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
Research on the virtual designing and preparation of metal matrix composites synthesized by PM
项目组：

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(Metal Matrix Composite)，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。
l 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。
l 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、内容及拟解决的关键问题
（一）本项目的研究目标
本项目的目标为完成金属基复合材料虚拟设计与制备技术和相关共性科学问题的研究，利用信息技术实现材料制备的仿真设计与虚拟材料试验。
研究目标为：
l 建立金属基复合材料界面的模型，利用计算机有限元计算进行界面细观力学分析，提出相关柔性界面判据。
l 完成具有轻质高强高韧金属基复合材料的设计。
l 实现材料试验过程的计算机仿真。建立一套完整的专家系统，实现对金属基复合材料的设计及优化。
l 利用粉末冶金技术制备出高性能金属基复合材料。
（二）主要研究内容
（1）金属基复合材料的界面设计
l 对基体和增强体的界面进行细观力学分析及建立界面本构方程
l 研究界面的物理及化学特性，界面反应条件
l 进行具有高的临界界面功耗的柔性界面设计
（2）先进金属基复合材料的制备及其性能研究
l 材料试验过程的计算机仿真（虚拟试验）研究
l 轻质高强铝基、镁基复合材料的制备及性能研究
l 根据不同性能要求，利用人工神经网络技术，对基体成分、增强体含量、热处理工艺等进行优化设计
拟解决的关键问题：
1、 界面细观力学有限元分析计算。
2、 粉末冶金铝基、镁基复合材料制备工艺过程中的“氧化”防止。

研究思路、技术路线及可行性分析

1） 研究选用粉末冶金法制备试验所需各种材料。技术路线为：

成分设计
原料预处理
一般混料法制粉
机械合金化法制粉
制坯设计
真空烧结
可控气氛烧结
空气中烧结
微波烧结
冷成型
热成型
制样设计
后续处理

l 按本项目研究内容要求设计材料成分和组成。
l 检测对比一般混料法和机械合金化法粉体原料所制坯料的质量及在不同烧结方法中烧结质量。
l 利用自制设备（高温显微镜）观察研究烧结过程中粉体各组元的熔化、扩散及烧结反应相生成情况。以此研究和优化烧结工艺。
l 利用冷热成型法制材，研究不同变形度、不同成型温度对不同构成材料的组织性能的影响。

2) 建立金属基复合材料的界面模型
力学界面：利用固体力学方法研究增强体粒子、韧性粒子与基体的界面处应力、应变分布及应力、应变速率间断面；建立界面的本构方程。
利用弹塑性有限元法计算分析不同分布、不同形态增强体的应力、位移场。
物理冶金界面：利用热力学分析材料制备过程中增强体－基体界面处大的成分、反应及界面几何形态对材料中各元素分布状态的影响，各元素在界面处的偏聚与贫化。
l 依以上理论分析及所建立的模型进行微梯度设计和韧性界面设计。
l 建立粒子增韧模型，研究金属基复合材料增韧途径。

3) 材料性能检测与性能优化的计算机仿真
结合对所制备复合材料的性能测试，对基体成分、增强体含量、热处理工艺等利用人工神经网络技术进行性能优化设计。
对复合材料试样，利用有限元分析法仿真，建立虚拟实验台，进行材料性能预测。

创新：

研究工作进度：
1） 2004年1月——2004年6月
金属基复合材料的界面设计
2） 2004年7月——2003年12月
材料性能检测与性能优化的计算机仿真与虚拟实验
3） 2004年1月——2004年6月
先进金属基复合材料的制备及其性能研究
4） 2004年6月——2004年12月
全面总结，提交研究报告。