控方法，揭示二维MXenes/超细晶铜复合材料制备工艺、材料结构与材料特性之间的关联规律。本项目的开展不仅开发了一种新型高强高韧超细晶铜复合材料，也将为其它高强高韧金属基材料的研究开辟新思路。

高强韧新型结构材料的设计与开发对于航空航天、轨道交通、船舶与海洋等高技术装备领域的发展具有重要意义。鉴于现有铜基材料强韧化制备工艺及性能的局限性，本项目设计制备了一种新型二维MXene/Cu复合材料。首先研究了刻蚀剂浓度和温度对MXene结构的影响，退火温度对MXene表面官能团的调控作用及MXene结构稳定性的影响规律；深入研究了MXene在Cu基体中分散均匀的结构演变过程；研究了Ni纳米颗粒修饰的MXene与Cu基体的润湿性及其对MXene团聚颗粒在Cu基体中进一步分散的作用机理；系统研究了MXene的分散均匀性对MXene/Cu复合材料力学性能的影响规律。结果发现，采用20%浓度的HF酸在50℃下刻蚀Ti3AlC2粉体5h便可得到MXene，通过高压均质处理可获得片层结构分散的MXene。通过高温退火可以减少MXene表面的F和O官能团，但是当退火温度超过750℃时，MXene逐渐由二维结构向立方相TiC结构转变。利用Cu颗粒高能球磨过程中的冷焊作用和剧烈的塑性变形可以实现MXene颗粒的进一步细化及其在Cu基体中的均匀分散。润湿性研究表明，MXene表面的O官能团使其与Cu基体难以润湿，经过Ni纳米颗粒修饰后，利用Ni与Cu高温下良好的合金化作用实现相互扩散，从而改善了MXene与Cu基体的润湿性，进而改善MXene团聚颗粒的分散性和颗粒间的结合强度。当MXene的含量小于3%时，MXene/Cu的拉伸强度和延伸率都随球磨时间的延长而增大，但是材料的延伸率都相对较低。3MXene/Cu-9h的拉伸强度为287MPa，延伸率为4.7%。而Ni-MXene/Cu的强度和延伸率都明显高于MXene/Cu，3(Ni-MXene)/Cu-9h的拉伸强度为321MPa，延伸率为15.4%。通过本项目的研究阐明了MXene与Cu基体润湿性的影响因素和调控方法以及二维MXene在Cu基体中均匀分布的影响因素和作用机理；揭示了MXene分散均匀性对最终复合材料性能的影响规律及影响机制。本项目不仅开发了一种新型Cu基复合材料，也为其它二维材料增强金属基复合材料的开发提供借鉴和科学启发。通过本项目的实施，发表SCI论文4篇，申请中国发明专利2项，均已获得授权，培养研究生3名，完成了所有预设目标。