ZrW2O8/Al复合材料中ZrW2O8的相变特性及其对复合材料的热膨胀调控机理

批准号:
51771063
项目类别:
面上项目
资助金额:
60.0 万元
负责人:
张强
依托单位:
学科分类:
E0105.金属基复合材料与结构功能一体化
结题年份:
2021
批准年份:
2017
项目状态:
已结题
项目参与者:
杨文澍、林颖菲、周畅、常靖、张福阳、曲硕
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中文摘要
将负膨胀特性的钨酸锆加入到铝合金中可赋予铝合金超低膨胀特性,但是其相组成和相变特性将影响ZrW2O8/Al复合材料的热膨胀性能。本项目在分析钨酸锆化学稳定性的基础上,采用压力浸渗方法制备ZrW2O8/Al复合材料;对复合材料残余应力进行分析,结合原位XRD、原位拉曼分析和第一性原理计算,阐述应力、温度等因素对复合材料中钨酸锆相变行为的影响,研究受铝基体约束的钨酸锆颗粒的相变行为、相变产物和相变机理;研究不同热处理状态下复合材料的热膨胀和热循环性能,结合复合材料的相组成和显微组织分析,揭示复合材料热膨胀性能与钨酸锆结构变化的相关性;同时,建立基于复合材料实际组织的三维模型,进行热膨胀性能预测和热循环过程中尺寸变化的模拟计算。通过项目的研究,揭示钨酸锆的约束相变特性及ZrW2O8/Al复合材料的热膨胀调控机理,为ZrW2O8/Al复合材料的设计理论、热处理原理和性能优化提供科学依据和理论支持。
英文摘要
The adding of Negative Thermal Expansion (NTE) ZrW2O8 particles into Al alloys can create aluminum matrix composites with very low thermal expansion, but the phase constitution and phase transformation characteristics of ZrW2O8 particles will influence the thermal expansion of ZrW2O8/Al composites. Based on the decomposition stability analysis of ZrW2O8, the ZrW2O8/Al composites will be fabricated by pressure infiltration process. The residual stress in the composites will be analyzed. With the combination of in-situ XRD, in-situ Raman analysis and first-principle calculations, the effect of stress, temperature on the phase transformation of ZrW2O8 will be discussed, then to illustrate the constraint phase transformation behavior, products and mechanisms of ZrW2O8. The thermal expansion and thermal cycling properties will be investigated in ZrW2O8/Al composites after heat treatments. Combined with the phase and microstructure analysis, it is aimed to reveal the correlation between thermal expansion and phase constitution. The three dimensional image-based models, representing the actural microstructure features of ZrW2O8/Al composites, will also be established to predict the thermal expansion property and simulate the dimensional change during thermal cycling. It is expected to illustrate the constraint phase transformation characteristics of ZrW2O8 and thermal expansion tailoring mechanisms of ZrW2O8/Al composites, and then provide scientific foundation and theoretical supports for the design theories, heat treatment principles, and performance optimization of ZrW2O8/Al composites.
本项目系统研究了ZrW2O8粉体的固相反应制备和化学稳定性、ZrW2O8/Al复合材料制备、三维组织表征和界面结构特征、复合材料中ZrW2O8的相变行为与相变机理、复合材料的热膨胀性能及其有限元模拟等基本科学问题。.通过固相反应法制备了高纯ZrW2O8粉体,确定了最优的烧结温度、WO3与ZrO2配比、烧结次数、烧结时间等工艺条件。温度高于690℃时,ZrW2O8发生失稳分解,随着温度的升高和时间的延长,分解量增大。优化了压力浸渗制备工艺,在避免ZrW2O8分解和复合材料开裂的基础上,制备了ZrW2O8/Al复合材料。采用同步辐射X射线显微CT技术,表征了复合材料中各组元(弥散分布ZrW2O8颗粒和连续铝基体)的三维空间分布和定量化信息。Al基体与ZrW2O8颗粒之间存在20~100nm厚的纳米界面层,其厚度随制备温度的升高而增加;基于第一性原理计算揭示了其形成机制:ZrW2O8晶格内的多面体间隙可以容纳基体中的铝原子,是一种自发的行为。.ZrW2O8/Al复合材料制备后的热错配应力诱导了高压相γ-ZrW2O8的形成,负膨胀效应显著下降。基于Grüneisen参数、拉曼峰偏移,以及第一性原理计算得到的压力与频率偏移量之间的关系,表征了复合材料内部的残余应力。确定了复合材料中γ-ZrW2O8→α-ZrW2O8的相转变温度和复合材料热处理工艺,从而消除复合材料中高压相γ-ZrW2O8,并调控复合材料的热膨胀性能。热处理后的ZrW2O8/Al复合材料具有超低热膨胀性能,200次冷热循环后热膨胀系数保持稳定,具有很好的热稳定性。基于ZrW2O8/Al复合材料的实际微观组织,进行了热膨胀性能的数值模拟计算,与实验值吻合良好;同时证实了热处理可以进一步降低复合材料的热膨胀系数。.经过四年的研究,本项目共发表SCI论文14篇,获得授权发明专利1项、申请发明专利3项;参加了7次国内、外会议,含国际会议邀请报告3次、国内会议邀请报告1次;培养博士后1名、博士1名、硕士2名;获得2018年国防技术发明一等奖。项目通过理论研究,阐述了ZrW2O8/Al复合材料热残余应力、温度等因素对复合材料中钨酸锆相变行为的影响,揭示了受铝基体约束的钨酸锆相变特性、复合材料相组成与ZrW2O8/Al复合材料热膨胀性能的相关性,为超低膨胀铝基复合材料的设计、热处理原理和热膨胀调控提供了试验数据和理论依据。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
The formation, evolution and influence of Gd-Containing phases in the (Gd+B4C)/6061Al composites during hot rolling
(Gd B4C)/6061Al复合材料热轧过程中含Gd相的形成、演化及影响
DOI:10.1016/j.jallcom.2018.10.212
发表时间:2019
期刊:Journal of Alloys and Compounds
影响因子:6.2
作者:Xu Z. G.;Jiang L. T.;Zhang Q.;Qiao J.;Zhang L. C.;He P.;Ma J.;Wu G. H.
通讯作者:Wu G. H.
Research progress of interface modification and thermal conduction behavior of diamond/metal composites
金刚石/金属复合材料界面改性及导热行为研究进展
DOI:--
发表时间:2022
期刊:International journal of minerals, metallurgy and materials.
影响因子:--
作者:Ping Zhu;Pingping Wang;Puzhen Shao;Xiu Lin;Ziyang Xiu;Qiang Zhang;Equo Kobayashi;Gaohui Wu
通讯作者:Gaohui Wu
DOI:10.1007/s12613-020-2031-2
发表时间:2020
期刊:International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials
影响因子:--
作者:Ju Boyu;Yang Wenshu;Zhang Qiang;Hussain Murid;Xiu Ziyang;Qiao Jing;Wu Gaohui
通讯作者:Wu Gaohui
The microstructure and ballistic performance of B4C/AA2024 functionally graded composites with wide range B4C volume fraction
宽范围B4C体积分数B4C/AA2024功能梯度复合材料的微观结构和弹道性能
DOI:10.1016/j.compositesb.2018.12.147
发表时间:2019-03-15
期刊:COMPOSITES PART B-ENGINEERING
影响因子:13.1
作者:Chao, Z. L.;Jiang, L. T.;Wu, G. H.
通讯作者:Wu, G. H.
DOI:10.1016/j.mtla.2019.100289
发表时间:2019-06
期刊:Materialia
影响因子:3.4
作者:Chang Zhou;Qiang Zhang;X. Tan;S. Deng;Kewen Shi;Cong Wang;Gaohui Wu
通讯作者:Chang Zhou;Qiang Zhang;X. Tan;S. Deng;Kewen Shi;Cong Wang;Gaohui Wu
热循环作用下金刚石/Al复合材料组织演化与热性能稳定性
- 批准号:52111530297
- 项目类别:国际(地区)合作与交流项目
- 资助金额:20万元
- 批准年份:2021
- 负责人:张强
- 依托单位:
金刚石/Al复合材料的界面Ti基纳米化改性与多相界面调控及其对导热性能的影响机理
- 批准号:52071117
- 项目类别:面上项目
- 资助金额:58万元
- 批准年份:2020
- 负责人:张强
- 依托单位:
B4C/Al复合材料的动态力学行为与损伤机理
- 批准号:51911530116
- 项目类别:国际(地区)合作与交流项目
- 资助金额:15万元
- 批准年份:2019
- 负责人:张强
- 依托单位:
B4C/Al复合材料的同步辐射显微CT三维表征及其损伤演化与断裂机理研究
- 批准号:51571069
- 项目类别:面上项目
- 资助金额:62.0万元
- 批准年份:2015
- 负责人:张强
- 依托单位:
基于同步辐射XMCT研究铝基多孔复合材料3D组织动态演化规律与失效机理
- 批准号:51001037
- 项目类别:青年科学基金项目
- 资助金额:20.0万元
- 批准年份:2010
- 负责人:张强
- 依托单位:
国内基金
海外基金
