【信息技术奋发向上】武大信息技术人员研制出

发布时间:2024-06-20 03:36 作者: j9九游会首页入口 字号:

  航太、港航等领域对金属材料轻量化的需求日益迫切,与此同时许多部件/构件的入役环境温度逐渐跨越到250℃-400℃范围内,铝制、武艺高强、耐火的新式板材应用发展潜力巨大。但钛的耐火环境温度一般地与其沸点和占比正相关,即沸点越高、占比越大其耐火环境温度越高,反之亦然,因此铝制低沸点耐火钛的研制就成为了板材领域国际竞争的焦点之一。相对于其他板材,碳纤维是在该环境温度范围内使用最具竞争力的一类武艺高强轻钛金属材料。但是传统碳纤维中赖以加强的奈米结晶相微粒在200℃以上环境温度会出现严重的粗化,使其对基体的加强效果损失严重,的的施加外力的低温塑性工况下,传统碳纤维金属材料将出现快速软化、导致最终结构失稳。如何提高奈米结晶相微粒的耐热性,进而改善武艺高强碳纤维的抗低温塑性操控性,是碳纤维甚至轻钛体系的国际性科学与技术难题。

  针对耐火武艺高强碳纤维的重大需求,西安交通大学板材气压国家重点生物医学副教授和张俊工程院项目组开展了持续科学研究。近日,该项目组副教授科学研究生薛航与北航石蜊、刘明、张金钰和刘福柱合作,在400°C等级耐火武艺高强碳纤维金属材料的研制上取得冲破。他们明确提出了奈米结晶相微粒晶格间歇边线异质氢原子格尼兹的全新热固相结构设计策略,在常见的Al-Cu-Mg-Ag钛中添加微量稀土Sc氢原子,采用柔性时效工艺克服了慢蔓延氢原子Sc与快蔓延氢原子Cu之间有效耦合在时间上的“THF1”,在原有奈米结晶相Ω的基础上,通过原地化学反应路径实现了这两类氢原子在空间上的持续性自组装(图1),形成了具备极高耐热性,与此同时具备大体积百分数的一种新式奈米结晶相微粒(命名为V相)。该奈米结晶相微粒即使在400°C( 0.7倍碳纤维绝对沸点环境温度)的蔗茅入役( 200小时)后仍未见粗化,保持了完美的介面共格结构,从而使得金属材料表现出超常的低温力学操控性:400oC剪切气压100 MPa,超过所有报道的碳纤维1倍以上;400oC下剪切塑性平衡态塑性塑性与所有报道的武艺高强碳纤维或铝基复合金属材料相比降低了2-3个数量级,的的10-7/s临界平衡态塑性速率下塑性应力冲破了40 MPa (图2)。这一高操控性耐火碳纤维的研制成功冲破了武艺高强碳纤维的入役环境温度极限,为开发新式耐低温铝制板材提供更多了宏观组织机构结构设计思路。特别是科学研究工作还发现了Ω结晶相介面上共格石阶提供更多Sc氢原子蔓延浸入地下通道的化学反应新机制(图3),这是1960年代Aaronson明确提出石阶为盘片状奈米结晶相微粒生长机制以来,所揭示的石阶另一个功能性作用,拓展了石阶在板材固态化学反应中的宏观调控发展潜力。

  Sc氢原子在间歇边线的持续性分布可从HAADF照片以及能谱图(c & f)上确定

  图2研制的新式耐火碳纤维在400°C下的剪切曲线(a)和塑性操控性(b)及其与其他碳纤维/铝基复合金属材料的对比

  图3原地化学反应过程中介面石阶(CL)提供更多Sc氢原子蔓延地下通道并诱发Ω相→V相化学反应的氢原子尺度HAADF

  和三维氢原子探针(APT)实验结果:a、b和c分别代表化学反应前、化学反应中和化学反应后

  d 显示出一个Ω泡果多处与此同时出现了V相原地转变(V-1, V-2, V-3),每一处化学反应边线均与共格石阶有关

  相关科学研究结果以《高耐热性奈米共格结晶相:蔓延控制的反应物侵入与间歇格尼兹宏观调控》(Highly stable coherent nanoprecipitates via diffusion-dominated solute uptake and interstitial ordering)为题在线发表在《自然金属材料》(Nature Materials)上,副教授生薛航和石蜊副副教授为该文共同第一作者,副教授和张俊工程院为共同通讯作者。该文合作者还包括法国蒙彼利埃大学的F. De Geuser副教授和A. Deschamps副教授,兰州大学光茎副教授和副教授,以及意大利帕多瓦大学的边建军副教授。《自然金属材料》(Nature Materials)期刊与此同时还发表了由美国橡树岭国家生物医学钛结构设计项目组负责人A. Shyam副教授署名的题为《耐火碳纤维》(Heat-resistant aluminum alloys)的专题评述该文,认为该工作“创制新式奈米结晶相的钛结构设计新策略,使得所制取的碳纤维在近乎其绝对环境温度沸点的80%,即高达400°C下仍然具备史无前例的武艺高气压和抗低温塑性操控性,将对航太、港航等关键部件用、近沸点环境温度下入役的钛结构设计制取与应用及其未来发展产生深远影响”。

  近年来,该项目组专注于武艺高强碳纤维的热固相科学研究,先后明确提出了结晶相介面反应物偏聚、多层级组织机构介面共格分离式、高浓度空位复合体化、结晶相间歇格尼兹等多个宏观组织机构结构设计策略,分别形成了300-400°C环境温度段低温瞬时和低温持久的