双连续梯度复合高铁制动材料的制备及其服役行为研究结题摘要

本项目选用与铁基体润湿性良好的TiC为增强相，采用粉末冶金法制备了均质及梯度TiC/Fe复合材料，采用模板浸渍-熔融浸渗法制备了双连续TiC/Fe以及双连续梯度TiC/Fe复合材料，研究了材料组分、复合形式、工艺参数等对TiC/Fe复合材料结构及性能的影响，取得以下主要成果： (1) 成功制备了均质、梯度结构、双连续结构以及双连续梯度结构TiC/Fe复合材料。 (2) 无压烧结制备的均质TiC/Fe复合材料中，15vol%TiC/Fe的致密度最高，达97.8%；20vol%TiC/Fe的硬度最高，达270HV。基体中添加羰基铁粉有助于降低烧结温度并促进致密化，添加少量硬脂酸锌可提高TiC/Fe复合材料的性能。 (3) 采用无压烧结工艺成功制备出TiC体积含量分别为5、10、15、20的TiC/Fe梯度复合材料，各梯度层间界面结合良好。 (4) 以聚氨酯海绵为模板制备了TiC多孔陶瓷增强体，在TiC原料中加入Ti粉可反应生成非化学计量比的TiCX颗粒，有利于提高增强体与铁基体的润湿性，加入少量Mo和Fe粉则可明显改善增强体的力学性能。 (5) 通过无压浸渗工艺制备了双连续TiC/Fe复合材料，TiC多孔增强体的成分对双连续TiC/Fe复合材料的性能影响显著，在增强体中添加少量Fe粉制备的双连续TiC/Fe复合材料的致密度最高，达99.8%，而添加少量Mo制备的双连续TiC/Fe复合材料的拉伸强度最大，为343 MPa，比相同增强相含量的无压烧结颗粒增强型复合材料提高了66.5%。 (6) 采用不同孔径的有机模板粘接法制备出梯度TiC多孔增强体，通过重复浸渍和烧结可有效提高增强体的性能，其抗压强度最高可达4.1MPa，在此基础上采用无压浸渗工艺制备出双连续梯度TiC/Fe复合材料。 (7) 摩擦磨损试验中，TiC/Fe复合材料的摩擦系数和磨损量随基体成分、TiC含量以及试验条件而改变，其中均质TiC/Fe复合材料的摩擦系数随TiC体积分数的增加而提高，双连续TiC/Fe复合材料的摩擦系数随增强相孔径尺寸的增加而增大，随着法向压强的变化不显著。双连续TiC/Fe复合材料耐磨性能显著优于颗粒增强型复合材料，0.5MPa压强下，增强相含量为4vol%的双连续TiC/Fe 复合材料的磨损率比相同含量的热压烧结颗粒型复合材料低43.9%，而比无压烧结颗粒型复合材料低1.95倍。

列车制动盘是保障铁路运输安全性的关键部件。随着铁路运输向高速、重载的方向发展，制动系统所承受的负荷越来越大，摩擦产生的热量使制动盘工作温度不断升高，已接近现有制动材料的工作上限，发展性能更优的新型制动材料已成为亟待解决的问题。针对高铁制动材料的性能需求，本项目拟采用一种陶瓷含量呈梯度变化的三维连续骨架增强相对现有制动用钢基体进行增强，研制一种新型双连续梯度陶瓷/合金钢复合制动材料，充分发挥陶瓷材料耐高温、耐磨损的优势，提高制动材料的高温摩擦磨损性能和热疲劳性能，同时通过基体与增强相的双连续来优化复合效果，强化两者的结合；通过增强相含量的梯度变化使复合材料一侧耐磨，另一侧易于与锻钢制动盘基体连接。此外，本项目在优化复合材料制备技术基础上，深入研究基体与增强相之间界面结构、特性及其调控方法，揭示复合材料高温摩擦磨损特性与热疲劳性能、机理及其影响因素，为这一新型材料在高铁制动领域的应用奠定基础。

《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。

针对微机械构件的服役性能与制备工艺关系，利用体硅工艺研究制作了悬臂梁阵列，完善了加工工艺；并重点研究了利用光纤耦合机理来测量悬臂梁横向固有振动频率的方法，较好地解决了“施加微小载荷”和“检测微小位移”两方面的问题；采用静态压入检测的方法，设计了微结构专用的微机械性能测试仪，能够检测微结构材料硬度、弹性模量、硬化指数、断裂韧性及疲劳极限等多项指标；发明了研究微结构冲击载荷作用的微冲击实验台，研究了相应的动态测试技术，并对微机械制造中常用的几种材料进行了微冲击实验。在整个研究过程中还完善了微机械加工的工艺参数，制作了微压力传感器、微悬臂梁阵列、微温度传感器等具有市场价值和工艺代表性的微功能器件。 2100433B

本项目根据研究计划，在CdTe基半导体的能带调制及其合金性质的研究、电极材料与CdZnTe的界面性质、晶体生长和探测器制备研究方面取得了重大进展。首先，基于密度泛函理论(DFT) 框架下的PBE型广义梯度近似（GGA）平面波赝势的方法和混合密度泛函理论的HSE方法，计算了闪锌矿结构的CdTe体材料的光学特性、Cd空位、 Te反位和Te间隙缺陷的形成能、缺陷能级和态密度。其次，研究了电极材料与CdZnTe的界面性质及其扩散机制。采用改进的垂直布里奇曼法和溶剂熔区移动法制备了CdZnTe单晶，对CdZnTe晶体(111)B面进行Au/Zn电极制备和退火研究。深入研究了晶体表面处理、电极金属材料、热处理工艺对金半接触性能的影响。采用近空间升华（CSS）方法在FTO导电玻璃上制备了高质量、高电阻率的探测器级CdZnTe厚膜。制成了Au/graphene/CdZnTe/FTO光导结构。设计glass/Cr/Au/CZT/Au多层复合结构，研究对称电极的光电性能。采用电子束蒸发法在CdZnTe薄膜上制备了Au/GZO复合电极，确定了电极工艺对Au/CdZnTe 光导结构性能的影响规律。再次，研究了垂直布里奇曼法晶体生长后期降温过程中的原位热处理工艺，首次提出在晶体生长后期的降温过程中采用三阶段的原位热处理工艺的思路，电阻率超过了1010Ω•cm，对241Am@59.5keV射线源的能谱响应提高了6.01%。采用溶剂熔区移动法在800°C、840°C和880°C制备CdZnTe单晶，讨论了不同制备温度对溶剂熔区移动法晶体性能的影响。利用稳态光电导技术表征载流子的运输性能，研究了不同辐射强度、不同温度对载流子输运性能的影响。最终制备出高质量的探测器级CdZnTe晶体，最优样品已达到申请书提出的指标。实现了在制备出探测器级CdZnTe材料及高性能核辐射探测器的理论与工艺研究上有所突破的目标。 2100433B