高性能网状结构陶瓷增强铁铝基复合材料的设计、制备及摩擦学机理研究

As a kind of new structural materials, reticulated structure Fe-Al based composites have high strength, fine toughness and low-cost. In this proposal, the Iron-aluminum matrix composites are reinforced by one novel reticulated ceramics, which can effectively solve a series of problems caused by the phase aggregation, such as the low strength, poor toughness and integrity. In more details, there will be systematically investigated: (1) the microstructure and mechanical properties; (2) the effect of composition, content and sintering conditions for the reticulated structure, and construction of reticulated structure design criteria; (3) the friction and wear laws of Fe-Al Based alloy and its composites under high temperature environments; (4) deeper understanding of wear mechanisms of the materials; (5) to improve material performance and promote the beneficial surface tribochemistry by adjust the appropriate reticulated structure; (6) to reveal the relations between the one novel reticulated structure and tribological properties. This proposal will help to provide theoretical basis and technical support for solving practical application problems of iron aluminum based composites under harsh environmental conditions.

网状结构陶瓷增强Fe-Al基复合材料是具有高强度、髙韧性、低成本、抗磨损的新型结构材料。本项目采用一种网状增强机制对Fe-Al基复合材料进行强化，有效解决了增强相弥散分布所带来的与基体易发生团聚、复合后材料强度、韧性和整体性下降等一系列问题，实现了材料的高性能化。通过研究网状结构复合材料的微观组织和力学性能，分析材料的组成、含量和烧结条件对网状结构尺寸和界面宽度的影响，建立网状结构设计准则。通过研究复合材料在高温高载环境下的摩擦磨损行为规律，深入认识网状结构材料的磨损机理；在优化制备网状结构的基础上，调整材料网状结构、增强相功效性以及促进有益的摩擦现象和表面效应，提升材料性能；揭示网状结构与Fe-Al基复合材料抗磨损性能之间的关系。本项目的成功实施将为铁铝基复合材料在苛刻环境下的实际应用提供理论依据与技术支持。

Fe-Al基复合材料作为新一代耐高温、抗磨损、低成本的结构材料，在苛刻环境中具有重要的应用背景。目前实际应用中涉及到的高温、重载等苛刻条件下的减磨和抗磨问题亟待解决。设计高性能的网状结构陶瓷增强Fe-Al基抗磨材料是一种有效的解决方法。基于此本项目重点研究了Fe3Al及Fe3Al/TiC复合材料网状结构制备方法，微观组织和力学性能，材料的组成、含量和烧结条件对网状结构尺寸的影响。考察了Fe-Al基复合材料在高温，真空，海水环境下等苛刻环境下的摩擦磨损性能。另外在此基础上还考察了高熵合金材料的摩擦磨损性能。研究结果表明，Fe3Al合金制备条件在1000℃性能最好，添加TiC复合材料的最佳制备条件为1200℃，保温时间30min，真空度10-2 Pa；原位生成TiC复合材料与外加TiC复合材料的力学性能及摩擦学性能进行了详细对比，发现两者均能有效改善复合材料的力学性能和摩擦学性能，其中原位生成TiC，由于与Fe3Al合金结合性更好，匹配度高，因此原位复合材料的整体性更优异，抗磨损能更出色；海水腐蚀环境下，考察了不同对磨材料对Fe3Al合金摩擦学性能的影响，结果表明Al2O3作为摩擦配副时合金拥有更优异的摩擦磨损性能。真空环境下，通过与大气环境下摩擦学数据进行详细对比发现，添加Ba0.25Sr0.75SO4明显改善了Fe3Al合金的真空摩擦学性能，尤其抗磨损性提高了3-7倍。Fe-Al合金及其复合材料在上述所提到的高温、真空、海洋等苛刻环境下均表现出了良好的摩擦学性能，是一种极具发展潜力的结构材料，本项目为该材料在以上苛刻环境下的应用提供了一定理论支持和技术指导。