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1、1一、关键科学问题及研究内容针对国家空天技术、电子通讯和交通运输领域等对先进金属基复合材料的共性重大需求和先进金属基复合材料的国内外发展趋势，本项目以克服制约国内先进金属复合材料制备科学的瓶颈问题为出发点，针对下列三个关键科学问题开展先进金属基复合材料制备科学基础研究：(1). 先先进进金属基复合材料复合界面形成及作用机制金属基复合材料复合界面形成及作用机制界面是是增强相和基体相连接的“纽带”，也是力学及其他功能，如导热、导电、阻尼等特性传递的桥梁，其构造及其形成规律将直接影响复合材料的最终的组织结构和综合性能。因此，界面结构、界面结合及界面微区的调控是调控金属复合材料性能的最为关键的一环。揭
2、示基体成分、添加元素、增强体特性复合工艺对复合过程中的界面的形成、加工变形、服役过程中的界面结构、特征的演变规律和效应，以及在多场下的组织演变规律和对复合材料的性能变化极为关键。复合效应的物理基础正是源于金属基体与增强体的性质差异，而在金属基复合材料复合制备过程中，二者的差异无疑会直接或间接地影响最终的复合组织和界面结构。因此，要想建立行之有效的金属基复合材料组分设计准则和有效调控先进金属基复合材料的结构与性能，就必须从理论上认识先进金属基复合材料的复合界面形成及作用机制。(2). 先先进进金属基复合材料复合制金属基复合材料复合制备备、加工成型中、加工成型中组织组织形成机制及演化形成机制及演化
3、规规律律金属基复合材料的性能取决于其材料组分和复合结构，二者的形成不仅依赖于复合制备过程，还依赖于包括塑性变形、连接、热处理等后续加工和处理过程。只有在掌握金属基复合材料的组织结构演变规律的基础上，才有可能通过优化工艺参数精确调控微观组织，进而调控复合材料的性能。(3). 使役条件下复合材料界面、使役条件下复合材料界面、组织组织与性能耦合响与性能耦合响应应机制机制先进金属基复合材料中，由于增强体与金属基体的物理和力学性能之间存在巨大差异，造成在界面点阵分布不均匀，同时近界面基体中由于热错配，残余应力等导致晶体学缺陷含量较高。因此，在使役过程中，先进金属基复合材料的力学性能不仅取决于其材料组分，
4、更加取决于增强体在基体中的空间分布模式、界面结合状态和组织与性能之间的耦合响应机制。只有揭示使役条件下复合材料界面、组织与性能耦合响应机制，才能真正体现先进金属基复合材料中增强体与基体的优势互补，充分利用其巨大潜力，也才可能优化复合和界面结构设计。 2围绕以上三个关键科学问题，开展以下几方面的研究内容，为先进金属基复合的制备科学提供理论基础。研究内容一、先研究内容一、先进进金属基复合材料金属基复合材料设计设计基基础础理理论论（1（在增强体空间分布特征与增强体/基体界面特性描述与预测基础上，揭示多元多尺度增强体空间分布对宏观力学性能与物理性能影响规律，建立金属基复合材料复合构型设计准则；（2（根
5、据晶体学参量、机械及物理性能匹配原则选择基体相和增强相，并通过计算机辅助设计、密度泛函分析等手段建立金属基复合材料体系设计准则；（3（基于材料热力学和动力学理论，从揭示基体与增强体之间的润湿性机理、界面结合能模拟计算、界面化学反应规律入手，建立金属基复合材料界面设计准则； 研究内容二、先研究内容二、先进进金属基复合材料制金属基复合材料制备备与加工的基与加工的基础础理理论论（1（研究复合材料制备过程中增强体特征调控及其在基体中的分散动力学规律，实现增强体特征与分散可控；（2（研究复合界面和复合组织的形成机制与演化规律，实现复合界面与复合组织的有效调控；（3（变形加工过程中增强体尺寸、分布与取向演
6、变规律研究，揭示增强体与基体的相互作用与协调机理；（4（变形加工过程中基体宏观流变组织如变形带、织构等和近界面微区应力应变场、原有及新生缺陷等演化规律及其对材料性能的影响；（5（针对典型金属基复合材料，形成高性能化、高可靠性和短流程、低成本可控制备加工技术原型及相应的理论体系。研究内容三、先研究内容三、先进进金属基复合材料的界面、金属基复合材料的界面、组织组织与性能耦合响与性能耦合响应应及及拟实拟实基基础础理理论论（1（完善先进金属基复合材料组织和性能演变的表征途径，特别着重于开发各种微区原位（in situ）表征新手段，揭示界面及近界面微区不均匀性、结构参数和热历史对性能影响规律；（2（先进
7、金属基复合材料在服役条件下的变形行为与破坏机制研究，建立多元多尺度金属基复合材料的力学本构关系模型；（3（先进金属基复合材料界面、近界面微区结构与宏观力学性能的拟实计算，揭示复合结构与宏观力学行为的耦合规律。3研究内容四、先研究内容四、先进进金属基复合材料的工程化技金属基复合材料的工程化技术应术应用基用基础础与典型与典型应应用用（1（提出性能和应用为导向的先进金属基复合材料坯锭制备、构件成型加工处理、质量控制、试验验证等工程化技术调控优化理论基础；（2（开展典型金属基复合材料合成与加工技术原型研究，建立基于组织和性能全流程调控平台，优化金属基复合材料的综合性能并在空天、电子通讯及交通运输等国家
8、重大领域得到实用和验证。具体应用实例包括：(a). 航天及国防领域所需阻尼减振、耐磨、耐冷焊、抗辐射关键轻质高刚度材料和构件，如嫦娥二号探月卫星及月球车、神舟八号飞船、天宫一号空间实验室、萤火一号火星探测器、国防专用卫星的高精密观测仪器支撑构件，电源供给系统支撑构件，太阳能电池展开支架，直升机旋翼系统关键承力运动结构件等。(b).电子通讯及大功率半导体照明产业亟需的高效热控材料，如高模量、高导热、与半导体热膨胀匹配的 SiC/Al、纳米碳管/Al 和金刚石/Al 的高效热控材料；(c).在交通领域与节能减排、提高发动机效率相关的结构功能一体化零部件，如 SiC/Al 用于汽车和高铁的刹车部件、
9、驱动轴、连杆、活塞等。4二、预期目标2.1 总总体目体目标标以铝基、钛基先进金属基复合材料为主要研究对象，针对先进金属基复合材料的制备加工技术水平亟需提高、满足国家空天技术、电子通讯和交通运输领域对先进金属基复合材料的共性重大需求为背景，解决先进金属基复合材料在制备和加工过程中的关键科学问题，建立先进金属基复合材料组分、结构和工艺设计的理论基础和制备、加工、应用基础技术体系，提出以性能为导向的制备加工与组织优化全流程控制模型，实现先进金属基复合材料从技术到科学的跨越。以此为基础，形成具有自主知识产权的先进金属基复合材料合成和加工技术原型，建立先进金属基复合材料基础研究、技术创新与支撑保障平台，
10、在空天技术、电子通讯热控及交通运输等国家重大领域得到实用和验证，打破国际封锁和禁运，有力支撑国家重大需求。基于先进金属基复合材料制备科学基础研究成果，指导先进金属复合材料的设计、制备及加工工艺优化，在此基础上制备出满足国家不同领域重大应用需求的典型的先进金属基复合材料。以上研究成果将发表高质量的学术论文 160220 篇，出版特色鲜明的学术专著 12 部,申报和获得国家发明专利 2040 项；形成几个相互支撑的先进金属基复合材料研究基地，培养造就一支团结合作、富有朝气和创新精神的金属基复合材料研究队伍，其中青年学术带头人 10 名以上。2.2 五年五年预预期目期目标标科学科学层层面：面： （1
11、（针对先进金属基复合材料典型复合制备技术中增强体分散、界面结合等制约复合效应发挥的关键科学问题，揭示制备过程中增强体特征调控机制与分散动力学规律、复合界面和复合组织形成机制与演化规律，对典型先进金属基复合材料，形成高性能化、高可靠性和短流程、低成本可控制备原理。（2（从微观到原子尺度阐明不同组元间界面的结合模式、位向关系、界面反应产物的形态、微区成分、以及界面结合部分组元的电子结合状态等，揭示不同金属、增强体之间的结合规律，以此为基础，弄清一些重要的复合材料体系中普遍存在的共格-半共格界面原子堆垛模式，为理论模型的构筑提供实验基础。5（3（针对以往研究作为基本参数的组元性能多采用单组元材料的“
12、常态”性能，而非就位性能，在有效表征组元各种就位性能，包括强度、硬度、杨氏模量、塑性应变硬化指数等的基础上，结合组织表征的研究成果，弄清界面反应产物、增强体种类、大小、含量、分布以及热历史对组元就位性能的影响规律。（4（弄清表征界面、近界面微区力学性能（强度、硬度、杨氏模量、塑性应变硬化指数）不均匀分布规律，评价不均匀性程度及不均匀区尺度，弄清组元结构参数（包括增强体种类、形态、尺寸、含量、分布）以及热历史对微区特性（包括力学性能、残余应力等）不均匀分布的影响规律。（5（在实现多尺度增强复合材料制备的基础上，对复合材料的强化和失效机制进行系统的实验研究。重点明确微米级和亚微米级复合材料的强化与
13、失效机制，建立跨尺度的数值模型，并揭示复合材料微观结构与宏观性能之间的内在关系，为新型结构-多功能复合材料提供设计平台。（6（建立不同复合材料的本构关系模型，实现材料宏观行为的数值模拟。对在不同服役条件下(特别是大范围的温度循环载荷，如航空航天领域) 对新型复合材料的变形行为进行系统的实验研究，重点是温度场和力场协同作用下复合材料材料的变形行为，与服役条件下材料微观结构的变化建立联系，明确其变形机制。在现有理论基础上建立一种可应用于不同尺度增强复合材料的本构关系模型。（7（揭示力场，温度场下增强体微区内基体的晶粒尺度，织构、位错密度等非均匀梯度分布对力场下塑变的相容性，及对微屈服，微裂纹扩展等
14、力学性能及热传导、电导等物理性能影响规律，建立材料近界面微结构及物理性能与不同服役条件下力学响应的关系及近界面微区的材料失效演化规律及其计算模型，为复合材料微区设计和调控提供理论平台。（8（建立高性能先进金属基复合材料的低成本高可靠性制备技术的工艺理论框架。技技术层术层面：面： （1（针对金属基体增强体多元多尺度复合体系，完善原位微区观测技术，构筑材料变形与组织观察一体化技术平台，在微米至亚微米尺度建立组织形貌、成分、取向随外界条件动态响应的研究系统，集成原位微观形貌观6察、原位电子背散射衍射技术、原位能谱仪技术，原位准动态背散射电子成像技术等，为验证复合及变形过程发生的各种物理、化学变化的规
15、律研究提供实验基础与技术条件。（2（针对先进金属材料基体-界面-增强体三位一体的构架关系，发展先进金属复合材料多尺度界面的跨尺度表征与预测模拟技术，发展第一原理、热力学、力学、物理学等跨学科、不同层次的综合表征体系，为揭示界面对先进金属复合材料的多功能化提供相应的技术规范和标准；（3（建立微观组织与微区性能一体化表征的技术手段，发展、完善一系列组元就位性能研究基本测试技术，包括改进的纳米压痕法（不同形状、尺寸、材质压头）表征界面、近界面微区力学性能（强度、硬度、杨氏模量、塑性应变硬化指数）的技术，微束 XRD 技术，扫描隧道显微技术，激光显微拉曼光谱技术等多种先进方法；建立各种表征方法中实验信
16、号与待定性能之间转换模型；制定不均匀程度和尺度的评定标准；对各种表征方法进行相互验证，针对每一种特定性能筛选出最合适的表征方法。为实验表征组元结构参数（包括增强体种类、形态、尺寸、含量、分布）、热历史（包括温差变化、温差变化速率、热循环等）对微区特性（包括力学性能、残余应力等）不均匀分布的影响规律，形成先进金属复合材料微区性能表征评价技术规范。（4（突破高性能大型先进金属基复合材料成型的技术瓶颈，实现大规格金属基复合材料制备技术的跨越，满足国家重大工程对若干大规格先进金属基复合材料构件的需求；建立低成本、高效率先进金属基复合材料塑性加工成型的技术。（5（根据国家在空天、电子通讯、交通运输的重大战略需求，构筑高性能先进金属基复合材料的低成本、短流程、高可靠制备工艺技术平台，开发多种典型的金属基复合材料构件，实现全流程有效控制，形成自主创新的技术原型，为上述应用领域提供关键材料及构件和技术支撑。2.3阶阶段性目段性目标标研究将分两个阶段进行，第一阶段（20122013），以铝基、钛基先进金属基复合材料为主要研究对象，首先对先进金属复合材料的复合构型与界面设计基础、先进金属复合材料
