网状结构石墨烯/低温钛合金复合材料组织调控与静动态力学响应机理

In terms of Hashin–Shtrikman (H–S) theorem [13], the hard phases can strengthen a material up to the hilt only when they enclose the soft phases continuously. It is suggested that the optimized combination of high strength and moderate plasticity can be obtained in case a core-shell structure is constructed in a Ti/graphene composite. In this work, a core-shell network structural CT20 Ti alloy/graphene composite was successfully synthesized by means of power metallurgy technology. We plan to elucidate the formation mechanism of the novel structure; study microstructure of boundary and core-shell dimension and its dependence relationship with mechanical behaviors; study the stress transmission mechanisms and the corresponding deformation process of the whole bulk alloys and establish the mechanical model. This work can not only open a new route for developing engineering structure materials with excellent properties, but also promote development of new preparation technologies.

根据H-S理论，强化相包围基体，并形成连续网络结构时强化效果最佳。如果构造石墨烯包裹钛合金基体的核壳结构复合材料，则有望综合石墨烯高强与钛合金高塑的优势，在金属材料中实现强度与塑性的良好匹配。本项目以CT20低温钛合金粉末为基体，通过粉末混合以及后续的烧结固化，得到核壳网络结构石墨烯增强钛基复合材料。研究核壳网络结构形成过程的影响规律，揭示此结构的形成机理；研究核壳网络结构材料界面状态、结构尺寸等与力学行为依赖关系，揭示其强化机理与塑性变形机制；完成变形过程的有限元模拟，并建立力学模型。此项工作不仅为发展高性能工程结构材料开辟了新途径，而且对材料制备技术的发展具有积极的促进作用。

随着我国航天工业的不断进步，传统低温钛合金已经难以满足航天工业不断提升的轻质、高强、高韧和高安全性的要求。因此，研究和开发新型低温钛基复合材料，实现良好的高强度-高塑性匹配，是拓展钛基复合材料应用领域和推动航天工业继续快速发展的技术关键。本项目选取CT20低温钛合金( Ti-Al-Zr-Mo系)为基体材料，采用自主设计的低成本粉末冶金工艺，并结合先进等离子烧结成型技术，制备了强塑性匹配的高性能网状结构石墨烯/钛基复合材料，并通过热加工技术调整其显微组织结构和力学性能。研究石墨烯与钛的复合界面形成及作用机制，以及静动态拉伸和动态冲击等力学，获得石墨烯与钛基体的协调变形过程，从而揭示网状结构石墨烯/钛基复合材料整体的变形机理。目前，已制备了高性能的网状结构GNPs/CT20和Ag@GOs/CT20两种钛基复合材料。石墨烯引入到钛基体中形成碳化钛-石墨烯，碳化钛-钛基体和石墨烯-钛基体三种典型的界面微结构，成功构建了准连续三维网状结构的显微组织，其具有优异的载荷传递能力，从而协同强化钛基复合材料。原位自生的TiC纳米颗粒不仅通过“桥连效应”实现与钛基体的结合，保证了复合材料的界面结合强度。石墨烯由于TiC纳米层的“屏蔽效应”主要保留于TiC层心部，呈现出优异的界面载荷传递能力。同时，准网状结构的不连续处基体之间的连通效应以及石墨烯的“剪切-延滞效应”保证了此石墨烯钛基复合材料良好的延伸塑性。其中， Ag@GOs含量为0.3 wt% 时钛基复合材料的综合力学性能最优。室温条件下断裂强度为848.55MPa，断裂延伸率为28.7%，冲击韧性为153 J/cm2；-253℃低温条件下断裂强度为1543 MPa，断裂延伸率为9.64%，冲击韧性为82 J/cm2。本项目推动了高性能网状结构石墨烯/低温钛合金复合材料的基础研究，对网状结构石墨烯/钛合金复合材料及工程化应用具有重要的理论指导意义。本研究成果处于国际先进水平。