遗态法制备仿贝壳金属基复合材料及断裂机制研究

Laminated hybrid structure is selected by nature evolution for strengthen-toughening,in which biomimetic preparation of nacre-like materials is the focus for developing high-strength and super-toughness composties. To solve the difficulties in preparing nacre-like metal matrix composites,in this proposal, we use copper as a representative metal to duplicate the lamellar porous structure of fir by the morphogenetic method,in which carbon nanotubes are uniformly dispersed. Finally, nacre-like carbon nanotube enhanced copper matrix composites are obtained by deformation processing and densification. By adjusting structural parameters (featured size and interficial structure) and investigating coupling effects between strengthen-toughening of the bridges between lamellae, lamella toughening, fine grains strengthening and carbon nanotube reinforcing, the route is optimized for preparing biomimetic metal matrix composites with high mechanical as well as functional properties, and a new technogical propotype of biomimetic composite is established in metal matrix composites. At the same time, phase contrast synchrotron radiation computer tomography will be used to in situ investigate fracture behavior and microstructure evolution under an applied field. These results will reveal the coupling response mechanism between biomimetic architecture and properties, providing biomimetic metal matrix composites with theoretical basis and practical approach.

层状复合结构是自然界长期进化而优选的强韧化解决方案，其中贝壳珍珠层仿生制备是高强超韧材料的开发重点。针对仿贝壳金属基复合材料制备困难这一关键科学问题，本项目拟采用遗态法，即以铜为代表金属，复制杉木的层状多孔结构，随后在该多孔金属前驱结构中均匀分散碳纳米管，并通过变形加工的致密化工艺，来制备仿贝壳桥联叠层结构的碳纳米管/铜基复合材料。通过结构参量（特征尺度、界面结构）的定向调控，研究层间桥联强韧化、叠层韧化、基体细晶强化和碳纳米管承载等机制的协调耦合效应，优化出具有高强韧兼顾功能的仿生金属基复合材料的制备方法，构筑金属基复合材料仿生复合的新技术原型。同时，结合同步辐射光源位相衬度显微断层技术，原位研究力场作用下桥联叠层结构的断裂行为和组织演变规律，揭示构型与性能之间的耦合响应机理，为高性能金属基复合材料的仿生复合化提供理论依据和实用途径。

层状复合结构是自然界长期进化而优选的强韧化解决方案，其中贝壳珍珠层仿生制备是高强超韧材料的开发重点。针对仿贝壳金属基复合材料制备困难这一关键科学问题，本项目采用了遗态法，即以铜为代表金属，复制杉木的层状多孔结构，随后在该多孔金属前驱结构中均匀分散纳米碳增强体，并通过热压与变形加工的致密化工艺，制备仿贝壳桥联叠层结构的纳米碳/铜基复合材料。通过对合成和制备条件的优化，建立了遗态层状多孔金属制备和“砖-泥-桥”精细仿生复合技术原型。同时，通过结构参量的定向调控，以及与基于片状粉末冶金技术路线制备的仿贝壳叠层同体系复合材料的比较，探讨研究了特征尺度、复合构型、界面结构、增强体种类、含量和尺寸等参量对强韧化的影响规律，建立了构型与性能之间的耦合响应机理和复合材料强韧化机制。实验结果表明，“砖-泥-桥”精细仿生结构由于层状结构的韧化和三维连通的金属基体，更好地发挥了构型韧化作用和保留了基体塑性；同时因为纳米层状结构的强化效应和石墨烯高的强化效率，复合材料拉伸强度得到大幅提高。所制备的复合材料表现出强度和延伸率同时增加的力学性能，为金属基复合材料的强韧化提供了设计准则。通过较宽参数范围内石墨烯含量和尺寸的调控发现：1）大尺寸石墨烯片径有利于复合材料的强度与韧性的平衡；2）高体积含量石墨烯可以大幅提高复合材料可恢复形变量，较纯金属基体增加将近一个数量级。较氧化石墨烯的外加复合而言，催化生长石墨烯的原位复合具有更高的界面结合强度，以及更高的界面位错密度，可以更好地平衡包括强度、延伸率和电导率等在内的综合性能。对同一体系和构型复合材料的功能特性研究显示，通过对复合构型和界面结合的调控，可以获得了较纯银更高的体电导率和超过纯铜三个数量级的超高石墨烯电导率，为设计制备结构/功能一体化的金属基纳米复合材料提供了实验参考和理论依据。