粉末冶金金属基复合材料虚拟设计与制备.doc

粉末冶金金属基复合材料虚拟设计与制备
ResearchonthevirtualdesigningandpreparationofmetalmatrixcompositessynthesizedbyPM
项目组：
席生岐赵广社郗雨林李晓军曹利强张文兴柴东朗

主要内容和意义：
复合材料的一大特点在于组织和性能的可设计性。本项目以粉末冶金法制备金属基复合材料为研究对象，在对其界面微结构研究基础上，通过计算机虚拟设计与制备，确保制备复合材料界面微结构合理、性能优异，优化并控制制造工艺过程，降低金属基复合材料在生产制造成本，提高成品率，使粉末冶金金属基复合材料尽早得到广泛应用。

预期研究目标：
在建立金属基复合材料界面的模型基础上，借助计算机利用该模型和相关判据进行柔性界面设计。完成具有轻质（ρ<2.0g/cm3）高强高韧金属基复合材料的设计并制备出材料。利用信息技术实现计算机仿真的虚拟材料试验，建立虚拟实验台，进行材料性能预报。

立论依据：
金属基复合材料(MetalMatrixComposite)，简称(MMC)是以金属及其合金为基体，与一种或几种金属或非金属增强相人工合成的复合材料。作为结构材料，它不但具有一系列与其基体金属或合金相似的特点，而且在比强度、比模量及高温性能方面甚至超过其基体金属及合金，在航空、航天工业和汽车工业中有着广阔应用前景【】。虽然金属基复合材料应用范围的逐步扩大，但还存在着诸多问题，如在提高材料的强度的同时，大幅度降低了材料的延伸率；零部件在出现的内部损伤超出容限范围后如何使之愈合，各种材料优化方案的评判问题等，而解决这些目前尚未或亟待解决复合材料中的个性和共性的关键科学问题则愈发显得迫切，特别是在以下两方面的研究对于金属基复合材料的开发与应用具有现实意义。
金属基复合材料的界面细观力学
大多数金属基复合材料，在热力学上是非平衡体系，也就是说增强材料与基体界面存在化学势梯度。这意味着增强材料与基体之间只要存在有利的动力学条件，就可能发生增强材料与基体之间的扩散和化学反应。增强材料与基体界面发生化学反应，在界面上生成新的化合物层，也就是界面层。金属基复合材料的界面研究一直未取得重大突破，界面反应的控制尚未找到有效的手段；基体——界面——增强体三者对材料性能影响规律及三者间的优化配合尚需进一步探讨【】。本研究拟利用自主提出的“界面功耗”模型【】，缓解增强粒子邻域的“应变”约束，从而实现界面的柔性设计，有效提高金属基复合材料的塑韧性。该问题的解决对制备高性能复合材料，有效发挥复合材料的优异性能将有着深远的理论意义和广泛的实际应用价值。
信息技术与材料科学的结合
信息技术在材料开发、制备及应用相结合主要是指利用计算机技术解决材料中存在的问题。主要内容包括成分设计与优化（建立一套专家系统）、制备的过程控制（实现材料制备的自动化或半自动化，减少人为因素对材料性能的影响）、材料性能检测的计算机仿真（虚拟试验）以及材料中现象（界面、损伤和愈合等）模型的建立与问题解决的一揽子方案等【】。材料与信息技术的结合将彻底改变目前传统的材料研究模式（尝试法），根据界面细观力学研究成果，把大量的试验工作转变为虚拟研究，所作的试验主要是针对优化方案进行验证，从而免去大量的材料试验和工艺研究，大大缩短从材料开发到应用的周期。这将大大减少不可逆自然资源在研究开发中的浪费，同时也加快了材料工业化应用的步伐，对促进我国的国民经济和加强国防建设有着不可估量的影响。
复合材料的一大特点在于组织和性能的可设计性。粉末冶金法制备金属基复合材料也可以根据所设计的金属基复合材料的性能要求设计选择基体和增强体。和其它金属基复合材料制备工艺相比较，粉末冶金法制备金属基复合材料具有以下优点【】：首先，可以根据所设计的金属基复合材料的性能要求，使增强材料(纤维、颗粒或晶须)与基体金属粉末以任何比例混合，纤维含量最高可达75％，颗粒含量可达50％以上，这在液态法中是无法达到的。其次，热等静压或烧结温度低于金属熔点，因而引起的增强材料与金属全体界面反应少，减小了界面反应对复合材料性能的不利影响。同时可以通过热等静压或烧结时的温度、压力和时间等工艺参数来控制界面反应。第三，粉末冶金制备的金属基复合材料可以通过传统的金属加工方法进行二次加工，可以得到所需形状的复合材料部件的毛坯。但粉末冶金法和扩散结合一样，工艺过程比较复杂，增加了工艺的复杂性和成本。然而由于粉末冶金法制备金属基复合材料的上述优点，国内、外仍然在致力发展粉末冶金法生产金属基复合材料。
本研究仍采用粉末冶金工艺来制备金属基复合材料，在对其界面微结构认识基础上，借助现代有限元计算机仿真分析程序，通过计算机虚拟设计与制备，确保制备复合材料界面微结构合理、性能优异。

参考文献：

研究目标、内容及拟解决的