Ti/Al层状复合材料的第一性原理研究及设计

The mechanical properties and thermal properties of middle transition layer of Ti/Al laminated composites are studied by First principles and Debye model, and the electrical transport properties are studied with Boltzmann transport equation. The Edge-to-Edge matching model in combination with the First principles are used to determine the crystal orientation relationship of the middle transition layer and substrate materials. The interfacial bonding strength and the influence on the physical properties of laminated composites are researched. With the result, the Association of microstructure and properties will be established. Three kinds of Ti/Al laminated composites materials are designed with the Association of microstructure and properties: the laminated composites with excellent mechanical properties, the laminated composites with excellent thermal properties and the laminated composites with excellent electrical properties. The preparation technology are optimized by Ti-Al binary phase diagram. Finally, the microstructure and properties of the three composites were haracterized and comparative study. In this subject, the influence of intermediate layer on the properties of Ti/Al laminated composites are studied in terms of microscopic structure. The Ti/Al laminated composites with different performance are designed on the atomic scale. This project provides a new ideas and methods for composite materials research and development.

项目以Ti/Al层状复合材料的中间过渡层作为研究对象，利用第一性原理结合德拜模型研究含不同钛铝金属间化合物中间过渡层的力学性能和热学性能，结合波耳兹曼传输方程研究其电学性能。利用Edge-to-edge匹配模型联合第一性原理对结合界面的晶体学位相关系进行深入的研究，并分析中间过渡层与基体材料的结合强度及层状复合材料物理性能的影响规律，建立组织-性能关联模型。根据组织-性能关联模型和力学性能、热学性能及电学性能的要求分别设计出三种对应的Ti/Al层状复合材料。对复合材料的组织和性能进行表征和对比研究，结合Ti-Al二元相图对其制备工艺进行优化，以获得性能优良的Ti/Al层状复合材料。本项目从微观上揭示中间过渡层对复合材料性能的影响规律，从原子尺度上设计满足不同性能要求的功能-结构一体化Ti/Al 层状复合材料，为复合材料的研究和开发提供新的思路和方法。

项目以Ti/Al层状复合材料的中间过渡层作为研究对象，利用第一性原理研究不同Ti-Al金属间化合物中间过渡层的力学性能、热力学性能和电学性能。建立不同Ti-Al金属间化合物与Ti、Al基体的界面结构，从原子尺度研究中间过渡层与基体之间的界面结构关系。利用热压扩散焊接法制备Ti/Al层状复合材料，研究不同工艺对中间过渡层组织结构的影响以及对复合材料综合性能的影响。研究得出以下结论：.（1）四种Ti-Al金属间化合物的形成焓都为负，从能量角度而言TiAl3、TiAl2、TiAl和Ti3Al都是稳定存在的金属间化合物。(2)性能计算分析研究显示：金属间化合物的塑性大小顺序为：Ti3Al>TiAl>TiAl2>TiAl3，电导率大小排序是：Ti3Al>TiAl3>TiAl>TiAl2，Ti3Al和TiAl3两者的电学性能相差不大，都相对优良。热力学性能计算结果显示，德拜温度的顺序为：TiAl2>TiAl3>TiAl>Ti3Al。 (3)界面计算显示，同一种界面结构中，中心位的最优距离最短，桥位次之，顶位的最优距离最长。粘附功与之相反，中心位粘附功最大，顶位的最小。在同一种金属间化合物的情况下，Al与金属间化合物形成的界面的粘附功比Ti小，表明复合材料中间过渡层与钛基体结合的强度要高于铝基体；（4）利用热压扩散焊接法制备所得的复合材料中间过渡层主要是TiAl3相，这与第一性原理计算结果相符（TiAl3相是可以稳定存在的），并且过渡层随着制备温度升高和保温时间的增加而增厚。（5）金属Al要比Ti和生成的TiAl3过渡层强度都要低，其硬度低而延展性和塑性较好，并且界面生成的金属间化合物与Al基体的界面结合强度比Ti基界面的结合强度低。复合材料失效裂开时，主要是从金属Al侧被撕裂开，这与粘附功计算结果相符。（6）复合材料的电导率和热导率处于纯铝和纯钛之间，当扩散温度为540℃，保温时间为1.5h，复合材料的电导率和热导率相对较佳。由于过渡层的厚度很薄，影响复合材料电导率和热导率的主要因素为Ti和Al的相对厚度。