原位自生TiC05颗粒增强Cu(Sn)复合材料的制备及压缩性能研究

项目背景具有高强度高延伸性，且耐磨抗侵蚀的铜基材料，因其各项特性和易加工成型的特点，可以在航空航天、精密仪器、海中仪器等诸多领域应用。但是，高强度和高延伸性往往不可共得，Cu具有很好的延伸性，但强度较低，近些年来，通过陶瓷相颗粒增强Cu基复合材料、Cu金属合金超细化等手段提高了Cu材料的强度，但牺牲了Cu的塑韧性。传统的陶瓷增强金属基复合材料主要有三种增强方式：颗粒增强、晶须增强、纤维增强。这三种方式的增强效果依次递增。虽然纤维增强效果最好，但其轴向(平行于纤维方向)与横向(垂直于纤维方向)增强效果相差悬殊，这是陶瓷纤维增强金属基复合材料一直未能很好解决的各向异性技术难题。因此，本小组拟用TiC05陶瓷增强细晶Cu基复合材料，以Ti2SnC作为先驱体，使得TiC05和Cu基合金均为连续分布，陶瓷骨架因为金属相所具有的韧性得到增韧，金属相由于陶瓷骨架的刚性承载作用而得到增强，两者相互依托，相互补强，互为支撑骨架，与传统的颗粒增强、纤维增强和晶须增强复合材料相比,具有更为独特的力学性能、强度和韧塑性，而且具备性能的各向同性。Ma课题组和Lu课题组制备了纳米孪晶Cu，屈服强度能达到620MPa，而且拉伸伸长率大于10%；也有一些课题组采用纳米粒子和纳米沉淀物分散强化来调节超细晶铝合金、钢合金和钼合金的强韧性，并取得了较好的结果。研究内容1、TiC05陶瓷增强细晶Cu基复合材料的制备。研究不同制备方法、TiC05相含量及保温时间、保温温度等工艺参数对TiC05/Cu基复合材料的影响；界面润湿性和化学反应；不同制备方法、制备条件下的结果。2、TiC05相对Cu基合金的细化效果和形核细化机理的研究。3、复合材料的屈服强度塑韧性等特性研究。项目方案（科学性、创新性、技术可行性、拟解决的问题、成员分工等）科学性

1、Ti2SnC与Cu作用，Sn逸出，形成亲和度好的TiC05。前期的实验运用不同比例的TiC化合物，作用效果的最优化有待深入研究。本项目应用亲和度最好的TiC05，介于TiC05不易保存，空气中易氧化，以Ti2SnC作为前驱体，以达到TiC05增强Cu基的目的，具有重要的理论意义。2、Ti2SnC中的Sn元素在高温、外力（热压烧结）作用下容易从原先不稳定位置逃逸出来，而且Cu与Sn之间的固溶能力很好；Ti2SnC中Sn元素逃逸后留下纳米级TiC05颗粒（原位自生）与Cu基体的润湿性很好，可作为形核剂或细化Cu基体。3、Ti2SnC增强Cu基复合材料的变形机理。本研究通过流变特性与显微结构、Cu基体的晶粒度和体积分数等影响因素等方面分析和探讨相关变形机理，对制备其他颗粒增强金属基复合材料具有重要的科学启发作用。创新型1、首次探索采用Ti2SnC作为先驱体实现TiC05陶瓷增强细晶Cu基复合材料的制备，，为其他高强度高延伸性金属合金或复合材料的制备提供借鉴。2、首次揭示基于TiC05陶瓷增强细晶Cu基复合材料的制备，为其他细晶金属的制备提供科学启发作用。3、揭示TiC05陶瓷增强细晶Cu基复合材料反应引起的相变和热力学动力学机制，为TiC与其他相关材料的反应复合研究产生科学启示。技术可行性根据Ti2SnC特有的纳米层状晶体结构、高温及外力条件下Sn原子容易逃逸的特性，理论上，Ti2SnC满足Sn元素与Cu有很好的润湿性，能在高温下将Sn元素溶出，留下纳米TiC05基团；纳米TiC05基团与Cu有很好的润湿性，能满足作为Cu形核核心和细化晶粒的要求，那么纳米TiC05增强超细晶Cu基复合材料是可行的。实践上`，从已有的研究结果看来，采用微米粒度的TiAlC2与Cu在高温下反应获得纳米TiC05增强超细晶Cu基复合材料也是没有问题的，并且已证实此材料具有优异的力学性能。这些已有的研究对于本项目是很好的参考。只要上述的关键科学问题得以解决，并注意合成制备工艺过程中的一些技术细节，TiC05陶瓷增强细晶Cu基复合材料的制备是可以实现的。将纳米粒子分散在晶粒内部对同时增加强度和改善超细晶合金的延伸性，在理论上是一种有效的方法，因为晶内颗粒可以产生错位、阻碍位错的运动从而在晶内形成大量位错塞积，使得在提高强度的同时增加了延伸性。从初步的调研研究结果看，纳米TiC05增强超细晶Cu基复合材料也确实获得了高强度和高延伸性。本项目拟开展的工作，实质上是选择合适的纳米TiC05粒子作为形核剂分散在Cu晶粒内部，使Cu晶粒超细化，并能作为很好的增强剂增强Cu基复合材料，从而使之具有期待的高强度高延伸性。这一点，在理论上和实践上都是没有问题的。拟解决的问题如何有效地抑制TiC05晶粒的长大或聚集，从而形成高度弥散且具有优异细化活性的纳米TiC05质点。如何有效地控制Ti2SnC材料与Cu反应后Sn元素的分布位置及形态。成员分工经过大家的协商探讨，我们一组三个人一致决定：鲍佳蕾负责材料的整合与疏理，制定出科学有效地实验步骤与时间节点，组织大家完成实验并研究数据；漆振宇负责查找相关文献并找出与本项目有关的理论知识和之前的研究结果；欧阳君颜负责最后成品的制作；三个人共同完成实验并对实验结果分析讨论。