金属材料的仿生复合制备与性能研究

复合构型化是金属材料实现高性能化和功能化的有效途径之一，但长期以来金属基复合材料多以均匀复合结构为特征，难以充分发挥不同组分之间的协同耦合和多功能响应；如何有效解决该关键问题一直是复合材料科学的研究热点。自然生物材料（如贝壳、骨骼等）经长期进化成组分简单、结构精细、宏观均匀、微观非均匀的跨尺度、多级次复合结构，具有超越人工材料的复合响应。本项目启迪于贝壳微纳叠层结构的高强韧匹配特性，提出了金属仿生复合化的学术思想，通过研究微纳片状金属粉末的可控制备、金属粉末与纳米相表面改性、料浆共混复合、叠层组装与致密化、形变加工与仿生组织调控等关键科学问题与技术，揭示了纳米碳与金属粉末之间的微/纳米尺度、几何形貌及界面化学性质的相容性机制，创制了具有类贝壳微纳砖砌叠层结构的碳纳米管/铝、石墨烯/铝及石墨烯/铜基复合材料，构建了微纳砖砌叠层仿生复合技术原型，该学术思想和技术原型开辟了崭新的研究途径，并适用于不同金属基复合材料的创制。 项目通过结构参量（复合构型、特征尺度、界面结构）的有效调控，研究了几何约束、结构取向、界面结构、多维尺度的协同耦合效应和材料的力学性能及导电、导热等功能特性，进而通过界面微纳力学与复合构型建模拟实研究，构筑了金属基复合材料仿生复合的理论基础与技术体系，揭示了仿生复合构型的形成机制与性能耦合响应机理。在基础研究和理论指导下，开展了仿生复合材料的宏量制备和应用研究，制备了大规格复合材料锭坯和型材，开创了仿生复合设计、制备、表征、应用的全链条研究模式，制备的高模量、高强韧碳纳米管/铝合金复合材料在中国标准动车组上得到了应用验证，为今后仿生金属基复合材料的应用发展奠定了研究基础和实用途径。

复合化是金属材料实现高性能化和功能化的有效途径，但传统的金属基复合材料多以均匀的单级复合结构为特征，不利于发挥不同组分之间的协同、耦合和多功能响应机制；反观自然生物材料，如贝壳、骨骼等经长期进化成组分简单、结构精细、宏观均匀、微观非均匀的跨尺度、多级次复合结构，从而赋予生物材料优异的力学和功能特性。启迪于典型的生物材料结构，本项目拟采用自组装堆砌方法，重点仿生制备具有类贝壳砖砌式叠层结构的金属基复合材料，通过结构参量（复合构型、特征尺度、界面结构）的定向调控，研究纳米-亚微米-微米级的跨尺度、几何约束、结构取向、界面结构的协调耦合效应，优化出具有高强韧、高导热、高阻尼等功能特性的仿生金属基复合材料的制备方法，构筑金属基复合材料仿生复合化的新技术原型，揭示仿生复合结构的形成机制与性能之间的耦合响应机理，为金属基复合材料的仿生复合化提供理论依据和实用途径。

《高性能耐磨铜基复合材料的制备与性能研究》由王德宝、吴玉程著。通过SEM、XRD、TEM和其他实验检测仪器对粉末的机械合金化过程，复合材料的微观组织特征以及机械、物理和摩擦磨损性能进行了系统研究，为拓展新型高性能铜基复合材料的应用领域打下坚实的基础。

《高性能耐磨铜基复合材料的制备与性能研究》以开发高性能导电（热）耐磨铜基复合材料为目标，通过成分和工艺优化，采用机械合金化（MA）、冷压成形和复压复烧工艺制备出了满足性能要求的颗粒增强Cu（—Cr）基复合材料，以寻求最佳的材料制备工艺，满足材料的高强度、高导电（热）性以及优良的摩擦磨损性能要求。

《煤/水滑石矿物复合材料的制备及其性能研究》首先简要介绍了煤结构及其材料化应用、煤炭自燃灾害防治技术、煤基复合材料复配阻燃聚合物等研究领域的理论研究成果，然后以煤炭自燃防治材料和新型无卤阻燃材料的制备及应用为背景，基于煤特殊的微纳米孔隙结构和官能团结构特征，借鉴层状双氢氧化物（LDHs，水滑石）的制备方法及影响因素研究，采用理论研究、实验分析、理论模拟相结合的方法，探讨了神府煤的结构，水滑石矿物制备表征及其煤自燃阻化性能，神府煤水滑石矿物复合材料（CLCs）的制备方法、结构及其性能等研究内容。研究成果对新型矿物功能材料的制备及应用具有理论研究意义和应用价值。

《煤/水滑石矿物复合材料的制备及其性能研究》可供煤基新材料研发人员、煤自燃防控技术人员、矿物复合功能材料研发人员、消防人员、聚合物阻燃技术研发人员及其他科研人员应用和参考，可作为煤炭可持续利用、煤炭清洁利用、煤火灾害防治等方面的知识学习用书，也可作为高校、科研院所的研究生、本科生的教学参考书。