新一代金屬材料-Next+Generation+Metal+Ma王自東

新一代金屬結(jié)構(gòu)材料—NextGenerationMetalMaterials王自東北京科技大學(xué)材料學(xué)院北京科技大學(xué)UniversityofScienceandTechnologyBeijing

匯報(bào)提綱研究室名稱和人員組成研究室定位發(fā)展目標(biāo)和主要任務(wù)研究方向?qū)W(xué)科發(fā)展的作用研究室成員工作業(yè)績和成果水平擬任首席教授的綜合能力和貢獻(xiàn)

金屬功能材料制備與成形研究室二、定位發(fā)展目標(biāo)和主要任務(wù)

主要從事金屬凝固、加工成形過程中的理論與工藝控制研究工作，包括：胞、球晶生長理論；高性能納米彌散相增強(qiáng)合金；連續(xù)定向凝固技術(shù)，制備高性能銅及銅合金管線材、鋁及鋁合金絲材，陀螺儀上用銀包鋁絲，特種功能用銀包銅絲等特種絲材和超細(xì)絲材；特種鑄造技術(shù)，如制備高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金鑄件等；結(jié)構(gòu)與功能一體化高性能阻尼鋼——結(jié)構(gòu)用高阻尼減振鋼板，框架用高阻尼減振工字鋼，減振降噪用聲子晶體材料等。北京科技大學(xué)UniversityofScienceandTechnologyBeijing

金屬功能材料制備與成形研究室

金屬功能材料制備與成形研究室北京科技大學(xué)UniversityofScienceandTechnologyBeijing三、研究方向?qū)W(xué)科發(fā)展的作用

金屬凝固理論納米彌散相增強(qiáng)金屬材料制備技術(shù)聲子晶體材料連續(xù)定向凝固制備技術(shù)（銅管材等）

主要研究方向北京科技大學(xué)UniversityofScienceandTechnologyBeijing

金屬功能材料制備與成形研究室

1.金屬凝固理論用解析的方法對(duì)材料制備加工中常見的生長過程（如定向凝固與自由凝固系統(tǒng)內(nèi)）發(fā)生的強(qiáng)非線性階段的胞、枝晶生長和球晶生長中的動(dòng)力學(xué)過程以及界面穩(wěn)定性等進(jìn)行深入細(xì)致的研究。該項(xiàng)研究是應(yīng)用數(shù)學(xué)、材料科學(xué)與凝聚態(tài)物理學(xué)交叉領(lǐng)域的前沿課題。其解決對(duì)材料制備加工工藝的改進(jìn)與終端產(chǎn)品質(zhì)量的提高等均具有重大而深遠(yuǎn)的意義。

金屬功能材料制備與成形研究室北京科技大學(xué)UniversityofScienceandTechnologyBeijing

2.納米彌散相增強(qiáng)金屬材料制備技術(shù)金屬材料的增強(qiáng)、增韌是一對(duì)矛盾增強(qiáng)——強(qiáng)度提高塑性下降增韌——塑性提高強(qiáng)度下降如何做到增強(qiáng)同時(shí)增韌或增強(qiáng)時(shí)塑性不下降？納米增強(qiáng)技術(shù)20nm

金屬功能材料制備與成形研究室北京科技大學(xué)UniversityofScienceandTechnologyBeijing

3.聲子晶體制備及其振動(dòng)帶隙特性研究機(jī)械振動(dòng)廣泛存在于航空航天、機(jī)械動(dòng)力、交通運(yùn)輸?shù)雀鱾€(gè)領(lǐng)域中，抑制有害振動(dòng)一直是工程技術(shù)中迫切需要解決的問題,其中小尺寸、低頻減振降噪仍然是難以解決的問題之一,而聲子晶體有望解決這一難題。北京科技大學(xué)UniversityofScienceandTechnologyBeijing

金屬功能材料制備與成形研究室

4.連續(xù)定向凝固制備技術(shù)制備具有連續(xù)柱狀晶或單晶組織的銅管材銅及銅合金桿線材鋁及鋁合金線材等北京科技大學(xué)UniversityofScienceandTechnologyBeijing

金屬功能材料制備與成形研究室

ZidongWang,XuewenWang,QiangsongWang,IShihandJJXu.Fabricationofananocompositefrominsituironnanoparticlereinforcedcopperalloy，Nanotechnology，2009,20:075605;SCI收錄,EI收錄

ChenMingwen,WangZidong,Xu

Jian-Jun,Xie

Jianxin,Theeffectoffarfieldflowonasphericalcrystalgrowthintheundercooledmelt,Acta

Mechanica

Sinica,2008,24:681~689.(DOI:10.1007/s10409-008-0169-7)ISSN:0567-7718;SCI收錄,EI收錄

代表性論文北京科技大學(xué)UniversityofScienceandTechnologyBeijing

金屬功能材料制備與成形研究室ChenMingwen,WangZidong,Xu

Jian-Jun,Theevolutionandmorphologicalstabilityofasphericalcrystal,ScienceinChinaE,2008,51(3):225~243.ISSN:1006-9321;SCI收錄,EI收錄

陳明文,王自東,孫仁濟(jì),遠(yuǎn)場(chǎng)來流對(duì)過冷熔體中球晶生長的影響,物理學(xué)報(bào),2007,56(3):1819~1823.ISSN:1000-3290.SCI收錄EI收錄ZhangHong,WangZidong,Xie

Jianxin,ChenYajun,WangYingwei.CrystalPreferentialOrientationAnalysisofAl-1.0wt%SiAlloyinContinuousUnidirectionalSolidificationProcess.TransactionsofNonferrousMetalsSocietyofchina.2006,16(S3):s1518-s1522;

SCI收錄

陳明文，王自東，徐鑒君.球晶的演化和形態(tài)穩(wěn)定性.中國科學(xué)E輯：技術(shù)科學(xué).2007,

36(5):644-660

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金屬功能材料制備與成形研究室王自東等.一種在鋼液中形成納米顆粒的制備技術(shù).200910089679.5林國標(biāo),王自東,張鴻等.一種提高Cu-Cr系銅合金強(qiáng)度和導(dǎo)電率的熱處理方法.200910085266.X林國標(biāo),王自東等.一種銅合金反重力鑄造升液管.20091009685.0王強(qiáng)松，王自東，謝建新，張鴻等.一種耐高壓鑄造銅合金.專利號(hào):200710176461.申請(qǐng)日：2007年10月29日.公開號(hào):CN101148714王強(qiáng)松,王自東,謝建新,張鴻等.一種高強(qiáng)耐壓鑄造銅合金.申請(qǐng)?zhí)枺?00810114812.申請(qǐng)日：2008.6.12.公開號(hào):CN101289715

專利北京科技大學(xué)UniversityofScienceandTechnologyBeijing

金屬功能材料制備與成形研究室

短流程高效制備銅管技術(shù)的項(xiàng)目已完成中試階段、工程化技術(shù)與設(shè)備研究開發(fā)工作，已在中鋁洛銅公司設(shè)計(jì)、制造并安裝了工程化裝備及相應(yīng)的工裝。完成了六流、拉坯速度2.5～4m/h制備銅管坯的有負(fù)荷試車工作。

成果應(yīng)用北京科技大學(xué)UniversityofScienceandTechnologyBeijing

金屬功能材料制備與成形研究室提綱1、定義2、候選材料3、納米復(fù)合材料4、納米彌散相獲得的理論基礎(chǔ)5、銅基納米復(fù)合材料的微觀組織6、銅基納米復(fù)合材料的力學(xué)性能7、結(jié)論一、定義新一代金屬結(jié)構(gòu)材料：從應(yīng)用最廣泛的鋁、鋼和銅材料來看，需要材料的抗拉強(qiáng)度提高50~100%，延伸率和其他的力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能保持在原有材料的水平。制備方法簡(jiǎn)單、可靠，要與現(xiàn)在的大工業(yè)生產(chǎn)結(jié)合起來環(huán)境友好、節(jié)約資源和能源研究新一代金屬結(jié)構(gòu)材料的意義據(jù)計(jì)算，材料的強(qiáng)度提高0.5~1倍，制造同樣件，可節(jié)約10~20%的材料，這就相當(dāng)5~10年，可以節(jié)約一座煉銅廠、煉鋁廠和煉鋼廠對(duì)提高武器裝備的檔次，對(duì)提高武器裝備的可靠性、安全性有著重要的實(shí)際意義減小環(huán)境污染、節(jié)能、減排、節(jié)約資源等都有重要的意義2、候選材料細(xì)晶、微晶材料納米晶金屬材料金屬基復(fù)合材料非晶材料金屬納米復(fù)合材料2.1細(xì)晶、微晶材料材料的抗拉強(qiáng)度提高20~30%，延伸率有下降，但下降的幅度較小

從制備工藝來看，快速凝固方法大變形的方法機(jī)械合金化的方法與大工業(yè)生產(chǎn)的接軌，難度較大2.2納米材料A納米材料的定義B納米材料的基本效應(yīng)C納米材料的性能與應(yīng)用D

納米材料基本特征納米材料的制備方法納米材料定義和分類

納米材料定義組成相或晶粒結(jié)構(gòu)長度尺寸控制在100nm以下的材料。納米材料組成的基本（組成）單元可以是原子團(tuán)簇、納米微粒、納米線、或納米膜。它既包括金屬材料，也可以包括無機(jī)非金屬材料和高分子材料。納米材料的四大特點(diǎn):尺寸小、比表面積大、表面能高、表面原子比例大。從結(jié)構(gòu)角度看，納米材料可分為：①零維納米材料：納米顆粒、原子團(tuán)簇②一維納米材料：納米絲、納米棒、納米管等③二維納米材料：超薄膜、多層膜等④三維納米材料：納米相材料納米材料的基本效應(yīng)表面效應(yīng)量子效應(yīng)

小尺寸效應(yīng)

當(dāng)納米材料組成相的尺寸較小時(shí)，材料的性能會(huì)發(fā)生變化，當(dāng)組成相的尺寸小到某一臨界尺寸時(shí)，材料性能將發(fā)生明顯的變化。納米晶粒尺寸降到一定程度，其聲、電、光、磁、熱及超導(dǎo)性與宏觀特性有著顯著地不同。納米微粒具有尺寸小、比表面積大、表面能高等特點(diǎn)，其活性極高，遇到其他原子很快結(jié)合，使其穩(wěn)定化。納米材料的力學(xué)性能彈性模量比常規(guī)晶粒材料的彈性模量降低了30%～50%

硬度或強(qiáng)度是同成分傳統(tǒng)晶體(晶粒＞1μm)金屬硬度或強(qiáng)度的2～7倍在拉應(yīng)力狀態(tài)下，納米晶金屬塑性很低，但在壓應(yīng)力狀態(tài)下，納米晶金屬表現(xiàn)出很高的塑性和韌性名稱屈服強(qiáng)度(MPa)抗拉強(qiáng)度(MPa)斷后延伸率(%)彈性模量(GPa)粗晶銅8413040127納米晶體銅(36nm)118237~4502~684納米材料的性能

力學(xué)性能：

納米晶強(qiáng)化效應(yīng)；強(qiáng)度大；納米陶瓷材料具有超塑性

光學(xué)性能：

納米晶粒吸光能力強(qiáng)；光吸收率大電學(xué)性能：電阻高于同類粗晶材料，甚至發(fā)生尺寸誘導(dǎo)，金屬向絕緣體轉(zhuǎn)變，磁場(chǎng)中材料電阻的減小非常明顯磁學(xué)性能：納米晶粒的磁各向異性與粗晶粒材料有顯著的區(qū)別

熱學(xué)性能：納米微粒的熔點(diǎn)、燒結(jié)溫度和晶化溫度均比常規(guī)粉體低得多納米材料的制備方法氣相合成與制備納米材料將高溫的蒸汽在冷阱中冷凝或者在襯底上沉積和生長出低維納米材料的方法。主要包括物理氣象沉積(PVD)和化學(xué)氣相沉積(CVD)。用來制備納米粉體、納米絲和生長出超晶格薄膜和量子點(diǎn)。液相法合成與制備納米材料特點(diǎn)：將材料所需組分溶解在液體中形成均相溶液，然后通過反應(yīng)沉淀得到所需要的組分的前驅(qū)物，再經(jīng)過熱分解得到所需物質(zhì)。主要包括沉淀法、微乳液法、溶膠-凝膠法、電解沉積法、水解法、溶劑蒸發(fā)法。多用來制備納米粉體。固相法合成與制備納米材料：機(jī)械合金化(MechanicalAlloying,MA)、固相反應(yīng)(SolidReaction,SR)、大塑性變形(SeverePlasticDeformation,SPD)SPD法可以采用壓力扭轉(zhuǎn)和等通道擠壓兩種方式實(shí)現(xiàn)。非晶晶化(CrystallizationofAmorphousMaterials,CAM)表面納米化由盧柯等人提出。特點(diǎn)：固體材料在不發(fā)生熔化、氣化的情況下使原始晶體細(xì)化或反應(yīng)生成納米晶體的過程機(jī)械合金化法(MechanicalAlloying,MA)又可以稱為機(jī)械研磨(MechanicalMilling,MA)，指的是利用機(jī)械球磨方法制備納米材料的方法。MA常用的設(shè)備為高能研磨機(jī)，有攪拌式、振動(dòng)式、振擺式等。MA法的優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)單、實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的設(shè)備投資較少、適用材料范圍廣。將球磨形成的納米結(jié)構(gòu)粉末利用熱擠壓、沖擊波壓制、熱等靜壓、燒結(jié)鍛造等技術(shù)固結(jié)，從而得到塊體納米材料。壓力扭轉(zhuǎn)法(TorsionStraining,TS)實(shí)驗(yàn)原理：將置于支撐砧槽中的原始樣品

(塊或粉)施加幾個(gè)GPa的壓力，并相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)上下兩砧使之發(fā)生剪切變形。此法制備的納米晶體樣品一般為圓片狀直徑介于10～20mm，厚度約為0.2～0.5mm壓力扭轉(zhuǎn)法示意圖等通道角擠壓（Equal-ChannelPressing）實(shí)驗(yàn)原理：施加一定的壓力使原始棒材在具有一定角度Φ的通道中通過而發(fā)生剪切變形，將變形后的樣品旋轉(zhuǎn)一定角度再重新復(fù)壓入管道，以使變形在不同滑移面、滑移方向上發(fā)生，經(jīng)過數(shù)次變形后可形成具有高角晶界的塊體納米晶體材料。等通道角擠壓示意圖納米材料研究發(fā)展史納米材料研究現(xiàn)狀仍是一個(gè)嶄新的研究和應(yīng)用領(lǐng)域，總體看來還不夠系統(tǒng)全面，必須深入進(jìn)行理論研究和技術(shù)攻關(guān)，采用新的和改進(jìn)的方法來控制納米材料的組成單元及其尺寸，改善納米尺度的評(píng)價(jià)方法，以及從新的角度更深入理解納米結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系。21世紀(jì)以來實(shí)驗(yàn)室技術(shù)成熟，走向產(chǎn)業(yè)化20世紀(jì)80初-90年代末納米材料和科研技術(shù)迅猛發(fā)展20世紀(jì)50年代Feynman提出納米科技的朝前設(shè)想19世紀(jì)前人們非自覺地應(yīng)用納米材料，例如碳黑研究學(xué)科交叉化，不斷深入發(fā)展展望2.3金屬基復(fù)合材料用陶瓷顆粒或晶須增強(qiáng)鋁基、銅基金屬抗拉強(qiáng)度能提高20~30%，但延伸率下降較大耐磨、彈性模量高界面存在污染，界面結(jié)合不是共格或半共格關(guān)系與現(xiàn)代大工業(yè)生產(chǎn)有一定距離2.4非晶材料耐磨、耐腐蝕抗壓強(qiáng)度高但塑性較差以上材料要想成為下一代金屬結(jié)構(gòu)材料，都有一定的難度，必須進(jìn)行大量的科研工作來解決現(xiàn)有材料存在的問題3納米復(fù)合材料定義：增強(qiáng)相為納米尺度，數(shù)量要足夠多，基體金屬的晶粒為微米級(jí)現(xiàn)有金屬彌散相的尺寸為微米級(jí)，如鋼中的碳化物、鋁合金中的第二相等減小彌散強(qiáng)化相的尺寸到納米級(jí)，直到幾個(gè)納米其抗拉強(qiáng)度就會(huì)大幅度提高，與此同時(shí)延伸率不會(huì)降低，其他的各種性能不低于現(xiàn)在使用的合金獲得納米彌散相的途徑

金屬凝固過程中獲得納米尺度的顆粒熱處理過程中析出納米尺度的顆粒4、納米彌散相形成的理論基礎(chǔ)

凝固過程納米相的形成納米尺度的物質(zhì)基本方程是否適用？如：傳熱方程、傳質(zhì)方程經(jīng)典的熱力學(xué)形核理論是否適用？4.1弱流場(chǎng)、壓力場(chǎng)下球晶的演化及形態(tài)穩(wěn)定性

過冷熔體中球晶凝固的幾何圖

建立數(shù)學(xué)模型

溫度場(chǎng)方程連續(xù)性方程和擬穩(wěn)態(tài)Navier-Stokes方程建立數(shù)學(xué)模型

其中

界面條件：

研究在過冷熔體中遠(yuǎn)場(chǎng)來流遠(yuǎn)小于界面的特征速度的情形球晶生長的演化和形態(tài)穩(wěn)定性.

將凝固系統(tǒng)的物理量按小參數(shù)作級(jí)數(shù)展開,求出凝固系統(tǒng)的近似解(稱之為基態(tài)解）代入球晶凝固系統(tǒng)得到關(guān)于小參數(shù)的各階近似漸近展開：

其中界面方程滿足初值問題：首階近似其中溫度場(chǎng)有兩種情形：一階近似解

在迎風(fēng)方向?qū)α魇沟谜谏L的界面加速非對(duì)稱生長;

分析：在背風(fēng)方向減緩非對(duì)稱生長,在界面兩側(cè)沒有受到影響.

取參數(shù)

t=10，t=20，t=30，

t=40，t=70，t=90，

取參數(shù)

t=110，t=150，

從前面求出的一階近似解可以看出流場(chǎng)的流速對(duì)于界面形態(tài)的影響,但是這與熔體的粘性無關(guān).為了反映熔體的粘性對(duì)于界面形態(tài)的影響,在求出了流場(chǎng)的二階近似解后,需要進(jìn)一步求出溫度場(chǎng)的二階近似解.

代入溫度場(chǎng)的二階近似項(xiàng)方程，得到

流場(chǎng)的二階近似解

界面條件:

溫度場(chǎng)二階近似方程：界面的初始條件:

當(dāng)其它情形時(shí),

分三種情況求出凝固系統(tǒng)的二階近似解

將遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域的溫度場(chǎng)外解與在界面附近的區(qū)域溫度場(chǎng)內(nèi)解進(jìn)行匹配,可以確定待定常數(shù)或函數(shù),

在遠(yuǎn)離界面的遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域溫度場(chǎng)的外解

相應(yīng)的界面生長速度為

求出球晶凝固系統(tǒng)的近似解

選擇參數(shù)作圖

結(jié)果分析

No.1

取參數(shù)

t=10，t=20，t=30，

t=40，t=50，t=60，

取參數(shù)

t=70，t=90，t=110，

t=120，F(xiàn)ig.2MicrostructureofCu-Znalloybyordinarycasting北京科技大學(xué)UniversityofScienceandTechnologyBeijingFirstdendriteSeconddendriteThirddendriteForthdendrite5、銅基納米復(fù)合材料的微觀組織Fig.3MicrostructureoftheCu-Znalloy(containsequiaxedgrainswiththeaveragediameterfrom20to60microns)北京科技大學(xué)UniversityofScienceandTechnologyBeijingFig.5Athighmagnification,nano-particlesofironsarevisible(theaveragediameter2to20nm)HRTEM20nm北京科技大學(xué)UniversityofScienceandTechnologyBeijingFig.6Ironnanoparticleswithwelldefinedinterfacewithcopper–effectivenucleationcenters.HRTEM北京科技大學(xué)UniversityofScienceandTechnologyBeijing(110)(111)0.201nm0.208nm2nmFig.7FurtherconfirmationofphasesrelationbetweenanironnanoparticleandcoppermatrixunderTEMCuFe北京科技大學(xué)UniversityofScienceandTechnologyBeijing

Cu-0.43Cr-0.22Zr-0.092Mg合金的鑄態(tài)組織（TEM）及相應(yīng)的衍射斑點(diǎn)（a）形貌；（b）衍射斑點(diǎn)；（c）衍射斑點(diǎn)標(biāo)定示意圖。

200nm5.1納米Cr相的形成(1)CTEM分析(a)(b)(c)Cu-0.43Cr-0.22Zr-0.092Mg合金[100]晶帶軸衍射矢量g=200的微觀組織（TEM）