金属材料的仿生复合制备与性能研究

复合化是金属材料实现高性能化和功能化的有效途径，但传统的金属基复合材料多以"均匀"的单级复合结构为特征，不利于发挥不同组分之间的协同、耦合和多功能响应机制；反观自然生物材料，如贝壳、骨骼等经长期进化成"组分简单、结构精细、宏观均匀、微观非均匀"的跨尺度、多级次复合结构，从而赋予生物材料优异的力学和功能特性。启迪于典型的生物材料结构，本项目拟采用自组装堆砌方法，重点仿生制备具有类贝壳"砖"砌式叠层结构的金属基复合材料，通过结构参量（复合构型、特征尺度、界面结构）的定向调控，研究纳米-亚微米-微米级的跨尺度、几何约束、结构取向、界面结构的协调耦合效应，优化出具有高强韧、高导热、高阻尼等功能特性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化的新技术原型，揭示仿生复合结构的形成机制与性能之间的耦合响应机理，为金属基复合材料的仿生复合化提供理论依据和实用途径。

复合构型化是金属材料实现高性能化和功能化的有效途径之一，但长期以来金属基复合材料多以"均匀"复合结构为特征，难以充分发挥不同组分之间的协同耦合和多功能响应；如何有效解决该关键问题一直是复合材料科学的研究热点。自然生物材料（如贝壳、骨骼等）经长期进化成"组分简单、结构精细、宏观均匀、微观非均匀"的跨尺度、多级次复合结构，具有超越人工材料的复合响应。本项目启迪于贝壳微纳叠层结构的高强韧匹配特性，提出了金属仿生复合化的学术思想，通过研究微纳片状金属粉末的可控制备、金属粉末与纳米相表面改性、料浆共混复合、叠层组装与致密化、形变加工与仿生组织调控等关键科学问题与技术，揭示了纳米碳与金属粉末之间的微/纳米尺度、几何形貌及界面化学性质的相容性机制，创制了具有类贝壳微纳砖砌叠层结构的碳纳米管/铝、石墨烯/铝及石墨烯/铜基复合材料，构建了微纳砖砌叠层仿生复合技术原型，该学术思想和技术原型开辟了崭新的研究途径，并适用于不同金属基复合材料的创制。.项目通过结构参量（复合构型、特征尺度、界面结构）的有效调控，研究了几何约束、结构取向、界面结构、多维尺度的协同耦合效应和材料的力学性能及导电、导热等功能特性，进而通过界面微纳力学与复合构型建模拟实研究，构筑了金属基复合材料仿生复合的理论基础与技术体系，揭示了仿生复合构型的形成机制与性能耦合响应机理。在基础研究和理论指导下，开展了仿生复合材料的宏量制备和应用研究，制备了大规格复合材料锭坯和型材，开创了仿生复合设计、制备、表征、应用的全链条研究模式，制备的高模量、高强韧碳纳米管/铝合金复合材料在中国标准动车组上得到了应用验证，为今后仿生金属基复合材料的应用发展奠定了研究基础和实用途径。