“超声+电流”活化烧结铝基复合材料异质界面连接机理研究

In a metal matrix composite reinforced with particles. The macro performance of the material is directly affected by the micro-joining quality at the heterogeneous interface. In this proposal, an innovative ultrasonically assisted & electrically activated sintering technology will be applied to prepare an aluminum matrix composite reinforced with B4C particles. The studies to be conducted include oxide film removal mechanisms on the particle; purification and activation mechanisms at the interface; wetting and joining mechanisms at the heterogeneous interfaces; Fundamentals like atomic diffusion thermodynamics, kinematics and physical metallurgy will be revealed under ultrasonically & electrically effects. The wetting and spreading mechanism of local liquid-phase at the interface under the high-frequency ultrasonically field will be elaborated. The density mechanism will be further investigated. The micro-/nano-mechanical behavior at the bonding interface will be characterized. A relationship among ultrasonic field, electric field, fine interfacial structure, interfacial micro-/nano-mechanical properties, and macro mechanical properties will be established. Through these proposed studies, not only the interfacial bonding mechanism in ultrasonically assisted & electrically activated sintering will be revealed, but also an innovative way to fabricate a high-performance metal matrix composite reinforced with particles, whiskers, and fibers will be propsed for the design/development of new generation of sintering equipment.

颗粒增强金属基复合材料中颗粒/基体异质界面微观接合行为直接影响其宏观力学性能。本项目提出“超声+电流”活化烧结复合材料制备技术，以B4C颗粒增强铝基复合材料为研究对象，研究“超声波场-电场-力场”三场耦合作用下，颗粒表面氧化膜破碎机制、表面净化与活化机制、异质界面润湿与连接机理；探索“电流效应”和“超声波效应”对界面原子扩散动力学、热力学作用机制以及界面处的物理冶金反应；探究界面处产生的局部液相在超声波高频振动作用下在增强体表面润湿铺展的作用机制，进一步对复合材料致密化机理进行研究；对界面处的微、纳力学性能和宏观力学性能进行表征分析，建立“超声波场-电场-力场-界面精细组织结构-界面微/纳力学性能-宏观力学性能”之间的内在联系。本项目的实施不仅有利于揭示超声波在电流活化烧结粉末过程中的界面连接机制，还可为制备高性能的颗粒/晶须/纤维等增强金属基复合材料提供一种新方法,设计研发新型烧结设备。

颗粒增强金属基复合材料具有优异的结构/功能特性，在航空航天、核电军工和电子电工等领域有着广泛的潜在应用。复合材料内部颗粒/基体之间界面接合强度直接影响其宏观力学性能，特别是高颗粒含量金属基复合材料，例如30wt.%B4C铝基复合材料用于核电站乏燃料贮存用中子屏蔽板材。.如何提高金属基复合材料颗粒/基体界面接合强度，是制备高性能金属基复合材料的关键。因此，本项目提出了采用“超声+电流”活化烧结方法制备B4C颗粒增强6061铝基复合材料，探究“超声波效应”和“电流效应”对材料内部异质界面接合机理的影响，提高颗粒/基体之间的界面接合强度，为后续复合材料的塑形变形奠定基础。.通过优化机械球磨工艺，制备了不同B4C颗粒含量的铝基复合材料粉末，采用电流活化烧结方法制备了高致密度的复合材料坯料，通过数值模拟和实验验证的方法探究了电流效应和超声波效应对提高颗粒/基体异质界面接合强度的影响，对异质界面的接合机理进行了分析。.采用挤压、轧制和强力错距旋压方法对电流活化烧结的B4C铝基复合材料进行塑形变形加工，制备了高性能的复合材料管材、板材，分析了颗粒、界面在塑形变形过程中的演化规律。设计了不同结构的复合材料，研究分析了复合场对材料微观组织结构、界面接合机理以及力学性能的影响，建立了“复合场-微观组织结构-界面接合-力学性能-断裂机理”之间的内在联系，搭建了新型烧结设备，所制备的30wt.%B4C铝基复合材料的强度可达300MPa。.本项目的开展，为制备高性能金属基复合材料提供了一种新的方法，阐述了颗粒/基体异质界面的接合机理，分析了复合材料的断裂机制。该研究成果可应用于耐摩擦磨损、耐腐蚀、轻质高强、抗冲击、屏蔽辐射等结构/功能复合材料领域，进一步丰富了复合材料制备手段和设备。